基于emWin的倉(cāng)儲(chǔ)物流機(jī)器人的無(wú)線(xiàn)充電管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周 彬，程進(jìn)軍，馬宏鋒

(1.蘭州工業(yè)學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州海默科技股份公司，甘肅 蘭州 730030)

0 引言

倉(cāng)儲(chǔ)物流機(jī)器人[1-3]作為智慧物流的重要組成部分，順應(yīng)了新時(shí)代的發(fā)展需求，有效解決了傳統(tǒng)物流行業(yè)高度依賴(lài)人工、效率低下及業(yè)務(wù)高峰期分揀能力有限等瓶頸問(wèn)題。但是倉(cāng)儲(chǔ)物流機(jī)器人攜帶電池的容量有限，需要經(jīng)常進(jìn)行充電，而且機(jī)器人工作環(huán)境復(fù)雜且未知，傳統(tǒng)的鋰電池充電裝置多采用有線(xiàn)充電方式，每次充電需要插拔充電器接頭，易造成接觸不良、漏電等問(wèn)題，且使用不便、不安全。而無(wú)線(xiàn)充電基于電磁感應(yīng)現(xiàn)象、無(wú)需插拔充電插頭的特點(diǎn)更便于機(jī)器人進(jìn)行自主充電。

emWin[4]的開(kāi)源化大大降低了開(kāi)發(fā)嵌入式人機(jī)界面的開(kāi)發(fā)成本，同時(shí)提高了開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)觸摸屏軟件的效率。該設(shè)計(jì)借助emWin的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)STM32F767處理器直接對(duì)觸摸屏進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)物流機(jī)器人無(wú)線(xiàn)充電的管理系統(tǒng)，對(duì)機(jī)器人的充電過(guò)程、充電費(fèi)用和提醒機(jī)器人及時(shí)充電進(jìn)行調(diào)度管理。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

倉(cāng)儲(chǔ)物流機(jī)器人無(wú)線(xiàn)充電管理系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)采用STM32F767[5-6]作為中央處理單元，是基于高性能的ARM Cortex-M7 的32位內(nèi)核嵌入式ARM處理器，工作頻率高達(dá)216 MHz，處理器自帶320 KB SRAM和1 024 KB FLASH存儲(chǔ)器，這些足夠運(yùn)行emWin系統(tǒng)；另外，STM32F767集成了諸如先進(jìn)定時(shí)器、GPIO口、DMA、SPI、I2C、CAN、LCD驅(qū)動(dòng)接口和12位的AD/DA等資源；加之，官方為STM32F767提供了豐富的固件庫(kù)和開(kāi)發(fā)資源，使得編程極其方便靈活，這一切都有利于倉(cāng)儲(chǔ)物流機(jī)器人無(wú)線(xiàn)充電管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。圖1中，系統(tǒng)硬件主要模塊有LCD顯示屏、電能計(jì)量表(電能表)、供電電源及其他器件等。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.1 The system hardware structure diagram

各硬件模塊情況如下：

(1) LCD顯示屏

LCD顯示屏采用10寸大屏幕彩色觸摸顯示屏，顯示分辨率為1 280*800，支持1 600 W真彩顯示，色彩逼真，效果細(xì)膩。工作溫度范圍為-20～70 ℃，為emWin人機(jī)顯示提供了良好的硬件基礎(chǔ)。

(2)電能表

電能表選用在充電樁方面得到大量應(yīng)用的Piolt單相多功能電能表，此表能夠測(cè)量單相電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)、頻率和有功電度等，并有1路RS485通信接口與各種系統(tǒng)的RS485進(jìn)行通信。

(3)供電電源

系統(tǒng)供電電源采用明緯超薄開(kāi)關(guān)電源MW-02-12，此電源輸入電壓范圍寬，能夠適應(yīng)不同的交流電壓輸入，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域，其輸入電壓為90～260 V的交流電，輸出12 V的直流電，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定地電力供應(yīng)。

(4)其他器件選擇

此系統(tǒng)的交流接觸器、存儲(chǔ)器等器件均采用工業(yè)級(jí)器件，以保障系統(tǒng)在工業(yè)環(huán)境下能夠穩(wěn)定的應(yīng)用。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

