基于ARM的上下料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝軍喜，高 怡

（西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

0 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，人們對于監(jiān)測系統(tǒng)的需求不僅體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室，也體現(xiàn)在工廠里。伴隨全自動生產(chǎn)線和無人工廠的出現(xiàn)，開發(fā)一個實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和過程監(jiān)控系統(tǒng)更能回應(yīng)當(dāng)下對監(jiān)測系統(tǒng)的需求，更好地提供溫度、壓力、輸出和故障狀態(tài)等多種信息。

沈巍等人[1]針對傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)中指令執(zhí)行時(shí)滯較長的問題，設(shè)計(jì)了基于ZigBee 的生產(chǎn)線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，按照ZigBee 原理建立傳感器路由，利用CC2591 功率放大芯片來提高監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的射頻功率；所設(shè)計(jì)的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)不僅擴(kuò)大了ZigBee 的覆蓋范圍，也改善了實(shí)時(shí)性差、布線困難的問題。楊江等人[2]以STC89C52 單片機(jī)為微控制器，采用短距離無線收發(fā)nRF24L01 芯片、溫濕度傳感器DHT11，設(shè)計(jì)出一套針對室內(nèi)環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)只需對終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)展就可應(yīng)用于不同場合。邱鵬[3]設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)的智能生產(chǎn)線系統(tǒng)，在此生產(chǎn)線系統(tǒng)上引入了實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控；通過三層遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測和遠(yuǎn)程操作，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線的遠(yuǎn)程監(jiān)測與實(shí)時(shí)控制。駱東松等人[4]針對旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備中的振動問題，利用嵌入式STM32 芯片、振動傳感器以及溫度傳感器作為采集工具，通過對上位子系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，實(shí)現(xiàn)PC 與云數(shù)據(jù)庫的交互過程以及對機(jī)械設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。鄧靜等人[5]以沖壓自動化生產(chǎn)線為智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究背景，采用Linux 操作系統(tǒng)，監(jiān)控終端作為服務(wù)器、中央監(jiān)控系統(tǒng)作為客戶端，采用套接字編程的方法，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控終端與中央監(jiān)控系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡(luò)通信。

基于上述監(jiān)控系統(tǒng)中的問題與改進(jìn)方案，設(shè)計(jì)一套基于ARM 的上下料監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使用基于CortexA9 的Tiny4412 開發(fā)板，結(jié)合TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和HTTP 超文本傳輸協(xié)議，通過HC-SR04 超聲波傳感器和E18-D80NK 紅外計(jì)數(shù)器采集數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)較小設(shè)備體積對智能上下料的控制監(jiān)測。該系統(tǒng)運(yùn)用攝像頭采集物料運(yùn)輸實(shí)時(shí)畫面，提高實(shí)時(shí)性和安全性。經(jīng)測試，運(yùn)行穩(wěn)定，滿足對上下料系統(tǒng)監(jiān)測的需求。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案

上下料控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示?？傮w分為3 個模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、服務(wù)器模塊和客戶端模塊。數(shù)據(jù)采集模塊分為Tiny4412 數(shù)據(jù)采集模塊和單片機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊，Tiny4412 數(shù)據(jù)采集模塊通過HC-SR04 超聲波測距模塊監(jiān)測物料運(yùn)輸位置情況；單片機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊通過紅外計(jì)數(shù)傳感器采集數(shù)據(jù)，得到計(jì)數(shù)值數(shù)據(jù)后，單片機(jī)進(jìn)行初次判定，如果超過計(jì)數(shù)閾值范圍則進(jìn)行聲光報(bào)警，同時(shí)給Tiny4412 數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送報(bào)警信息[6]。服務(wù)器模塊實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)采集模塊與客戶端模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，當(dāng)服務(wù)器模塊接收到客戶端的請求后，會做出相應(yīng)響應(yīng)。服務(wù)器模塊使用SQLite3 數(shù)據(jù)庫存儲物料傳送信息。圖1所示為系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 通信同步電路

同步問題是嵌入式系統(tǒng)在通信時(shí)所需注意的。由于接收和發(fā)送方異地，要使兩者能同頻率地協(xié)調(diào)工作，前提是有同步系統(tǒng)提供支持。嵌入式系統(tǒng)平臺采用Tiny4412 開發(fā)板，板上的UART 提供四個獨(dú)立的異步I/O 口，每一個I/O 口均可運(yùn)行于DMA 模式或中斷模式；可支持5、6、7、8 位的串行數(shù)據(jù)收發(fā)、1 位或2 位停止位、奇/偶校驗(yàn)位、可修改的波特率。

