1、现代电子技术Modern Electronics TechniqueSep.2023Vol.46 No.182023年9月15日第46卷第18期2020年 8月 4日，黎巴嫩贝鲁特港的硝酸铵仓库发生爆炸，造成超过 234人死亡、6 500多人受伤，经济损失高达100150亿美元。2015年8月12日，天津市滨海新区的瑞海公司危险品仓库发生爆炸，共造成165人死亡、8人失踪、798人受伤，直接经济损失68.66亿元。经过调研和查阅文献发现，以往大多数特种仓库特别是一些中小型仓库，基本还是停留在人工管理的状态1。即使被冠以“智能仓库”的某些特种仓库也仅仅使用一些简单的传感器进行环境参数测量2，缺乏
2、监测和调控一体化设计。为减少或杜绝危险品事故，有必要设计一套用于特种仓库自动采集和自动处理的系统，从而提升仓库调控的自动化水平。通过查阅文献，并进行了大量的验证性实验，最终确定了基于Arduino与Processing互动编程的特种仓库智能测控系统的方案，同时制作出系统实物样品，基本实现了特种仓库主要环境参数的自动测量和控制。1 系统整体设计本系统选择Arduino芯片作为系统的主控芯片3，主要由环境参数采集、自动控制、语音控制和远程显控等DOI：10.16652/j.issn.1004373x.2023.18.031引用格式：崔北尧，王峰，刘士军，等.基于Arduino与Processing
3、互动编程的特种仓库智能测控系统设计J.现代电子技术，2023，46（18）：177182.基于Arduino与Processing互动编程的特种仓库智能测控系统设计崔北尧，王 峰，刘士军，李伟光，王一飞（陆军炮兵防空兵学院 信息工程系，安徽 合肥 230031）摘 要：基于 Arduino与 Processing互动编程方式进行特种仓库智能测控系统设计。该系统以 Arduino为主控单元，利用各种传感器实时采集库区火情、烟雾、温度、湿度、有害气体浓度等关键参数；采用中位值平均滤波法对参数进行处理，并根据库内参数发出相应控制信号，作用于对应节点设备，实现自动控制。同时，保留人工干预措施，仓库管理
4、人员可以根据库内环境参数做出相应的管控措施。所设计系统是集常规监测、自动控制、无人值班等功能于一体的智能化系统，对弹药、危险品、生化物品等高危物品的存储有一定的借鉴意义。关键词：特种仓库智能测控系统；Arduino芯片；Processing；温湿度传感器；自动控制；算术平均滤波；程序设计中图分类号：TN71334；TP212；TP273.2 文献标识码：A 文章编号：1004373X（2023）18017706Design of special warehouse intelligent measurement and control system based on interactive p
5、rogramming between Arduino and ProcessingCUI Beiyao,WANG Feng,LIU Shijun,LI Weiguang,WANG Yifei(Department of Information Engineering,PLA Army Academy of Artillery and Air Defense,Hefei 230031,China)Abstract：Based on the interactive programming between Arduino and Processing,an intelligent measureme
6、nt and control system for special warehouses is designed.Taking arduino as the main control unit,key parameters such as fire,smoke,temperature,humidity,and harmful gas concentration in realtime in the warehouse area are collected in real time,the median average filtering method is used to process th
7、e parameters,then corresponding control signals are send out according to the parameters in the warehouse,which act on the corresponding node devices to realize automatic control.Manual intervention measures are reserved,and warehouse managers can make corresponding control measures according to the
