基于嵌入式系統(tǒng)的農(nóng)產(chǎn)品智能出庫設備的設計

杜曉偉，范蓓蕾，錢建平，陳　波，馮　浩

（1.北京農(nóng)業(yè)信息技術研究中心，北京　100097；2.中國農(nóng)業(yè)科學院　農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)化研究所，北京　100081；3.天津科技大學　電子信息與自動化學院，天津　200064）

基于嵌入式系統(tǒng)的農(nóng)產(chǎn)品智能出庫設備的設計

杜曉偉1，范蓓蕾2，錢建平1，陳波1，馮浩3

（1.北京農(nóng)業(yè)信息技術研究中心，北京100097；2.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)化研究所，北京100081；3.天津科技大學電子信息與自動化學院，天津200064）

農(nóng)產(chǎn)品出庫是連接倉儲與物流的重要環(huán)節(jié)，目前農(nóng)產(chǎn)品出庫操作粗放、信息無法跟蹤、智能程度不高；結(jié)合嵌入式ARM系統(tǒng)與Windows系統(tǒng)的優(yōu)勢，對出入庫中小包裝條碼掃描，大包裝與小包裝之間的信息核查，將大小包裝信息不符的剔除出去，大小包裝吻合的通過升降皮帶的傳輸運送到轉(zhuǎn)載車上等的研究，設計具備傳輸裝置、出庫產(chǎn)品條碼掃描裝置、剔除裝置、顯示控制裝置的農(nóng)產(chǎn)品出庫設備，提出核心部件控制流程，實現(xiàn)了訂單核查、產(chǎn)品剔除、傳輸控制等上位機軟件功能；測試表明該設備精確實現(xiàn)移動裝卸貨與貨車的無縫對接，能很好檢查出錯訂單，提高出庫過程的智能化程度。

農(nóng)產(chǎn)品出庫；二維碼掃描識讀；快速訂單核查；紅外傳感器感應；嵌入式系統(tǒng)

0　引言

出庫是農(nóng)產(chǎn)品供應鏈的重要環(huán)節(jié)，也是銜接生產(chǎn)與流通的核心環(huán)節(jié)?，F(xiàn)多采用普通傳送裝置進行銜接，但這些裝置只是簡單的傳送，不能進行智能化處理，從而導致信息不能有效關聯(lián)，信息流與物流脫節(jié)，影響產(chǎn)品跟蹤與追溯。

隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，尤其是具有搶占式多任務實時操作系統(tǒng)的ARM嵌入式系統(tǒng)，其包含實時內(nèi)核、任務管理、時間管理、任務間通信同步功能。系統(tǒng)可以使各個任務獨立工作，互不干涉，實時且無誤執(zhí)行，使應用程序的設計過程大為減化；其次，由于嵌入式系統(tǒng)的資源及存儲相對有限，研究中所涉及的農(nóng)產(chǎn)品智能出入庫設備需要處理較多的產(chǎn)品及訂單數(shù)據(jù)，單純利用嵌入式系統(tǒng)的資源不容易滿足開發(fā)設計的需求，因此采用嵌入式ARM系統(tǒng)與Windows系統(tǒng)相結(jié)合的原則，對電機和氣缸等直接操作的IO口設備的，采用下位機嵌入式ARM系統(tǒng)開發(fā)的原則，利用上位機Windows系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)庫和界面軟件的開發(fā)。從結(jié)構(gòu)、控制流程和功能等方面對農(nóng)產(chǎn)品智能出庫系統(tǒng)進行設計，進行初步應用測試。

1　結(jié)構(gòu)設計

農(nóng)產(chǎn)品出庫一般根據(jù)訂單所要求的產(chǎn)品進行處理，需要進行訂單及產(chǎn)品匹配。對核查正確的訂單進行裝車，發(fā)貨；對訂單出現(xiàn)不匹配的包裝進行剔除，重新檢查核對的操作［1］。為了實現(xiàn)此階段的高效，便捷的操作，系統(tǒng)可以分為上位機系統(tǒng)和下位機系統(tǒng)進行設計開發(fā)研究，上位機主要包括工控機，二維碼掃描頭，和打印輸出模塊。工控機選用型號諾威世紀10.4寸觸摸屏工控機，系統(tǒng)為Windows系統(tǒng)，便于上位機軟件的開發(fā)，桌面上位機的出庫訂單應用軟件開發(fā)語言使用C#。下位機包括以ARMcortex11為核心處理器的控制單位，220 V交流步進電機和220 V伺服電機，以及氣缸剔除部分。開發(fā)實現(xiàn)利用工控機與基于ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的移動裝卸貨設備與系統(tǒng)。總體結(jié)構(gòu)功能圖如1所示。

