基于ARM Cortex-A9物聯(lián)倉儲系統(tǒng)設計

宣麗萍，王騰帥

(黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022)

基于ARM Cortex-A9物聯(lián)倉儲系統(tǒng)設計

宣麗萍，王騰帥

(黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022)

為了方便大型倉儲系統(tǒng)智能管理，針對傳統(tǒng)倉儲系統(tǒng)低效率、低自動化程度等問題，文中提出將IOT應用技術、嵌入式Linux技術、ZigBee技術等前沿技術整合思想。設計完善的物聯(lián)倉儲系統(tǒng)體系架構，A9服務器可同時接收處理多個倉庫的數(shù)據(jù)信息并及時做出相應，累積誤差不超過1.5 s，真正實現(xiàn)對庫房的實時信息監(jiān)測。實驗表明，該系統(tǒng)使得倉庫的網(wǎng)絡化與數(shù)據(jù)的實時性得到了同步提高，滿足了物聯(lián)網(wǎng)趨勢下的監(jiān)測要求，實現(xiàn)了倉庫的智能化無人監(jiān)測。

物聯(lián)倉儲；嵌入式Linux；無人監(jiān)測；ZigBee技術；網(wǎng)絡智能化

物聯(lián)網(wǎng)是基于互聯(lián)網(wǎng)、RFID技術、EPC標準，在計算機互聯(lián)網(wǎng)的基礎上，利用射頻識別技術、無線數(shù)據(jù)通信技術等[1]，構造了一個實現(xiàn)全球物品信息實時共享的動態(tài)全球網(wǎng)絡基礎設施，具有基于標準和互操作通信協(xié)議的自組織能力[2]，與信息網(wǎng)絡無縫整合。傳統(tǒng)的倉儲系統(tǒng)，主要以人力資源為基礎來管理供需貨物信息，自動化程度低，因而運營管理效率低下，管理的倉庫規(guī)模也不大。本文設計的物聯(lián)網(wǎng)倉儲信息處理系統(tǒng)的目標是將RFID、傳感器和執(zhí)行器信息收集起來，通過數(shù)據(jù)挖掘等手段從這些原始信息中提取有用信息，為創(chuàng)新型服務提供技術支持。該系統(tǒng)能夠增強倉庫管理的精確性和快捷性，最大限度地實現(xiàn)智能化管理[3]。

1 系統(tǒng)結構

基于WSN的物聯(lián)倉儲系統(tǒng)主要是由無線傳感器節(jié)點、數(shù)據(jù)信息交互網(wǎng)絡、無線執(zhí)行機構、控制中心組成。無線傳感器節(jié)點和數(shù)據(jù)信息交互網(wǎng)絡主要執(zhí)行數(shù)據(jù)信息采集，通過ZigBee無線通信設備將各監(jiān)控點傳感器采集的溫度、光線以及進出庫物品信息等數(shù)據(jù)傳送給二級網(wǎng)關，以完成對進入倉庫物品的識別、倉庫環(huán)境的監(jiān)控。之后經(jīng)過層級上傳并通過互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)信息傳交由控制中心進行分析處理。無線執(zhí)行機構負責啟動報警系統(tǒng)、聲光系統(tǒng)等控制功能?？刂浦行闹饕蝿帐嵌嗑€程處理M0終端上傳的數(shù)據(jù)并建立數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)信息，便于信息的插入、刪除、更新、查詢以及統(tǒng)計計量等功能。

圖1 系統(tǒng)架構框圖

2 系統(tǒng)方案設計

系統(tǒng)主要由信息采集端、信息交互網(wǎng)絡、信息處理控制端組成。Cortex-M0信息采集端進行實時采集環(huán)境參數(shù)及進行物品刷卡數(shù)據(jù)采集。并將采集到的數(shù)據(jù)信息打包通過ZigBee無線通信設備傳送給A9服務器處理。A9服務器的數(shù)據(jù)接收線程主要任務是接收打包的數(shù)據(jù)信息，判斷是否是物品信息，如果是則喚醒pthread_sqlite線程處理數(shù)據(jù)信息。如果判斷是環(huán)境信息則喚醒環(huán)境信息提取線程對環(huán)境信息進行提取比較,并把實時的環(huán)境信息刷新到共享內存中,讓CGI進程能查看最新信息。如果環(huán)境信息超出了相應的閾值范圍會向消息隊列中發(fā)送相應的消息，去控制相應設備動作。

