仓储系统采集终端设计

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　　【题目】网络化智能化仓储管理系统探析
　　【第一章】物联网与仓储管理体系的融合分析绪论
　　【第二章】仓储管理系统整体框架概述
　　【第三章】仓储系统移植及环境搭建
　　【第四章】仓储管理系统主程序设计
　　【第五章】仓储系统采集终端设计
　　【结论/参考文献】多仓库远程移动监控的实现研究结论与参考文献
　　
　　第五章系统采集终端设计
　　
　　物联网仓储管理系统的信息采集终端主控制器使用的是恩智普公司生产的LPC11C14芯片，这是一款ARM系列的32位低功耗处理器，工作频率可以达到50MHZ能够满足RFID刷卡系统和各传感器对工作频率的要求。主要负责仓库信息采集、信息发送，对信息处理中心Cortex-A8发出的命令进行传感器响应。相关信息主要包括温度、湿度、光感强度、货物进出刷卡信息、三轴加速度（防盗）和传感器电池电压信息。信息处理中心和信息采集中心的通信采用Zigbee通信，具有非常良好的网络拓扑结构。由于中心处理器管理着多个仓库，连接着信息采集终端，Zigbee通讯完全可以满足这种网络拓扑要求。Cortex-M0和Cortex-A8之间首先是由双向SPI总线进行信息传输，然后利用UART转换芯片SC16IS752,为信息处理中心节省了一个USB串口。
　　
　　5.1 Cortex-M0相关配置
　　
　　在连接串口的之前，要完成M0相关的配置
　　
　　第一步：在指定的目录下安装keil软件。安装USB串口驱动PL-2303 Driver Installer.exe和USB转串口驱动程序CP2101_Drivers.exe Cygnal Intergrate.exe.安装完成后重启电脑。第二步：安装colink驱动程序Colink Ex Usb Driver-1.1.1.exe,路径不能修改。安装完成后，单击project选项，选择Options for Target选项，在弹出的对话框中选择Debug,在新弹出的页面上选择Coo Cox Debugger选项。然后完成对Colink的配置，单击Setting选项，在Port端口选项中选择SWD选项，在Adapter选项中选择单击Colink Ex.完成配置后点击OK退出。可以通过Colink来将程序下载到目标板MCU的Nandflash里，配置时要保持与Debug配置的一致。单击Settings,弹出一个界面，在该界面上单击ADD,将LPC11XXFlash加入并选择。将一个完成好的工程文件在MDK界面下运行。完成以上安装就可以将程序烧写进Cortex-M0了。
　　
　　5.2 Zigbee模块配置
　　
　　安装软件Zigbee Cfg_V1.07软件，把USB数据线的一端接在USB-UART上，另一端接在PC机的USB端口上，然后重启Cortex-M0实验板，单击Zigbee选项选择turn on other fan.打开Zigbee的配置项，单击重新扫描项，打开串口测试设备类型。如图所示：
　　
　　单击ZIG按钮出现如下界面
　　
　　按上图填充完毕，单击获取信息按钮，弹出如下页面。
　　
　　参照Zigbee内的参数进行信息填充。实验板上的本地网络地址应该与Zigbee的目的网络地址相同。Pan ID必须是相同的，通道号也应该是相同的。配置完成后，重新给实验板上电，把USB数据线的一端接到PC机上，另一端接到独立Zigbee上，如果发现实验板上的Zigbee显示灯一直亮灭，并且独立的Zigbee接收数据灯也一直亮灭，则表示配置成功。用测试程序调试Zigbee,此时可以通过Zigbee接收从Cortex-A8上发送来的命令。[39‐40]
　　
　　5.3 Cortex-M0主程序
　　
　　信息采集中心的主程序由一个信息采集模块和两个中断组成，两个中断模块分别是刷卡货物出入库中断和Zigbee数据中断[39‐40].主程序While（1）中不停的循环采集信息，并监听是否产生中断，当出现RFID刷卡货物出入库中断时，然后判断卡片的身份和优先级，如果卡片的信息有效，身份识别成功，LCD液晶显示器出现提示信息，通过五键操作杆来选择入库货物的种类和数量，当输入信息完成后，操作五键操作杆选择退出，信息自动填充结构体。通用结构体共为
　　
　　
　　
　　填充内容包括商品编号、商品出库或者入库，操作的仓库的编号、出入商品的数量。采集信息模块，管理温湿度传感器、三轴加速度传感器、电池电量等传感器实时采集，然后将采集到的信息填充到结构体中，结构体如下：