系統(tǒng)設備利用觸摸屏工控機和嵌入式ARM系統(tǒng)進行出庫的智能化操作，自動掃描大包裝上的二維碼信息，與上位機出庫軟件的數(shù)據(jù)庫進行訂單核查，實現(xiàn)各個物品與整個包裝一一對應，利用工控機外加外部電路設備，進行對整個設備中的電機進行控制，實現(xiàn)包裝箱的剔除，上升，下降等運輸，核查正確的訂單方便快捷的傳送到運輸車輛上［2］。因此系統(tǒng)主要包括了工控機的上位機軟件，控制電機等外部輸入輸出設備的下位機嵌入式系統(tǒng)的軟件，上位機和下位機之間可以進行信息交互，下位機采用核心處理器為ARM cortex的高速處理芯片，能夠滿足接收上位機發(fā)來的實時信號，實時的執(zhí)行相應的操作。系統(tǒng)的總體設計包括，包裝箱上條碼信息的采集，包裝箱上信息與包裝箱內(nèi)部各個小包裝之間的信息匹配，訂單的核查與打印。基于上述功能整體的結(jié)構(gòu)框架如2所示。

圖1　總體功能結(jié)構(gòu)

圖2　結(jié)構(gòu)框架

其中在距離設備初始位置1.5米處放置可調(diào)節(jié)的二維碼掃描頭，用來掃描大包裝上二維碼信息，在實際操作過程中各個批次的包裝會有所不同，因此在大包裝上貼二維碼的位置也會有所不同，但是對同一批次的包裝，二維碼標簽的會在同一高度的范圍內(nèi)［3］。因此掃描頭會根據(jù)批次不同進行掃描頭高度的調(diào)整，在多次實驗測試過程中發(fā)現(xiàn)，二維碼的掃描可以在一定范圍內(nèi)即可實現(xiàn)對掃描信息獲取。工控機和打印機放在一個密閉的鐵皮殼子中，既與整個設備連接，又能支撐在地面，與設備整體連接方便整個設備的整體移動，支撐在地面是為了避免傳送帶在運動過程中產(chǎn)生的震動對工控機和打印機產(chǎn)生的晃動。嵌入式ARM系統(tǒng)控制硬件設備，放在整個設備正下方。

1.1傳輸裝置

系統(tǒng)傳輸裝置設計有上升和下降功能，尤其是設備上升的高度，在實際使用過程中上升的高度與貨車在一定的范圍有利于貨物的裝卸，在傳輸裝置的末端上安裝有紅外傳感器，當傳輸裝置上升到能夠檢測到貨車打開的后蓋時，進行減速操作。驅(qū)動上升和下降用直流步進電機來進行，ARM核心控制單元控制步進電器的驅(qū)動器來控制220 V交流步進電機的上升和下降。具體如圖3所示。

圖3　設備初始化控制流程

在直流步進電機檢測到有遮擋物后，步進電機減速運行1 000步，經(jīng)過測試在遇到遮擋物后步進電機減速運行1 000步正好使得傳輸裝置的高度與運輸車在一個適當?shù)奈恢?。有利于大包裝裝到運輸車上，此時，220 V伺服電機開始運行，由于要爬坡，采用PVC傳送帶加大包裝箱和傳送帶之間的摩擦。電機分別選用步進電機和伺服電機是因為步進電機在控制上更加精確，爬坡采用伺服電機，使其具有更大的驅(qū)動能力。

1.2剔除裝置

在核查訂單時，為了將大包裝和小包裝信息與數(shù)據(jù)庫中信息不符的剔除出去，進行二次包裝匹配，在設備的核查后，如有與訂單不符的大包裝，利用剔除裝置將其剔除出去。系統(tǒng)設計中，剔除只是簡單的推拉操作，采用氣缸的方式進行驅(qū)動。氣缸充氣后在核查訂單后發(fā)現(xiàn)有需要剔除的訂單，檢測到大包裝到達剔除裝置時，進行剔除的推拉操作完成對不符合的訂單進行剔除操作。剔除是采用上位機軟件檢測到不符合的訂單發(fā)送協(xié)議命令給下位機ARM系統(tǒng)，利用控制ARM中的IO口的通斷來控制氣缸的通斷。

1.3顯示控制裝置

顯示控制裝置即諾威世紀10.4寸工業(yè)平板電腦，具有觸摸功能，方便在整個設備啟動時，對整個設備進行校準調(diào)試。將設備移動到靠近運輸車附近，在整個設備啟動電源后，手動觸發(fā)在工控機上點擊上升按鈕進行傳送帶上升位置的選擇。在設備調(diào)試好之后就可以進行嵌入式系統(tǒng)的農(nóng)產(chǎn)品智能出庫操作，帶有二維碼的大包裝經(jīng)過二維碼掃描頭后將信息與工業(yè)控制器內(nèi)數(shù)據(jù)庫信息進行匹配，訂單核查正常則進行爬坡運送操作，核查出差則進行剔除操作。在整個貨物訂單核查運送完畢后，人工點擊工業(yè)控制器上的下降按鈕，使整個設備處于同一水平。