emWin是GUI的高級(jí)版本，由Segger公司研發(fā)。針對(duì)嵌入式平臺(tái)，開(kāi)發(fā)穩(wěn)定、高效的圖形軟件庫(kù)，emWin用于提供高效且獨(dú)立于處理器和顯示控制器的圖形用戶(hù)界面，用于任何使用圖形顯示進(jìn)行操作的應(yīng)用。它與單任務(wù)和多任務(wù)環(huán)境、專(zhuān)用操作系統(tǒng)或具有任何商業(yè)RTOS兼容，支持使用任何控制器的任何 (單色、灰度或彩色)顯示器 (如果有正確的驅(qū)動(dòng))；在較小顯示器上無(wú)顯示控制器也可運(yùn)行；使用配置宏可支持任何接口；可在顯示器上的任何點(diǎn)上寫(xiě)入字符和位圖；利用編譯時(shí)間切換可進(jìn)行不同優(yōu)化；對(duì)于較慢的顯示控制器，可在存儲(chǔ)器中緩存顯示，將存取操作減到最少，從而獲得非常高的速度，結(jié)構(gòu)清晰。emWin[7]的最底層是硬件層，即最基本的板級(jí)支持軟件包(BSP)，也稱(chēng)為底層驅(qū)動(dòng)，提供了對(duì)硬件平臺(tái)資源最直接的訪(fǎng)問(wèn)；emWin 軟件庫(kù)聯(lián)系著底層硬件和用戶(hù)應(yīng)用程序，它運(yùn)行在硬件層之上，為應(yīng)用程序提供基于消息機(jī)制的圖形用戶(hù)界面編程接口，它的主要組成部分是：字符顯示、2D圖形繪制、窗口管理和控件操作等。

倉(cāng)儲(chǔ)物流機(jī)器人無(wú)線(xiàn)充電管理系統(tǒng)[4]的人機(jī)交互界面主要由充電樁菜單、管理、設(shè)置按鈕和充電信息顯示、電池電量狀態(tài)可視化圖標(biāo)和充電二維碼等組成。制作管理界面編程主要是調(diào)用2D圖形和文字應(yīng)用程序接口函數(shù)，采用 C 語(yǔ)言編寫(xiě)出對(duì)應(yīng)的應(yīng)用程序。

2.1 程序整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件以u(píng)COSIII[8-9]為操作系統(tǒng)，采用多任務(wù)思想，整個(gè)系統(tǒng)劃分為人機(jī)界面交互、觸摸屏響應(yīng)、電能計(jì)量、無(wú)線(xiàn)通信、充電控制和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)。軟件采用任務(wù)優(yōu)先級(jí)和時(shí)間片輪巡調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度，任務(wù)之間既相對(duì)獨(dú)立又通過(guò)消息隊(duì)列和信號(hào)量相互聯(lián)系。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)Fig.2 The system software structure diagram

2.2 人機(jī)界面交互任務(wù)

人機(jī)界面主要完成無(wú)線(xiàn)充電樁的人機(jī)交互功能[10-11]。該人機(jī)界面設(shè)計(jì)了登錄權(quán)限管理、用戶(hù)管理、充電信息和參數(shù)設(shè)置等6個(gè)無(wú)線(xiàn)充電樁的人機(jī)交互界面。主界面用emWin的Framewin框架，在框架中添加4個(gè)按鈕控件，分別實(shí)現(xiàn)登錄管理、用戶(hù)管理、充電信息和參數(shù)設(shè)置界面的切換功能；添加一個(gè)多頁(yè)顯示控件(Multipage)，實(shí)現(xiàn)6個(gè)充電樁的充電信息顯示功能，界面創(chuàng)建代碼如下：

static const GUI_WIDGET_CREATE_INFO _aDialogCreate[]= {

{ FRAMEWIN_CreateIndirect，"Framewin"，ID_FRAMEWIN_0，0，0，1280，800，0，0x64，0 }，

{ MULTIPAGE_CreateIndirect，"Multipage"，ID_MULTIPAGE_0，0，0，1096，733，0，0x0，0 }，

{BUTTON_CreateIndirect，"登錄管理"，ID_BUTTON_0，1128，250，120，60，0，0x0，0 }，

{BUTTON_CreateIndirect，"用戶(hù)管理"，ID_BUTTON_1，1128，350，120，60，0，0x0，0 }，

{BUTTON_CreateIndirect，"充電信息"，ID_BUTTON_2，1128，450，120，60，0，0x0，0 }，

{BUTTON_CreateIndirect，"參數(shù)設(shè)置"，ID_BUTTON_3，1128，550，120，60，0，0x0，0 }，

}；

人機(jī)界面的其他界面用emWin的Windows框架，如充電信息界面，采用6個(gè)Windows框架，分別嵌入到Multipage上，實(shí)現(xiàn)充電信息顯示、充電操作和充電二維碼生成等功能，其顯示界面如圖3所示。

圖3 充電樁管理系統(tǒng)界面Fig.3 The interface of charging pile management system

2.3 觸摸屏任務(wù)