8、 environmental parameters in the warehouse.The designed system is an intelligent system that integrates routine monitoring,automatic control,unmanned duty and other functions.It has a certain reference significance for the storage of highrisk items such as ammunition,dangerous goods,biochemical subs
9、tances,etc.Keywords：special warehouse intelligent measurement and control system;Arduino chip;Processing;temperature and humidity sensor;automatic control;arithmetic mean filtering;process design收稿日期：20230310 修回日期：20230426177177现代电子技术2023年第46卷模块组成，系统总体组成框图如图1所示。图1 系统组成框图2 硬件电路设计2.1 电源模块电路设计Arduino 的
10、工作电压为 512 V，引脚输出电压为3.3 V和5 V，温湿度、烟雾、有害气体传感器的供电电压为 24 V，火焰传感器的供电电压为 3.35 V，云台、紫外线灯、风机、卤素灯的供电电压为 12 V，雾化器的供电电压为37 V。可见，不能直接用Arduino的输出电压为所有采集、控制设备供电。为使各模块能够正常工作，必须分别对不同电压的器件进行供电4。可以采用开关电源5的方式进行系统供电，开关电源分别输出 5 V、12 V、24 V电压，满足所有设备的供电需求。2.2 环境参数采集电路设计基于烟雾、温度、湿度、有害气体和火焰传感器设计环境参数采集电路6，各传感器分别连接至 Arduino 的A
11、0、A1、A2、A3和 25脚，可将各传感器采集到的信号直接转化为电信号，传输至Arduino进行处理。2.3 自动控制电路设计基于风机、卤素灯、雾化器、云台、水泵、紫外线灯和蜂鸣器设计自动控制电路，各控制设备分别连接至Arduino的7、8、9、10、11、12和13脚，芯片控制设备对异常情况进行处理。2.4 语音控制电路设计设计语音控制电路7，控制云台、灯光、风机等主要设备。使用 HLKV20 高性能纯离线语音识别模块，如图 2所示。模块的输出信号直接连接 Arduino的 I/O口，芯片直接读取I/O引脚的状态，当语音命令执行后，对应的 I/O口输出高低电平，从而控制对应设备的继电器开关
12、，以达到语音控制的功能。硬件连接示意图如图3所示，其中VIN代表语音控制信息输入。图2 语音识别模块图3 语音控制模块连接示意图系统硬件连接示意图如图4所示。3 系统软件设计3.1 传感器选型对于常见的存储易燃易爆、有毒物质、化工产品等特种仓库来说，主要关注温度、湿度、烟雾、明火等环境参数。其中：温度的测量选用高灵敏度4针热敏传感器模块8；湿度的测量选择高线性度的 HR202 模块；烟雾浓度的测量选用 MQ2烟雾气敏传感器；明火测量选择火焰传感器，检测火焰或者波长在 7601 100 m 范围内的热源；有害气体浓度选择MP503传感器。3.2 阈值设计不同仓库对库内环境要求不一样，设计库内环境
13、参数阈值对于各类特种仓库来说十分重要。常见的易燃易爆和有毒物品温、湿度的具体标准如表1所示9。为了扩展特种仓库功能，本文在温度和湿度上各设置两个阈值，同时设置烟雾、有害气体的阈值，如表2所示。读者也可以根据不同仓库或系统的需求对环境参数的阈值自行设计。178第18期表1 各类危化学品温湿度要求类别爆炸品压缩气体和液化气体易燃液体易燃固体品名黑火药、化合物水作稳定剂的易燃、不燃、有毒低闪点中高闪点易燃固体硝酸纤维素酯红磷、硫化磷、铝粉温度/321302930352535湿度/%808080 0；i）if（filter_bufi filter_max）filter_max=filter_bufi；
14、else if（filter_bufi filter_min）filter_min=filter_bufi；filter_sum=filter_sum+filter_bufi；filter_bufi=filter_bufi 1；i=FILTER_N 2；filter_sum=filter_sum filter_max filter_min+i/2；filter_sum=filter_sum/i；return filter_sum；为验证滤波效果，使用串口助手读取传感器的采样值，并将采样值通过中位值平均滤波算法进行滤波，打印原始采样值和滤波后的值，并在串口波形软件上显示。滤波算法采样前后波形对比
15、图如图5所示，其中蓝色曲线为采样的原始数据波形图，橙色曲线为经过中位值滤波算法滤波后的波形图。可以看出，该算法可以有效地滤除系统中出现的脉冲干扰和毛刺，使得采样数据更加平滑。图5 滤波算法采样前后波形对比图3.5 程序设计基于算法设计与阈值设计进行程序编写，程序流程如图6所示。图6 系统程序流程3.6 远程显控模块设计对于特种仓库来说，增加远程人工干预功能可以减少人员与危险品的接触机会，进一步提高仓库的安全性能。远程人工干预主要包括远程环境参数显示和远程控制12两部分。3.6.1 远程显示设计为更好地监控仓库环境参数，将传感器测得的数据传 输 至 上 位 机 进 行 显 示13。本 文 基 于