2　控制流程設計

本系統(tǒng)設備在設計中采用上位機和下位機的通訊通過協(xié)議來完成。他們之間采用自定義的方式進行信息的發(fā)送和反饋。協(xié)議的基本格式為：幀命令+幀內(nèi)容+校驗。工作方式為上位機發(fā)送包含命令字及其必需的操作數(shù)的命令幀給下位機，下位機即嵌入式ARM處理器系統(tǒng)，下位機執(zhí)行后將命令字及其當前狀態(tài)值返回給上位機［4］。幀命令包括：電機的選取、對電機進行讀或?qū)懖僮?、波特率的選擇、復位、校驗等操作。命令幀后緊隨操作數(shù) （幀內(nèi)容），最后是驗證信息。從上位機到下位機的命令幀與從下位機返回給上位機的應答幀擁有相同的格式，區(qū)別僅在于幀內(nèi)容。下面進一步說明一下該協(xié)議的命令幀和應答幀的具體內(nèi)容：

電機的選取：本操作實現(xiàn)選取選定電機的操作。需要給出電機號（地址），返回內(nèi)容即為電機連接（1），未連接（0）兩種情況。根據(jù)節(jié)點的數(shù)量選取相應的位數(shù)來定義，利用2^n＜=m，其中M為電機的數(shù)量，n為要選取的相應的位數(shù)。本實驗場所設置了2個節(jié)點，所以用1位就可以表示；本實驗中只是實現(xiàn)了對電機的控制開和關。沒有進一步的實現(xiàn)精確地多少步或者多長時間的將大包裝傳送到運輸車中，如若實現(xiàn)精確的包裝運輸可以在自定義的協(xié)議中增加傳送帶的傳送長度［5］。

電機的控制：本操作實現(xiàn)對電機的開和關的控制，根據(jù)上位機發(fā)來的信息中“0”和“1”進行電機的開和關的控制，當ARM處理器收到上位機發(fā)來的控制協(xié)議信息時，執(zhí)行嵌入式內(nèi)核中的程序打開或者關閉電機，其中控制電機部分的接口采用的是繼電器的方式，通過ARM中的程序控制繼電器的通斷來控制電機的開關。本系統(tǒng)采用了2種類型的電機操作，一個是220 V交流的步進電機，一個是220 V伺服電機。整個設備的控制流程如圖4所示。

圖4　設備控制流程

3　功能設計

設備和系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能包括完成訂單查詢，上位機軟件系統(tǒng)實現(xiàn)訂單查詢。在訂單查詢中滿足大包裝與小包裝之間的信息匹配的核查［6］，在進行包裝時需要將每個小包裝對應的信息錄入系統(tǒng)中，將每個小包裝信息錄入的方法很多，有手動錄入，自動錄入等方式，系統(tǒng)設計的出發(fā)點是希望提高物流包裝運輸過程效率，采用自動錄入的方式進行錄入，目前自動錄入的方式主要包括一維碼掃描輸入的方式和二維碼掃描輸入的方式，一維碼包含的信息量較少，輸入速度快，二維碼的信息量大，速度慢［7］。綜合兩種碼制的優(yōu)點，系統(tǒng)采用小包裝用一維碼方式，大包裝利用二維碼方式。對于系統(tǒng)來說需要有二維碼和一維碼掃描設備，設備能與工控機配合使用。系統(tǒng)采用的是將二維碼掃描頭與工控機利用USB接口的方式進行數(shù)據(jù)的通信［8］。獲取整個大包裝的信息，大包裝對應的小包裝信息同時會進行數(shù)據(jù)庫的匹配，匹配成功后，大包裝會隨傳動帶運輸?shù)截涍\車上，對于傳送帶的控制需要工控機根據(jù)匹配的結(jié)果對嵌入式系統(tǒng)進行控制操作。功能主要實現(xiàn)對電機的控制以及氣缸的操作，訂單查詢匹配后，電機會將大包裝勻速通過傳送帶送往運輸車，根據(jù)運輸車的高度，氣缸會啟動自動升降程序，程序目前還是采用的通過工控機上的按鈕實現(xiàn)升降高度與運輸車的相適應。如果訂單與數(shù)據(jù)庫信息不匹配將進行剔除操作，剔除會利用氣缸的推拉操作將大包裝從傳送帶上剔除出來，人工進行信息的核查。每個大包裝重量較大，剔除過程中為了保證剔除的包裝能夠安全方便的被剔除出來，需要將正常的傳輸停下來，這個過程是相當短暫，不會影響后續(xù)包裝的正常傳送。

