唐一晟　陳俊凱　陳涌楠　周定鵬　劉佐濂

摘 要：文中設(shè)計(jì)了一套應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)的輕量級(jí)AGV小車的系統(tǒng)，主控使用STM32F103單片機(jī)，結(jié)合NFC芯片實(shí)現(xiàn)循跡以及路徑定位的功能，并將信息由SIM7600LTE芯片通過MQTT協(xié)議傳遞到服務(wù)器。同時(shí)設(shè)計(jì)了移動(dòng)端APP，實(shí)現(xiàn)輕量級(jí)的AGV實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)度管理系統(tǒng)。相對(duì)于傳統(tǒng)的MES系統(tǒng)，所提系統(tǒng)使用模塊化的設(shè)計(jì)理念，具有更友好的UI界面和更靈活的功能。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);MQTT協(xié)議;AGV;云服務(wù);STM32F103;APP

中圖分類號(hào)：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）07-00-03

0 引 言

隨著物流系統(tǒng)迅速發(fā)展，AGV（Automated Guided Vehicle）應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)展。AGV是一種自動(dòng)導(dǎo)引車，一般都是在工廠車間內(nèi)使用，需要搭配特定的制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行管理系統(tǒng) （Manufacture Execute System，MES）[1]。這套系統(tǒng)一般由專業(yè)公司針對(duì)大企業(yè)用戶成套銷售，對(duì)于普通用戶成本過于昂貴，定制難度大，實(shí)用性不高。

本文的目的是研究輕量級(jí)的AGV小車系統(tǒng)，使其能適用于更多的場景。為了在更多的場景下對(duì)AGV的調(diào)度，使用模塊化的設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)了一個(gè)服務(wù)端程序用于與下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互處理的架構(gòu)，同時(shí)設(shè)計(jì)移動(dòng)端APP用于用戶交互。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的AGV物流小車整體系統(tǒng)框圖如圖1所示。

相較于傳統(tǒng)的AGV小車系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)在于如何改善相對(duì)于復(fù)雜與高成本的AGV系統(tǒng)的靈活性，擴(kuò)大使用范圍。

AGV小車系統(tǒng)主要分為三部分：小車端，服務(wù)器端和用戶端。初次開啟小車端時(shí)，會(huì)進(jìn)入自檢然后上報(bào)車輛信息到服務(wù)器端，通過LTE使用MQTT協(xié)議進(jìn)行傳輸，服務(wù)器端接收然后更新vehicle數(shù)據(jù)庫，車輛和地圖信息再通過APP發(fā)送給用戶，小車在起點(diǎn)等候接收服務(wù)器信息反饋，然后開始工作。

當(dāng)小車掃碼檢測到包裹條碼時(shí)，上報(bào)位置標(biāo)簽信息和包裹信息，服務(wù)器端接收到后比對(duì)查詢數(shù)據(jù)庫，并計(jì)算返回最優(yōu)路徑信息到小車端。小車接收到信息后進(jìn)行下一步動(dòng)作，服務(wù)器同步更新信息后反饋給用戶端。用戶端可以隨時(shí)通過APP查詢小車狀態(tài)，對(duì)小車進(jìn)行控制操作，形成閉環(huán)監(jiān)控。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路總體設(shè)計(jì)

圖2為AGV小車系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)框架。AGV小車主控使用的是ST公司Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103ZET6，該芯片主頻72 MHz，有多個(gè)UART。系統(tǒng)通過主控實(shí)現(xiàn)紅外循跡和數(shù)據(jù)處理，通過串口，SPI等接口實(shí)現(xiàn)對(duì)NFC標(biāo)簽的識(shí)別定位，并實(shí)時(shí)通過LTE通信技術(shù)與服務(wù)器進(jìn)行信息交互。

2.2 NFC定位與交互

在實(shí)際的環(huán)境中，貨架多數(shù)是采用柵格的形式來規(guī)劃放置，因此只需在合適的路徑點(diǎn)上放上NFC芯片，就可以依靠NFC芯片實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的定位功能。

