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仓储物联网数据采集终端的设计

来源:一卡通世界      作者:张源伟 闫俊 雷军 黄恒一      2014-6-24 16:36:31

  摘 要:介绍了一种以S5PC100为硬件平台和嵌入式Linux为软件平台的仓储物联网数据采集终端的设计方案。该终端以基于Cortex-M0 内核的LPC11C14芯片为主控制单元,通过仓储环境信息采集模块将采集到的信息上传给控制设备,并对控制设备发出的指令进行及时响应。此方案还集合了 RFID技术和ZigBee技术的优势,为物联网技术提供了一种有效的解决方案,在现代仓储管理中具有明显的优势。

  0 引 言

  传统的仓库管理,一般依赖于一个非自动化的、以纸张文件为基础的系统,完全由人工实施仓库内部的管理,因此仓库管理的效率极其低下[1]。基于此,本文利用目前主要的物联网技术,全方位考虑仓储管理研究范围,以技术集成和运用范围扩展为出发点,设计智能物联网仓储管理系统。我们利用Linux 操作系统,ZigBee 和RFID 技术搭建仓库智能管理系统,该系统能够增强库房作业的准确性和快捷性、减少整个仓库物资出入库中由于管理不到位造成的非法出入库、误置、偷窃和库存、出货错误等损失,并最大限度地减少储存成本和保障了仓库物资的安全。

  1 终端总体设计

  本设计终端采用的Cortex-M0 平台终端整体方案如图1所示。

仓储物联网数据采集终端的设计

图1 Cortex-M0 终端整体方案

  此平台处理器是市场上现有的尺寸最小、 能耗最低、最节能的ARM 处理器[2]。该终端负责对当前环境信息进行采集,初步对数据进行处理打包并通过无线通信设备ZigBee 发送给S5PC100 为核心的Cortex-A8 端,Cortex-A8 服务器对数据二次处理后给M0 终端发送指令并实时响应各种操作。仓库管理系统的相关信息主要包括温湿度、光感度、三轴加速度、风扇、蜂鸣器、LED 灯、数码管显示、M0 终端液晶屏显示以及进出库的商品刷卡信息。

  2 终端硬件设计

  2.1 数据采集端硬件设计

  该仓储物联网采集终端采用的是 LPC11C14 主控芯片,它是ARM Cortex-M0 系列低功耗、低成本的32 位处理器。最高主频可以工作到50 MHz,片上内部拥有32 KB FLASH 和8 KB 的RAM,并且内置多个UART 接口,分别用于RFID读卡模块连接和ZigBee 的通信。无论在处理数据的速度上还是在功耗上,亦或是抗干扰能力上,它完全能够胜任终端数据采集的重任。

  RFID 模块采用CY-14443A 系列射频读写模块,它是基于ISO14443 标准的非接触卡读卡机专用芯片,采用0.6 微米CMOS EEPROM 工艺,支持ISO14443 typeA 协议,支持MIFARE 标准的加密算法。RFID 读卡模块通过SPI 接口与M0 进行连接,它的中断引脚与M0 的IO 口相连,在主程序中,只要判断该IO 口的电平高低,即可判断是否有卡,如果有卡,则进行相应的读卡操作。

  2.2 ZigBee 无线通信模块硬件设计

  ZigBee 是近年来发展迅速的基于无线传感器网络的近距离、低功耗、低成本、低复杂度的无线通信技术[3]。ZigBee协议基于IEEE 802.15.4 无线标准制定,包括应用层、网络层、安全层等,可以实现网络的自组织和自维护功能[4,5]。我们在此采用了ZICM2410 无线通信模块,它是集成CPU 的单片ZigBee 芯片,为ZigBee 网络提供一个高性能、低成本的射频收发方案。

  3 终端软件设计

  3.1 数据采集终端软件设计

  本系统采集终端软件流程如图2 所示。系统上电初始化M0 终端上的各个设备包括系统定时器、GPIO 口、SPI、UART、I2C 等设备,然后配置系统滴答定时器,设置其终端为1 ms,进而设置中断处理函数,精确到1 s。最后将第一次采集的信息显示在M0 终端的液晶屏上。

数据采集终端软件设计流程图

图2 数据采集终端软件设计流程图

  主程序进行轮询判断,在没有外部中断的情况下主要执行环境数据的采集和M0 终端液晶屏的数据显示,并将数据打包发送给A8 服务器。

  当有外部RFID 刷卡时,其他数据正常采集,RFID 中断函数同时对磁卡数据进行采集和校验数据有效性,并发送给A8 服务器;当有ZigBee 接收数据的中断产生时,其他数据正常采集,ZigBee 接收数据的中断处理函数接收A8 服务器发送过来的指令,执行不同的设备。

  3.2 ZigBee 无线通信模块软件设计

  3.2.1 ZigBee 路由算法

  ZigBee 路由算法的任务是在节点和节点之间建立路由,实现可靠地数据传递。一个完整的ZigBee 路由算法应包括路由方式、路由发现和路由维护等内容[7]。而ZigBee 常见的路由算法有三种:AODVjr 算法,Cluster-tree 算法,Clustertree+AODVjr 算法,而ZigBee 网络目前采用的是第三种算法。该算法结合Cluster-tree 和AODVjr 两种路由算法的优点,它把网络中的节点细分为4 类, 分别是:Coordinator、RN + 、RN-、RFD。其中Coordinator、RN+、RN- 都是全功能节点,但前两者具有路由发现和消息转发功能, 在转发消息时启动AODVjr 算法主动查找最佳路径;RN- 没有路由发现功能,在转发数据时启动Cluster-tree 算法并通过自身的计算能力作出判断,将消息转发给父节点或者其中一个子节点;RFD 是精简功能设备,只能充当叶子节点,即只能将消息传送给父节点,请其转发[6]。

  3.2.2 ZigBee 通信模块的收发数据流程

  本文设计的ZigBee 无线通信模块收发数据的主要流程有:初始化各个引脚和寄存器,对功能寄存器赋值,初始化SPI752 等。其流程图如图3 所示。

ZigBee 通信模块收发数据流程

图3 ZigBee 通信模块收发数据流程

  4 结 语

  物联网数据采集终端是仓储物联网应用系统中极为重要的组成部分,极大地减少了仓储管理的难度,并且增强了管理系统的准确性和快捷性。本文设计了一种基于 LPC11C14 微控制器的采集终端,能够实现将温湿度、光感度、三轴加速度、电压信息以及进出仓库的刷卡信息通过ZigBee 模块发送到Cortex-A8 控制端。该终端将RFID 模块和ZigBee 模块结合,构成无线阅读器终端,最大化地发挥各自优势。既能完成仓库的货物盘点又可以实现仓库管理的智能化。更能够广泛地应用于智能家居、工业监控、智能电网、环境监测等物联网应用领域。随着物联网的发展,该仓储物联网数据采集终端必定有着广阔的应用前景。《物联网技术》杂志授权发布,严禁转载。

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