4　設備測試

每個小包裝上的標簽錄入信息采用一維碼的方式錄入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，標簽中同時還包含有二維碼，體現(xiàn)更多的小包裝的信息含量。

信息包含，時間，重量，生產(chǎn)廠家等。

大包裝的信息格式為生產(chǎn)單位，產(chǎn)品名稱等基本信息，和二維碼中所包含的詳細信息。

5　小結(jié)

通過對大小包裝的訂單核查，不合格訂單剔除，大包裝精準的運送到裝載車上。應用生產(chǎn)一維碼的條碼打印稱重裝置，實現(xiàn)小包裝中多個一維碼與大包裝之間二維碼的關聯(lián)，并通過工控機控制嵌入式控制設備實現(xiàn)移動裝卸貨的上升，下降，爬坡等，紅外傳感器技術初始化自動將運動調(diào)節(jié)移動裝卸貨與裝載車之間的距離。能夠保證大小包裝之間的信息匹配，工控機存儲每一批次的信息，且自動生產(chǎn)整個發(fā)貨信息的清單，方便貨物的信息的核查。

通過實現(xiàn)發(fā)現(xiàn)該設備需要在下一步過程中需要改進的地方。一是大包裝在傳送到運送車時，裝卸人員在取大包裝時，由于大包裝以一定的速度沖向卸貨人員容易造成人員的傷害。因此在下一步的改進中，需要在程序中增加每個大包裝傳送距離的精確控制，即貨物以一勻速快速的速度運行到車廂時，然后減速。本實驗中只是實現(xiàn)了利用步進電機和紅外傳感器進行整個設備初始化，可以準確的將設備自動移到運輸車輛比較合適的位置。

［1］隋育偉.農(nóng)產(chǎn)品批發(fā)市場電子交易與實現(xiàn)［D］：上海：同濟大學，2007.

［2］熊會兵，肖文韜.“農(nóng)超對接”實施條件與模式分析［J］.農(nóng)業(yè)經(jīng)濟問題，2011（2）：69-72.

［3］楊旭，馬光勝，杜中平.基于FPGA的嵌入式自動計量系統(tǒng)研究與設計 ［J］.計算機工程與設計，2008，29（4）：869-872.

［4］劉興輝，畢國玲，步進電機的單片機控制系統(tǒng)研制［J］.遼寧大學學報自然科學版，2007（4）：319-321.

［5］鄧酩，楊鐵軍.基于水平集和Image Magick的發(fā)貨確認管理系統(tǒng)設計［J］.計算機工程與設計，2012：2255-2259.

［6］薛辰陽，譚秋林，馬游春，等.紅外傳感器的信號提取和數(shù)據(jù)采集的設計［J］.儀表技術與傳感器，2007，2：45-49.

［7］文韜，洪添勝，李震，等，橘園無線傳感器網(wǎng)絡不同節(jié)點部署方式下的射頻信號傳播試驗［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，2010，26（6）：211-215.

［8］梁超，項鐵銘，劉超，等.第三代移動通訊信道模型仿真分析［J］.計算機仿真，2009，26（9）：100-104.

Design of Intelligent Agricultural Product Warehouse Equipment Based on Embedded System

Du Xiaowei1，F(xiàn)an Beilei2，Qian Jianpin1，Chen Bo1，F(xiàn)eng Hao3
（1.Beijing Research Center for Information Technology in Agriculture，Beijing100097，China；2.Institute of Agricultural Resources and Regional Planning，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing100081，China；3.College of Elctronics and Automation，TianJin University of Science&Technology，Tianjin200064，China）

Warehouse-out of agricultural products is an important link between the warehouse storage and logistics.The current operation of agricultural products warehouse-out is rough，the information can not be tracked，and the intelligent level is not high.Based on the advantages of ARM and Windows system，we scan the small and medium packages'codes，check the information between small and large packages，and eliminate those products which packages information does not matched，transfer those information matched products to the truck by lifting belt.Designed a agricultural products warehouse-out device，containing transmission device，warehouse-out products code scanning device，eliminating device，displaying and controlling device，proposed a core part of the control process，and realized the host computer software functions of order verification，product rejection，transmission control.The test shows that the equipment can realize the seamless connection between the mobile loading and unloading goods and trucks，also can check the wrong orders well，and improve the intelligence of the warehouse-out process.

agricultural products out of the library；reading a two-dimensional code scanning；fast order verification；infrared sensors sensing；embedded system

1671-4598（2016）05-0150-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.05.043

TP3

A

2015-09-22；

2015-12-11。

國家科技支撐計劃項目（2013BAD19B04）。

杜曉偉（1983-），男，山西運城人，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)信息化方向的研究。

范蓓蕾（1981-），女，浙江人，博士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)信息化方向的研究。

錢建平（1979-），男，浙江湖州人，副研究員，主要從事農(nóng)業(yè)信息化和冷鏈物流方向的研究。