2.1 硬件平臺設計

2.1.1 信息處理控制端

為保障系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)安全、高效的運行處理。A9處理器選擇的Samsung Exynos4412四核芯片[4]，主頻可達1.6 GHz。處理速度可滿足多線程并發(fā)處理數(shù)據(jù)。M0處理器選擇NXP Semiconductors 的LPC11C14芯片[5]。該芯片是一款最高主頻可以達到50 MHz的低成本、低功耗32位處理器可以滿足信息采集需求。M0終端主要任務是采集環(huán)境數(shù)據(jù)信息，通過ZigBee無線通信設備將打包好的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給A9處理器，經(jīng)相應算法分析處理后，回饋指令到M0終端設備做出相應動作。

2.1.2 RFID物品信息采集端

為解決條形碼技術相同物品具有相同的條形碼，數(shù)據(jù)量有限等局限性，方案采用采用先進的高頻電子標簽，比對各個型號模塊后，決定采用CY-14443A系列射頻讀寫模塊。它基于ISO14443標準的非接觸卡讀卡機專用芯片，支持 協(xié)議，支持 標準算法加密[6]。支持UART串口通信，I2C通信以及SPI通信，更加便于與處理器進行數(shù)據(jù)交互。RFID最基本的硬件體系結構由RFID標簽、RFID射頻天線和RFID讀/寫器組成。RFID系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)傳輸處理系統(tǒng)，用于對RFID 讀/寫器發(fā)出命令以及閱讀器讀取的信息進行處理，以實現(xiàn)對整個RFID系統(tǒng)的控制管理[7]。

讀卡器接收信號經(jīng)調制解調讀取卡中的信息，保存到結構體sendsbuf中，然后通過ZigBee將結構體sendsbuf中的數(shù)據(jù)發(fā)送到A9后臺主系統(tǒng)進行相關處理，主系統(tǒng)通過邏輯算法分析處理數(shù)據(jù)信息，發(fā)出相應的指令信號監(jiān)測貨物的出入情況。

圖2 CY-14443A部分電路圖

2.1.3 數(shù)據(jù)信息交互網(wǎng)絡

由于系統(tǒng)需確保數(shù)據(jù)信息傳遞安全可靠性，在比對各個型號的ZigBee模塊后，決定采用ZICM2410模塊，它不僅具有 通道，傳送距離可超出1 000 m，支持 位加密[8]，而且可以組成極為復雜的網(wǎng)絡，其路由深度和網(wǎng)絡結點規(guī)模廣泛應用數(shù)據(jù)率低的監(jiān)控領域。

A9服務器通過ZigBee無線通信設備與M0終端進行數(shù)據(jù)交互[9]，系統(tǒng)中與M0終端相接的為ZigBee終端[10]，與A9端相接的則為協(xié)調器端。 不同頻段的ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率不同，本文采用載波幀聽多路訪問模式。使用一對RTS和CTS握手信號解決隱藏終端問題。

2.2 軟件設計

2.2.1 Cortex-M0工作流程

步驟1 系統(tǒng)上電，對M0終端上傳感器監(jiān)控點進行設備初始化；

步驟2 主程序開始后M0終端為自動控制，主要任務是采集環(huán)境數(shù)據(jù)信息以及打包數(shù)據(jù)，并將打包數(shù)據(jù)發(fā)送給A9服務器；

步驟3 當有RFID刷卡動作時會產(chǎn)生相應中斷，RFID中斷服務函數(shù)會采集磁卡信息發(fā)送給A9服務器；

步驟4 當ZigBee無線通信設備接收到數(shù)據(jù)時會產(chǎn)生相應中斷，ZigBee中斷服務函數(shù)拆包數(shù)據(jù)信息。同時關閉M0終端自動控制，改為A9服務器控制M0終端。

圖3 M0流程圖

2.2.2 數(shù)據(jù)庫開發(fā)流程

步驟1 主程序開始運行之后，處理消息隊列里請求的線程、數(shù)據(jù)庫線程、數(shù)據(jù)分析線程、攝像頭模塊控制線程等線程開始工作；

步驟2 數(shù)據(jù)庫線程開始執(zhí)行時，首先創(chuàng)建鏈表來存儲操作數(shù)據(jù)庫信息，之后進入while(1)循環(huán)；