觸摸屏任務(wù)主要完成人機(jī)界面的操作任務(wù)，實(shí)現(xiàn)充電操作、用戶(hù)管理操作、充電參數(shù)設(shè)置、充電信息瀏覽和用戶(hù)登錄管理等操作任務(wù)。觸摸屏任務(wù)創(chuàng)建程序如下：

OSTaskCreate((OS_TCB* )&TouchTaskTCB，

(CPU_CHAR* )"Touch task"，

(OS_TASK_PTR )touch_task，

(void* )0，

(OS_PRIO )TOUCH_TASK_PRIO，

(CPU_STK* )&TOUCH_TASK_STK[0]，

(CPU_STK_SIZE )TOUCH_STK_SIZE/10，

(CPU_STK_SIZE )TOUCH_STK_SIZE，

(OS_MSG_QTY 0，

(OS_TICK )0，

(void* )0，

(OS_OPT )OS_OPT_TASK_STK_CHK|OS_OPT_TASK_STK_CLR，

(OS_ERR* )&err)；

2.4 電能計(jì)量任務(wù)

電能計(jì)量任務(wù)根據(jù)充電狀態(tài)讀取電能表的計(jì)量數(shù)據(jù)，然后根據(jù)設(shè)定的充電參數(shù)統(tǒng)計(jì)充電度數(shù)，計(jì)算充電金額，統(tǒng)計(jì)充電時(shí)間等功能。電能計(jì)量任務(wù)流程如圖4所示。

圖4 電能計(jì)量任務(wù)流程Fig.4 The flow chart of Energy metering task

2.5 無(wú)線(xiàn)通信任務(wù)

無(wú)線(xiàn)通信任務(wù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)充電樁發(fā)射端和接收端的通信功能，充電樁發(fā)射端實(shí)時(shí)接收充電接收端的充電狀態(tài)信息，包括電池電壓狀態(tài)、電池充電電流和充電電池溫度等。當(dāng)充電樁端接收到信息后，根據(jù)電池狀態(tài)情況實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)射端的充電功率，使電池充電狀態(tài)處于最優(yōu)。

2.6 充電控制任務(wù)

充電控制任務(wù)主要完成機(jī)器人無(wú)線(xiàn)充電的過(guò)程控制[12]，當(dāng)用戶(hù)確認(rèn)開(kāi)始給機(jī)器人進(jìn)行充電時(shí)，系統(tǒng)控制任務(wù)根據(jù)通信任務(wù)提交的電池參數(shù)，計(jì)算需要充電電流的大小并設(shè)置充電電流，然后閉合交流接觸器開(kāi)始充電。充電控制任務(wù)流程如圖5所示。

圖5 充電控制任務(wù)流程Fig.5 The flow chart of Charge control task

2.7 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)主要實(shí)現(xiàn)充電參數(shù)存儲(chǔ)，實(shí)時(shí)存儲(chǔ)在充電樁上充電情況，如充電機(jī)器人編號(hào)、充電電量、分時(shí)電量、分時(shí)電價(jià)、充電金額、充電時(shí)間、充電電壓和充電電流信息。方便用戶(hù)對(duì)機(jī)器人充電情況的統(tǒng)計(jì)分析，優(yōu)化生產(chǎn)調(diào)配。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)中的參數(shù)保存程序如下：

void SaveParameter(char* Parmeter_TXT)

{

char result；

static FILTXTFile；

OS_ERR err；

u32wcnt；

OSSchedLock(&err)；

result = f_open(&TXTFile，"2：/Parameter.txt"，F(xiàn)A_CREATE_ALWAYS|FA_WRITE)；

if(result == FR_OK)

{

do

{

result =f_write(&TXTFile，(void*)Parmeter_TXT，

strlen(Parmeter_TXT)，&wcnt)；

if(result) break；

}while(wcnt

}

f_close(&TXTFile)；

OSSchedUnlock(&err)；

}

3 結(jié)束語(yǔ)

該設(shè)計(jì)采用emWin進(jìn)行倉(cāng)儲(chǔ)物流機(jī)器人的無(wú)線(xiàn)充電管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能提供友好的充電管理開(kāi)發(fā)人機(jī)交互界面，通過(guò)此界面完成查看和管理任務(wù)。設(shè)計(jì)成果證明，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)捷高效，界面美觀、工作穩(wěn)定可靠，能對(duì)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度充電、有效防止了機(jī)器人因無(wú)法及時(shí)充電而停工的情況發(fā)生。推而廣之，emWin可以方便快速地嵌入到各類(lèi)儀器儀表中，除了倉(cāng)儲(chǔ)物流部門(mén)，還可以在醫(yī)療技術(shù)、消費(fèi)電子、汽車(chē)電子和工業(yè)自動(dòng)化等嵌入式領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用。