一种应用在叉车上的无线通信系统的设计
摘 要：本文为解决当前中小企业生产车间内如何提高叉车驾驶员搬运货物效率的问题，提出一种基于ATMEGA8L单片机和CC1100无线通信模块，组成一个小型的星形网络拓扑结构的无线通信系统的设计方案。在保证系统可靠通信的情况下，可以为叉车驾驶员节约取货时间，减少叉车行驶距离，降低搬运过程中的运营成本，大幅度提升搬运效率的同时，又可保证通信系统扩展的优越性。
关键词：单片机；无线通信模块；星形网络；通信系统扩展
一、设计背景
当前，许多中小企业的生产车间内，叉车成为货物运载的主要交通工具，而仓库与生产线往往位于车间的两端，叉车驾驶员首先需查看哪一条生产线上有货物下线，然后使用叉车将货物搬运到几百米远处的仓库内，接着再一次返回到生产线上查看哪条生产线上有货物下线……周而复始，不断地重复这样的工作。在此过程中，假设有5条生产线，驾驶员需要不断的对5条生产线进行轮询，时间、油耗、行驶路程都会大大增加，工作效率低是目前叉车驾驶员最大的困扰。
为此，本设计采用433MHZ的CC1100无线通信模块、ATMEGA8L单片机、光电开关、LED显示等器件，采用自定义的通信协议，共由7个节点构成一个小型无线通信网络。包括检测节点1、2、3、4、5，一个中继节点，和一个自由节点。
二、硬件描述
（1）检测节点由ATMEGA8L单片机的某一个IO端口外接一个型号为E3F-DS10C4的光电开关，调节其检测距离在50厘米左右，单片机通过读取该IO的电平状态可得到生产线上是否有货物下线。一般低电平表示有货，高电平表示无货。ATMEGA8L的串行口外接CC1100无线通信模块，接收来自中继节点的轮询指令，并及时给与信息回馈，如图1所示。
（2）中继节点主要完成信息收集，所有工作均由串口完成。所以设计中继节点电路时，只需ATMEGA8L的串行口外接CC1100无线通信模块，外加供电电源即可，如图2所示，所有功能通过软件编程实现。在整个网络拓扑结构中，中继节点处于主机的地位，而其它节点均处于从机地位。
（3）自由节点是唯一有顯示信息的装置，通过ATMEGA8L的IO驱动一定数量的发光二极管，用以点亮或熄灭前面板上已经雕刻好的数字字形符、故障指示灯，同时ATMEGA8L的串行口外接CC1100无线通信模块，接收来自中继节点的显示信息，如图3所示。
三、供电方法
根据车间内的实际情况，在系统供电方面，为了保证系统可以长期工作，检测节点1、2、3、4、5及中继节点由AC220V转DC5V1A的适配器供电，并在节点接线盒下方预留电源接入插孔。因自由节点需随叉车在车间内自由移动，它的供电电源可以取自叉车的DC12V供电电瓶，并通过DC/DC降压变换而得到DC5V电压，为控制芯片和显示装置提供电源。
四、通信协议
从生产线上有货物下线开始，直道自由节点上的显示信息有反馈结束，这一段时间称为该系统的一个反馈周期。一般反馈周期只要低于0.5秒，都能满足客户要求。为了系统软件容易实现，系统采用自定义协议，由中继节点对5个检测节点进行轮询，并要求每个检测节点在50ms内给予信息回馈。对于有回馈信息的，中继节点会记录下该生产线上货物信息。无回馈信息的，中继节点会标记为该检测节点处于未连接状态。当轮询周期结束后，中继节点将5个检测节点的回馈信息进行整合，然后以数据帧的形式发送给自由节点。自由节点接收到这一帧数据后，对其进行解析，然后将检测信息显示在叉车上的显示面板上。
我们设定通信超时时间为10毫秒，根据系统工作中最坏的情况考虑，假设所有检查节点均处于未连接状态，此时反馈周期是最长的，约为10毫秒*5=50毫秒的时间。这样，在1秒时间内，自由节点中的显示内容至少可以刷新20次以上，完全能够满足客户对于反馈周期的要求。