16、 Processing 与Arduino互动编程的方式设计软件界面，显示环境参数。通过串口传输温度、湿度、烟感指数和有害气体等 4种参数。为解决串口无法同时传输 4路数据的问题，将 4个参数依次放入数组中，通过串口传输至 Processing端进行显示。这样就可以通过串口实现4路数据的传输。3.6.2 远程控制设计通过 Processing编写控制按钮，每个节点设备由两个互斥按钮控制，点击某个按钮时，互斥的两个按钮颜色交替变换，这样可以直观地了解相应设备的工作状态。同时，Processing端通过串口向Arduino端发送不同的字符，Arduino端在接收到不同的字符时分别执行不同的控制操作，
17、从而实现对接点设备的控制。将远程显示与远程控制功能置于同一个界面上，即完成了远程显控系统的设计，最终设计的界面如图 7所示。180第18期图7 远程显控模块界面4 系统测试4.1 系统组装将环境参数采集模块、自动控制模块、语音控制模块和远程显控模块进行搭建。为了模拟特种仓库并且便于对节点设备和传感器进行操作，选用前后开放式机箱柜作为模拟特种仓库。系统组成如图8、图9所示。图8 系统侧视图 4.2 各功能模块测试4.2.1 环境参数采集及远程显示功能测试构建好系统后，系统上电，分别运行 Arduino 与Processing程序，待系统初始化后，可以看到界面显示当前库内温度、湿度、烟感指数和有害
18、气体等 4种环境参数的值，如图 7所示，且随着时间实时变化。证明了环境参数采集及远程显示功能正常。4.2.2 自动控制功能测试在库内用打火机模拟火情。加湿器及风扇运行，接着云台转动至火源方向，最后灭火泵启动，风扇关闭，如图10所示。关闭打火机一段时间后，灭火泵关闭，云台恢复初始状态，加湿器关闭，系统复位。经测试，防火控制模块工作正常。其余自动控制模块均测试正常。图9 系统俯视图图10 模拟云台灭火4.2.3 语音控制功能测试离语音控制模块 5 m 的位置发出打开灯光的语音指令。系统灯光打开，语音模块反馈“已为您打开灯光”，相应指示灯点亮，如图11所示。经测试，语音模块工作正常。4.2.4 远程
19、控制功能测试打开控制界面，点击“紫外开”按钮，按钮由蓝变红，同时“紫外关”按钮由红变蓝，系统紫外灯打开，如图 12所示。再点击“紫外关”按钮，按钮由蓝变红，同时“紫外开”按钮由红变蓝，系统紫外灯关闭。经测试其余按钮崔北尧，等：基于Arduino与Processing互动编程的特种仓库智能测控系统设计181现代电子技术2023年第46卷均能正常控制库内节点设备。图11 语音控制打开灯光后模块指示灯点亮图12 远程控制紫外灯点亮经测试，该系统各模块功能均能正常实现，达到预期目标。5 结 语本文设计了一种基于 Arduino 与 Processing 互动编程的特种仓库智能测控系统，解决了电源匹配、
20、参数采集、算法处理、状态判断、自动控制、界面设计等问题。该系统是集常规监测、状态监视、安全防护、无人值班、防火、智能温湿度控制、防盗、防腐蚀、防蛇虫鼠蚁破坏等功能于一体的智能化系统，对弹药、危险品、生化物品等高危重要物品的存储有很好的借鉴意义。注：本文通讯作者为王峰、刘士军。参考文献1 司小龙.基于 Java和 SQL Server的仓库管理系统的设计与开发J.科技创新与生产力，2023（1）：7174.2 曲江泉.基于 ARM 处理器弹药库环境智能监测系统的研究D.太原：中北大学，2019.3 张梦瑶.基于Arduino智能家居及健康监测系统设计D.沈阳：沈阳师范大学，2019.4 吕杨，安
21、厚儒，李蓓茹，等.基于 STM32F103C8T6的智能车载安全系统设计J.传感器与微系统，2022，41（9）：9598.5 张钟艾，张祖轩，张正辉，等.开关电源的应用及展望J.光源与照明，2022（4）：129131.6 原晓楠，李瑞程，柴凯昕，等.Arduino创意设计：智能植物培育体J.实验室研究与探索，2022，41（2）：7478.7 汪晟磊，宋星，杨彦青.智能家居语音控制系统的设计J.自动化与仪器仪表，2023（4）：117122.8 张仲明，郭东伟，吕巍，等.基于DS18B20温度传感器的温度测量系统设计J.实验技术与管理，2018，35（5）：7679.9 王福利.基于Zig
22、Bee技术的航空弹药库综合监测系统设计D.武汉：武汉理工大学，2015.10 牟明任，贾海鹏，张云泉，等.基于ARM架构的中值滤波算法优化J.计算机工程与科学，2022，44（10）：17381746.11 商林.改进的中位值平均滤波法提升 HX711 电子秤精度与稳定性的实验设计与实践J.武汉交通职业学院学报，2023，25（1）：118122.12 王玉.计算机通信与网络远程控制技术应用研究J.电子元器件与信息技术，2023，7（3）：155157.13 王伟，吴丽媛，谢剑斌.直升机机电参数显示及人机交互界面设计J.中国科技信息，2021（17）：2526.作者简介：崔北尧（1989），男，研究方向为电子信息。王 峰（1972），男，博士，教授，主要从事偏振光探测方面的研究工作。刘士军（1975），男，硕士，教授，主要从事嵌入式系统开发方面的研究工作。李伟光（1988），男，硕士，研究方向为机械工程。王一飞（1998），男，研究方向为电子与通信工程。182