AGV小車的定位識(shí)別使用的技術(shù)是近場通信（Near Field Communication，NFC）[2]。NFC的識(shí)別過程不需要人為干預(yù)而且抗干擾能力強(qiáng)，可用于各種惡劣環(huán)境，適用于更多的場景。NFC比RFID更具有靈活性強(qiáng)的特點(diǎn)，操作方便只需要相應(yīng)地點(diǎn)放置標(biāo)簽，NFC同時(shí)支持讀寫模式，卡模式，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（P2P）模式，可以控制AGV對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行讀寫操作。其也可在兩臺(tái)AGV小車之間進(jìn)行通信，大大提升了各AGV之間的交互。用于定位的標(biāo)簽因?yàn)槭菬o源的所以不需要額外的電源，使得功耗和維護(hù)成本大大降低，具有高的可移植性[3-4]。

RFID定位標(biāo)簽數(shù)據(jù)主要是當(dāng)前標(biāo)簽的相對(duì)坐標(biāo)位置信息，該坐標(biāo)可以根據(jù)不同情況使用需求進(jìn)行設(shè)置。綜合考慮需求，本文選用NXP公司的PN532芯片。PN532是一個(gè)高度集成的非接觸讀寫芯片，它包含80C51微控制器內(nèi)核，集成了13.56 MHz下的各種主動(dòng)/被動(dòng)式非接觸通信方法和協(xié)議（串行UART，I2C，SPI）。經(jīng)使用測試，在速度和精度上能滿足要求。

2.3 LTE通信

為了提高AGV系統(tǒng)移植靈活性，使AGV的實(shí)用場景不止局限于傳統(tǒng)的車間工廠，因此對(duì)傳輸通信的靈活性要求很高，但是常規(guī)的AGV使用時(shí)候需要自己組網(wǎng)，組建和維護(hù)成本大大提升，可移植性不高，所以這里選用的通信技術(shù)是LTE（Long Term Evolution）。因?yàn)榛居梢苿?dòng)運(yùn)營商進(jìn)行維護(hù)與建設(shè)，大大降低了使用與維護(hù)成本，可移植性得到了大大提高。截至2019年5月，中國建成了437萬個(gè)4G基站，已經(jīng)可以滿足一般的使用場景的覆蓋使用，而且相較于傳統(tǒng)的GSM和WCDMA，它的傳輸速率更高。

AGV小車與服務(wù)器之間通信時(shí)使用MQTT協(xié)議。車輛發(fā)送給服務(wù)器時(shí)發(fā)送內(nèi)容普通幀分為四部分：第一部分為車輛ID信息，一般為固定值，用戶也可自行修改;第二部分為途徑點(diǎn)識(shí)別的標(biāo)簽ID信息;第三部分為當(dāng)前車輛運(yùn)輸?shù)陌畔?，由起始時(shí)掃描二維碼或抵達(dá)終點(diǎn)更新;第四部分為AGV當(dāng)前動(dòng)作，將當(dāng)前車輛情況信息打包發(fā)送至服務(wù)器，然后服務(wù)器將會(huì)根據(jù)算法計(jì)算反饋回AGV小車下一個(gè)行動(dòng)。

此次使用LTE芯片是SIMCOM公司的SIM7600CE芯片，它可支持GSM， TD-SCDMA， CDMA， WCDMA，TDD-LTE和FDD-LTE等頻段，支持TCP/IP/IPV4/IPV6/MQTT等，可以根據(jù)實(shí)際情況靈活選擇通信協(xié)議和方式，支持LTE-CAT4，上行最大速率50 Mb/s，下行最大速率150 Mb/s，經(jīng)過實(shí)物調(diào)試，可以滿足AGV于服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)信息交互[5]。

3 服務(wù)器端及移動(dòng)APP設(shè)計(jì)

3.1 基于MQTT協(xié)議的服務(wù)端與小車客戶端通信部分設(shè)計(jì)

MQTT消息隊(duì)列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport）是ISO 標(biāo)準(zhǔn)（ISO/IEC PRF 20922）[6]下基于發(fā)布/

訂閱范式的消息協(xié)議。它工作在TCP/IP協(xié)議族上，是為硬件性能低下的遠(yuǎn)程設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)狀況糟糕的情況下而設(shè)計(jì)的發(fā)布/訂閱型消息協(xié)議[7]。

相較于傳統(tǒng)的HTTP查詢，MQTT具有以下的優(yōu)勢[8]：

（1）MQTT使用發(fā)布/訂閱范式，可以提供雙向的鏈接。

（2）MQTT帶有QoS（Quality of Service）功能，對(duì)于容量有限的網(wǎng)絡(luò)可以提供高傳輸保證，共有三個(gè)QoS等級(jí)：保證盡力交付;保證消息至少傳送一次;保證每個(gè)消息僅被對(duì)方接收一次。