　　
　　
　　
　　数据填充完毕后，通过Zigbee将数据发送给信息处理中心，并检查该组数据是否超过各个警戒线，如果超过M0将控制警报器响起并打开风扇。
　　
　　当Cortex-Mo收到来自信息处理中心的控制信息时，这个信息会以通用结构体的形式通过Zigbee传送，当主程序接收到信息时，会出现Zigbee中断，将数据包信息解析，接触M0对外围设备的控制权，改为由A8发出命令，根据命令的不同控制风扇开关、LED开关、数码管内容显示和警报器的开关。
　　
　　信息处理中心与信息采集中心之间的信息通讯的具体过程：当信息处理中心要将填充好的结构体传送给信息采集中心，会首先建立共享内存和链表来存储要操作的设备和设备状态，然后利用时钟分频的定时器定时1S,当定时器时间到的时候，进行串口的读操作，看是否有信息传送过来，进行奇偶校验，在判断数据的类型，如果是存放的是货物进出信息，则信息来自刷卡中断，读取结构体内信息并唤醒数据库线程，更新数据库内的数据信息。如果是环境信息，则信息来自信息采集中心的环境采集模块的，如果环境数据没有超过环境条件的警戒线，则唤醒GPRS、LED、Beep线程将信息传递给移动终端。如果环境数据超出环境条件的警戒线，则更新设备链表的信息，并将计数器清零。当定时器时间到的同时，链表中如果出现超时没有进行操作的设备，会经该设备从链表中伤处，然后所有设备时间计数器加一。
　　
　　5.4信息采集中心功能模块介绍
　　
　　5.4.1 DHT11温湿度传感器
　　
　　DHT11是一款反应快、成本低、温湿度测量范围大、抗干扰能力强的数字式温湿度传感器，输出含有数字信号校准，主要含有一个8位的单片机、一个NTC测温原件和一个电阻式感湿原件。原理图如下：
　　
　　由于DHT11传感器使用的是单总线通信方式，即与外界进行数据交换仅采用一根数据线，所以DHT11连接在Cortex-M0的GPIO端口。但Cortex-M0和DHT11不存在信息交换的时候总线将进入闲置状态，此时DPIO处于高电平状态，DTH11只有主从一种模式，即cortex-M0呼叫DTH11,DHT11进行应答模式。Cortex-M0访问DHT11时应遵守其固有的单总线序列。当呼叫序列出现错误，DHT11将不能响应Cortex-M0.
　　
　　Cortex-M0和DHT11之间一次能够传输40位数据，例如00110101  0000000000011000  00000000  01001101.头八位表示湿度的整数位，第二个八位表示湿度的小数位，第三个八位表示温度的整数位，第四个八位表示温度小数位，第五个八位表示校 准 位 , 即 前 四 个 八 位 数 相 加 后 结 果 去 末 八 位 . 将 四 个 八 位 数 相 加 后 得 到01001101=35H即为53%RH,温度为00011000=18H=24度。
　　
　　DHT11开始时处于闲置状态，GPIO线为高电平，当Cortex-M0发出一个低电平时，表示开始接收信息，DHT11从开始的的低功耗模式转入高功耗模式，迅速将40bit的数据信息发送出去，并进行下一次信息采集。
　　
　　由数据时序图可知，DHT11第一次发送的温湿度信息总是上一次采集的信息，所以要进行多次采集，防止两次温湿度测量相隔太长的时间而造成较大的误差。
　　
　　第一步：由于DHT11有一个电阻式感湿原件，在芯片上电以后需要有1S的等待时间，来使电阻值稳点，在此期间Cortex-M0不发送任何指令，然后DHT11会采集温湿度的数据信息，存入指定寄存器，DTH11的DATA引脚在不停的检测是否有外部信号产生。
　　
　　第二步：Cortex-M0的GPIO端同时输出低电平，并且将低电平的时间保持18微秒以上，然后把GPIO的状态改为输入状态，此时电平变为高电平，DHT11的DATA电平也变成高电平，Cortex-MO进入接收状态等待DHT11的信息发送。
　　
　　第三步：当Cortex-M0通过GPIO端口发送低电平信号时，DHT11的DATA就能够检测到，当低电平信号结束以后，DHT11的DATA引脚会输出80微秒的高电平信号给GPIO端，作为回应。
　　
　　第四步：DHT11的DATA将寄存器中存储的40位温湿度信息输出，Cortex-M0根据GPIO高低电平的变化来接收这40位数据，持续50微秒的低电平再持续28微秒的高电平表示输出0,持续50微秒的低电平然后再持续70微秒的高电平，表示输出1.