步驟3 循環(huán)中，用pthread_wait函數(shù)進行睡眠等待，等待pthread_signal線程喚醒函數(shù)發(fā)來的喚醒信號，喚醒之后跳入下一個while(1)循環(huán)語句中；

步驟4 循環(huán)中，首先判斷鏈表表頭是否為空。如果鏈表表頭不為空，則讀取listHead->next中數(shù)據(jù)， 調用sqlite_task函數(shù)，并將該數(shù)據(jù)傳參到函數(shù)中，對數(shù)據(jù)庫進行相應操作，完成操作后將節(jié)點空間釋放，防止內存泄漏，如此循環(huán)；

步驟5 如果鏈表表頭為空，則直接跳回到外部循環(huán)的pthread _wait函數(shù)進行睡眠等待 ，等待下一次被其他線程喚醒[11]。

圖4 數(shù)據(jù)庫流程圖

2.2.3 RFID標簽沖突算法設計

FSA算法是RFID系統(tǒng)中最常見的防沖突算法[12]，然算法中幀的長度是固定的，當標簽個數(shù)遠大于幀長度時，會增大沖突發(fā)生的概率，大幅增加識別標簽的時間。為解決FSA算法局限性，設計采用Q算法。

閱讀器維持一個浮點型幀參數(shù)Qfp，初始化值為4.0。C為常量，取值為0.1～0.5。Quetry為幀開始命令，輸入為Q，廣播的幀長為2Q-1。標簽一旦接受到閱讀器發(fā)送的Quetry指令，會重新選擇要回復的時隙序號。過程如下：閱讀器根據(jù)時隙回復來跳幀Qfp[13]，如果前一個時隙沒有標簽回復，Qfp減去常量C，最小保證為0；如果前一個時隙有多個標簽回復即為沖突，Qfp加上常量C，最大保證為15；如果前一個時隙只有一個標簽回復，Qfp保持不變。最后閱讀器根據(jù)Q=round(Qfp)來決定是否需要繼續(xù)該幀還是開啟新的幀。

3 結束語

本文基于 內核控制系統(tǒng)[14]，使用嵌入式Linux開發(fā)建立數(shù)據(jù)庫[15]，便于信息的插入、刪除、更新、查詢以及統(tǒng)計計量，減少企業(yè)額外運營成本的支出?；赥CP/IP協(xié)議進行的網(wǎng)絡通信，保證數(shù)據(jù)信息的高速有效、安全可靠傳輸。Android移動終端更是確保實時了解倉庫動態(tài)信息以及遠程控制指令的發(fā)送，無須親臨現(xiàn)場也可有效分析，輕松實施各種應對策略。人性化界面實時更能掌控最新動態(tài)。ZigBee網(wǎng)絡的搭建能及時精準采集各種數(shù)據(jù)，將各個監(jiān)控點傳感器采集的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到主機服務器中，經(jīng)算法分析處理，為制訂應對策略提供實時參考信息，進行時有效監(jiān)控，實現(xiàn)智能管理。信息化和綜合化的智能管理、流程監(jiān)控不僅能為企業(yè)用戶帶來效率提升、成本控制等效益，也可從整體上提高企業(yè)以及相關領域的信息化水平[16]。

[1] 李云潔.物聯(lián)網(wǎng)技術與應用[M].北京:科學出版社,2012.

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Design of Object Linked Storage System Based on ARM Cortex-A9

XUAN Liping，WANG Tengshuai

(School of Electrical&Control Engineering,Heilongjiang University of Science&Technology,Harbin 150022,China)

In order to facilitate the intelligent management of large-scale storage system, aiming at the problem of traditional storage system which was low efficiency and low degree of automation, The paper provides a combination of IOT technology, embedded Linux technology, ZigBee technology and other cutting-edge technology integration idea, and design a complete inventory system architecture, the A9 server can receive multiple information and timely data warehouse accordingly, the cumulative error is less than 1.5 seconds, to achieve real-time information monitoring of warehouse. Experiments show that the system makes the network and the data of the real-time synchronization has been improved, to meet the monitoring requirements of the Internet of things,also realize the intelligent unmanned monitoring warehouse in the true sense .

joint storage;embedded Linux; non-men surveillance;ZigBee technology;network intelligence

2016- 11- 03

王騰帥(1989-)，男，碩士研究生。研究方向：電力電子與電力傳動。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.09.029

TN926+.23;TP316.2

A

1007-7820(2017)09-105-04