五、安装需求
CC1100无线通信模块的直线通信距离大约250米左右，而且使用时需确保车间内无其它433MHZ无线干扰源；需远离电动机等强磁干扰源；架设天线时，需远离大面积金属，并垂直向上摆放，其架设高度需超过2米；安装时尽量使任意2个节点之间通信无遮挡。此拓扑结构适合架设在长度在250米～500米之间的生产车间内使用。当车间长度低于250米，可以省去中继节点，由自由节点代替中继节点完成相同的工作。当车间长度大于500米，可增设中继节点个数，以达到信息中继、长距离可靠传输的目的。
在本通信系统网络拓扑中：
（1）检测节点1、2、3、4、5分别安装在5条生产线上，每个节点上都有一个光电开关用于检测是否有货物下线；
（2）中继节点安装在车间的正中心，用于收集5条生产线上的货物信息，并进行数据加工整理，发送给自由节点。若通信距离不可靠，可以适当偏向生产线一侧，自由节点在取货过程中一定会进入可靠通信范围内；
（3）自由节点安装在叉车上，随着叉车在车间内自由移动，并实时接收来自中继节点的数据信息，解析后显示在屏幕上。
六、显示信息设计
该系统所有信息均在自由节点上显示，方便叉车驾驶员及时发现工作信息和故障信息；
显示器上电自检，状态为1-5的数字字形依次点亮，然后进入工作状态；
若任一条生产线上有货物下线并需要运载，则对应的数字将被点亮。货物被取走后，对应数字将熄灭。
数字下方的超时故障指示灯正常工作时，均处于熄灭状态。若某个指示灯点亮表示该生产线对应的检测节点与中继节点之间发生失联，此时请检查通信故障：（1）检测节点未供电；（2）该节点与中继节点之间的距离超出可靠通信范围；（3）天线未拧紧等。
若自由节点的显示面板上出现所有数字和超时故障指示灯频繁闪烁，表示自由节点与中继节点之间发生失联，此时请检查通信故障：（1）中继节点未供电；（2）自由节点与中继节点超出了可靠通信范围；（3）天线未拧紧等。
七、测试方法
按照拓扑中从右向左的顺序测试，可以及时掌握所有显示信息并可最快做出故障判断。
第1步：自由节点接入直流12V电源后打开电源开关，系统先进行自检，然后出现频繁闪烁；
第2步：中继节点接入DC5V1A的电源适配器后打开电源开关，显示器上5个数字熄灭，频闪故障消失，下方的5个超时信号灯点亮，此种情况表明中继节点与自由节点正常通信；
第3步：5个检测节点接入DC5V1A适配器后，依次打开电源开关。每给一个节点上电，就会发现其对应的超时灯熄灭，用手遮挡光电开关，对应的数字被点亮，手移开，数字熄灭，表示该检测节点与中继节点通信正常。
八、结语
该系统在设计过程中，充分考虑了硬件电路的可靠性、软件协议的可行性、设计成本的性价比等因素。该无线通信系统可以大幅度提高叉车驾驶员的工作效率，主要体现在：
（1）节约了时间。可以快速提醒驾驶員哪条生产线上有货物下线，省去了驾驶员开车对生产线货物下线情况进行轮询的耗时环节。
（2）减少了叉车行驶距离。在避免走冤枉路的同时，也减少了叉车燃油的损耗，降低搬运过程中的运营成本。
（3）系统扩展性能优越。若企业未来扩大生产规模，增设了生产线的数量，该无线系统只需增加检测节点数量，无需其它硬件的改动和资金的投入。
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基金项目：2016年吉林省大学生创新创业训练计划项目（项目编号：201610205054）
作者简介：纪弘阳（1996-），男，本科，学生，机械设计制造及其自动化专业。
*通迅作者：张凤涛（1978-），男，硕士，讲师，主要研究方向：自动化控制。