　　
　　5.4.2光照强度传感器
　　
　　ISL29003是一款16位集成ADC和I2C标准接口的光敏传感器，连接在Cortex-M0的I2C总线上，内部含有50HZ至60HZ的人工闪烁光源，在正常操作的过程中，功耗消耗约为300?a,还有一种低功耗模式，在I2C接口控制降低功耗，此时功耗小于1μa,ISL29003支持一个硬件中断，需2.5V电压提供支持。
　　
　　ISL29003包含两个二极管，一个为光敏二极管、一个为红外二极管，这两个二极管的光谱是相对独立的，二极管将光转换成电流，然后通过16位的模拟转换器ADC将电流再转换成数字并输出。
　　
　　ISL29003共有8个8位寄存器可以使用，其中两个寄存器存储高、低阀值，当光照超过或低于阀值，例如照相机闪光灯曝光，会引起硬件中断，其中四个寄存器为只读寄存器，两个只读存储器存储光照强度值，另两个只读寄存器用于计数，一个为ADC最近一次的输出值，一个为以前技术的集成。I2C接口的地址为内部固定地址1000100.当发送条件满足的时候，接收读/写命令，芯片会对比第一次收到的7位信息。下图为读时序和写时序。
　　
　　Cortex-M0的I2C端口与ISL29003相连以后，进行I2C初始化，ISL29003开始循环将光照强度信息写入写寄存器，I2C端口通过高低电平的变化读取采集到的光照强度信息，存入Cortex-M0和Cortex-A8通用结构体。
　　
　　5.4.3三轴加速度传感器
　　
　　三轴加速度传感器采用MMA7455芯片，该芯片是由飞思卡尔公司生产的。与Cortex-M0采用I2C进行信息传递，所以在进行连接后要首先进行I2C总线初始化。然后进行芯片初始化，进入acc_init（）函数，调用acc_read（）函数进行读操作，三轴的数据分别存放在三个不同的寄存器，只具备读权限。读取数据时，要先将上次数据清空，然后移位存储后读取。三轴加速度传感器的电路图如下：
　　
　　5.4.4 RFID刷卡货物登记系统
　　
　　RFID 刷卡货物登记系统，采用 CY-14443A 系列的射频读写器，该模块支持 UART、I2C 和 SPI三种接口，考虑到传输效率和产生中断的时钟分配问题，本系统采 SPI 接口连接方式。初始化默认自动寻卡模式。[41-42]当卡片靠近识别区，会自动的产生中段信号。该模块采用内置天线，从而具有高集成度，缺点是没有外置天线的高敏感度，识别距离在6厘米以内，[43-45]但大大减小了所占面积。该芯片有内置的读写程序，读写过程可直接调用函数完成。功能框架图如下：
　　
　　连接图如下：
　　
　　由于采用SPI连接方式，传输速率可达3Mbps,开机后自动进入自动寻卡模式，当卡片进入识别区后，SIG的电平会从高电平转变为低电平，进入中段模式。工作时序图为：
　　
　　该芯片采用半双工模式[46-48],首先由Cortex-M0发出命令，然后芯片才能做出回应。在接收到命令后，要稍加延迟，防止与上一个命令发生冲突。命令格式为：
　　
　　固定导头、信息长度、命令、信息域、校验码。信息长度为除去固定导头的命令长度，命令字分为20种模式，分别为读头类型、模块掉电、蜂鸣器间隔、蜂鸣器开关、读卡类型等模式。
　　
　　该模块流程图如下：
　　 　　
　　5.4.5 Zig Bee 无线通讯模块
　　
　　Zig Bee模块采用ZICM2410,集成了单独的CPU,即内嵌式8051微处理器，成本低廉，Cortex-M0用串口与其相连，[39-40]该模块采用IEEE802.15.4国际标准，支持无线语音，但功耗极低。芯片结构如下：
　　
　　SPI数据传输有主从之分，信息发送由主机控制[49-51].SPI的有四根线分别为片选线、主机输入从机输出线、主机输出从机输入线和时钟线。
　　
　　在Cortex-M0上只有一个串口，并将其转换为USB,所以采用SC16IS7512芯片将SPI转换为串口并与Zig Bee相连。最终Cortex-M0与Zig Bee模块是SPI通信。当Zig Bee接收到信息时系统将读取IIR中断标志位，并判断是否为RHR中段，如果不是RHR中断则直接退出，重新进入信息接收状态。当确定为RHR中段后，将读取入队RHR的数据，SPI752_rbuf_1_ip++判断是否大于MAX.如果大于等于则将SPI752_rbuf_1_ip归零，如果小于MAX则直接结束。
　　
　　当时钟空闲时，CPOL一直为低电平，并且时钟信号不停传输。当时钟线由高电平变为低电平时，开始输入信息，输入的数据包括管道号寄存器地址和标志位。然后相应的寄存器开始存储数据。
　　
　　Zig Bee信息通信前会先选择通道初始化引脚和所有寄存器，然后初始化SPI并对功能寄存器进行赋值，最后初始化SPI752芯片，如果Zig Bee接收到数据则通过串口发送，如果串口有数据传来则通过Zig Bee发送。
　　
　　5.5本章小结
　　
　　本章主要介绍了Cortex-M0的主程序的设计，与外围传感器的连接和实现，RFID刷卡模块的实现和Zig Bee无线通讯模块的实现。并详细描述了Cortex-M0和Zig Bee的相关配置。