（3）MQTT帶有遺言（Last Will and Testament）和保留信息（Retained Messages）功能，前者使客戶端在異常離線之后服務(wù)端能及時(shí)接收到客戶端異常離線的信息，后者使上線后客戶端能及時(shí)接收到服務(wù)端發(fā)送的信息。

一種MQTT連接（QoS 0）的示例如圖3所示。

表1為分別使用兩種方式請(qǐng)求云服務(wù)器10次，并收到服務(wù)器返回字符串{“hello”：“world”}字符串的抓包統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，MQTT協(xié)議相較于HTTP GET方式在傳送數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)以及數(shù)據(jù)包長度上均有明顯優(yōu)勢。

本次使用的MQTT Broker為EMQX，其提供有方便的Docker部署以及便利的儀表板可用作Broker的管理和信息的發(fā)送接收，通過編寫Dockerfile和Docker-composer封裝成容器之后，可以在其他服務(wù)器中簡單的配置好環(huán)境，配置環(huán)境如命令如下：

$ docker pull emqx/emqx：v3.1.0

$ docker run -d --name emqx31 -p 1883：1883 -p 8083：8083 -p 8883：8883 -p 8084：8084 -p 18083：18083 emqx/emqx：v3.1.0

當(dāng)Broker收到消息后轉(zhuǎn)發(fā)給服務(wù)器后端進(jìn)行處理，本例服務(wù)器端采用Eclipse Paho MQTT Python Client接收Broker轉(zhuǎn)發(fā)的信息。Eclipse Paho MQTT Python Client除了支持以非阻塞的模式運(yùn)行以外，還提供了許多回調(diào)函數(shù)可供在不同情況下使用與處理回調(diào)信息[9]。

本文通過使用on_message回調(diào)函數(shù)，自動(dòng)將MQTTClient接收到的信息存儲(chǔ)到變量msg中，再通過調(diào)用自行編寫的write_payload函數(shù)傳遞給主程序進(jìn)行處理。

多線程架構(gòu)如圖4所示。

為了提高服務(wù)器后端的工作效率，本文中分別對(duì)RESTful API和MQTTClient創(chuàng)建了一個(gè)進(jìn)程，通過使用threading庫調(diào)度兩個(gè)線程協(xié)同運(yùn)作。

3.2 基于RESTful API的服務(wù)器與APP通信部分設(shè)計(jì)

表現(xiàn)層狀態(tài)轉(zhuǎn)換（Representational State Transfer，REST）是Roy Thomas Fielding于2000年在他的博士論文[10]中提出來的一種萬維網(wǎng)軟件架構(gòu)風(fēng)格，目的是便于不同軟件/程序在網(wǎng)絡(luò)中互相傳遞信息。

RESTful API將服務(wù)器上存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)抽象成為一個(gè)資源，并用URL作為其標(biāo)識(shí)，使用通用的HTTP請(qǐng)求方法（GET，POST，PUT，DELETE）對(duì)其進(jìn)行增改刪查的操作。相較于普通的API，RESTful API建模的過程與面向?qū)ο蟮慕＿^程類似，因此也比較契合Python的編程思想。

服務(wù)器后臺(tái)程序基于以上原理使用Python進(jìn)行編寫。Python有非常方便的庫用于構(gòu)建RESTful API和處理Json格式數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以移植到其他系統(tǒng)。本文中APP使用wx.reguest向服務(wù)器請(qǐng)求數(shù)據(jù)后可以直接解析調(diào)用，十分方便。

APP分為總覽、車輛管理和包裹管理三部分?？傆[部分可以看到一些基本的統(tǒng)計(jì)信息，車輛管理部分可以對(duì)小車進(jìn)行下線和召回等的管理，包裹管理可以對(duì)包裹進(jìn)行新增、修改、分配小車運(yùn)送等的管理。APP界面如圖5所示。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一套應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)AGV小車的系統(tǒng)，通過NFC技術(shù)實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽定位識(shí)別，小車通過LTE通信技術(shù)，使用靈活的MQTT協(xié)議與服務(wù)器之間建立通信交互，在服務(wù)器端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理整合，通過APP將信息反饋給用戶，形成閉環(huán)，相較于傳統(tǒng)的AGV系統(tǒng)降低了成本，提高了靈活性。

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