实时机架监控，确保自动化立体仓库（AS/RS）运行安全

研究背景

随着电子商务和现代仓储物流的快速发展， 自动化存储和检索系统小型和大型货架系统正被广泛应用。作为仓库的主要承重结构，货架安全直接影响运营安全、设备稳定性以及仓库效率。

货架变形、倾斜或坍塌可能导致货物损坏和严重的安全事故。在许多情况下，这些风险与货架垂直度或水平度偏差过大有关，而这些偏差未能及时发现和处理。

传统的货架巡检主要依赖于人工定期检查。人工巡检存在诸多局限性，包括巡检周期长、误差率高、漏检风险大、人工成本高以及异常情况报告延迟等。

因此，建立一个能够自动、连续、准确地监测货架垂直度和水平度，在出现异常时触发警报，并通过电子邮件和短信实时通知相关人员的智能系统非常重要。

研究目标

总体系统设计

该系统采用三层架构：感知层、网络层和应用层。

感知层： 该系统由安装在关键机架立柱和横梁上的传感器节点组成。每个节点包含一个MEMS惯性测量单元（IMU）、一个低功耗微控制器（MCU）和一个无线通信模块。这些节点采集机架倾斜数据并进行本地预处理。

网络层： 该系统包含一个本地网关和云服务器连接。网关从传感器节点收集数据，进行协议转换，并通过 4G 或以太网将数据上传到云端。它还支持本地报警逻辑，因此即使网络中断也能触发报警。

应用层： 该系统部署在云服务器上，负责数据存储、阈值管理、告警决策和通知发送。用户可以通过网页界面或移动应用监控机架状态、查询历史数据并配置参数。

核心系统模块

传感器节点通过 MPU6050 和 STM32L4 处理倾斜角度获取和局部滤波。

现场网关通过 Raspberry Pi 4B 和 LoRaWAN 处理数据聚合、协议转换和本地警报。

云服务器通过 Linux、MySQL 和 Python 支持数据存储、报警决策和用户管理。

邮件通知模块使用 SMTP 协议并采用 TLS 加密。短信通知模块使用第三方短信 API。用户界面通过 Web 和 Vue3 前端提供实时监控和历史查询功能。

数据采集​​与传输

传感器节点以 10 Hz 的频率采集原始 IMU 数据。经过卡尔曼滤波后，处理后的倾斜角数据以 1 Hz 的频率上传到网关。

数据帧包含节点 ID、时间戳、垂直度值、水平度值、电池电量和 CRC16 校验和。LoRa 通信采用星型拓扑结构，其中每个传感器节点直接与网关通信。

数据聚合后，网关通过MQTT协议将数据发送到云服务器。云服务器存储数据并触发实时报警判断。

报警通知机制

该系统支持三个报警级别。

警报： 使用黄色状态并触发应用推送和电子邮件通知。 警报级别警告： 使用橙色状态并触发电子邮件和短信通知。 严重警报： 使用红色状态并触发电子邮件、短信和语音电话通知。

当警报触发时，系统会自动发送关键信息，例如货架编号、仓库位置、倾斜角度、警报级别和时间戳。

为了提高可靠性，该系统还支持重试机制、重复报警抑制和报警升级。例如，如果橙色报警在 15 分钟内未得到确认，则可以将其升级为红色报警。

软件设计

传感器节点固件基于 FreeRTOS 开发，包括数据采集、数据处理、通信、本地报警和电源管理任务。

云服务器采用微服务架构，包括数据摄取服务、告警引擎服务、通知服务和 API 服务。

时间序列数据存储在 InfluxDB 中，而用户信息、设备信息、配置参数和通知记录存储在 MySQL 中。

网页管理界面提供实时监控、报警管理、设备管理、历史数据查询和通知配置等功能。移动应用支持iOS和Android平台上的关键监控和报警功能。

研究结论

该系统提供货架垂直度和水平度的自动检测和报警通知解决方案。

该系统采用MEMS IMU传感器融合和卡尔曼滤波技术，实现了高精度机架倾斜检测。三层架构和LoRa无线通信技术支持可靠的数据采集和传输。单个网关最多可支持64个监控节点。

该系统还建立了多级报警机制，支持自动电子邮件和短信通知，并通过网页和移动界面提供实时监控。

在实际仓库运行测试中，该系统表现出稳定可靠的性能。它为提高货架安全性、降低人工巡检风险以及支持仓库长期稳定运行提供了一种有效的技术解决方案。 自动化仓库系统。

常问问题