通過產(chǎn)生外部中斷或DMA 請求兩種方式，UART 可以將數(shù)據(jù)在CPU 和外設(shè)之間傳輸。每個UART 通道含有兩個64 字節(jié)的FIF0。通過數(shù)據(jù)總線將內(nèi)部數(shù)據(jù)發(fā)送到FIFO 隊(duì)列，然后再通過移相器的TXDn 引腳發(fā)送出去。數(shù)據(jù)接收過程是將外部信號通過RXDn 移入接收移相器，然后進(jìn)入接收FIFO 隊(duì)列，最后到達(dá)數(shù)據(jù)總線，利用CPU 對其處理，或在DMA 方式下直接存入存儲器中。

本文采用的是RS 232 連接方式。RS 232 標(biāo)準(zhǔn)采用的接口是9 芯的D 型插頭，只需要RXD、TXD 和GND 三個引腳就可進(jìn)行串行通信，但由于RS 232 標(biāo)準(zhǔn)定義的高、低電平信號與Tiny4412 系統(tǒng)中的TTL 電路所定義的不同，TTL的標(biāo)準(zhǔn)邏輯“l(fā)”對應(yīng)2～3.3 V 電平，標(biāo)準(zhǔn)邏輯“0”對應(yīng)0～0.4 V 電平；而RS 232 的標(biāo)準(zhǔn)邏輯“1”對應(yīng)-3～-15 V 電平，標(biāo)準(zhǔn)邏輯“0”對應(yīng)3～15 V 電平，兩者間要進(jìn)行通信必須經(jīng)過電平信號的轉(zhuǎn)換，在此選用MAX232 電平轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)這種變換[7]。

MAX232 是由德州儀器公司推出的一款兼容RS 232 標(biāo)準(zhǔn)的芯片。MAX232 內(nèi)部具有驅(qū)動器、接收器、電壓發(fā)生器電路和轉(zhuǎn)換電路。Tiny4412 UART 與MAX232 的連接方式如圖2所示。

圖2 Tiny4412 與MAX232 的連接電路

單片機(jī)AT89C52 的RXD 和TXD 端與嵌入式系統(tǒng)通信接口電路相連，它們之間采用的是全雙工串行通信。接口電路主要由MAX232 及其外圍電路來完成。AT89C52 的串行輸入口引腳TXD 與MAX232 的T1 IN 引腳相連，串行輸入口引腳RXD 與MAX232 的R1 OUT 引腳相連，MAX232的T1 OUT、R1 IN 分別與RS 232 的2、3 引腳相連，如圖3所示。

圖3 AT89C52 與MAX232 的連接

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊硬件平臺

硬件平臺結(jié)構(gòu)如圖4所示。采用ARM 平臺Tiny4412 開發(fā)板和STC89C52 單片機(jī)作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊。其中嵌入式Tiny4412 平臺負(fù)責(zé)分析處理、采集和傳輸數(shù)據(jù)，搭建網(wǎng)絡(luò)通道，其主處理器為Exynos4412，運(yùn)行主頻最高速率可以達(dá)到1.5 GHz，可以及時(shí)對采集和傳輸接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。STC89C52 單片機(jī)與Tiny4412 之間通過UART 進(jìn)行串口通信，滿足系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸要求[8-10]。

圖4 硬件平臺結(jié)構(gòu)

2.2.1 液晶顯示模塊

液晶顯示子模塊在本次設(shè)計(jì)中需要顯示管理人員預(yù)設(shè)的計(jì)數(shù)閾值，同時(shí)也要實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前計(jì)數(shù)個數(shù)。LCD1602 可以顯示物料計(jì)數(shù)值，且操作簡單，能夠完整顯示物料運(yùn)輸信息。在單片機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊上電后，液晶顯示子模塊顯示初始值，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前已經(jīng)傳送的物料數(shù)目，按下按鍵K3 顯示管理員預(yù)設(shè)的物料運(yùn)輸上限閾值[11-12]。

2.2.2 聲光報(bào)警模塊

燈光報(bào)警采用普中A2 開發(fā)板自帶的LED 燈，聲音報(bào)警采用有源蜂鳴器。如果當(dāng)前物料運(yùn)輸計(jì)數(shù)信息超出設(shè)定的計(jì)數(shù)閾值，則LED 燈紅燈閃爍，蜂鳴器報(bào)警[13]。

2.2.3 按鍵管理模塊

按鍵管理模塊共有3 個按鍵，分別為K1、K2、K3；K1為減鍵，K2 為加鍵，K3 為設(shè)置鍵。

2.3 傳感器模塊

使用HR-SC04 超聲波傳感器對物料運(yùn)輸位置數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。Tiny4412 開發(fā)板通過字符設(shè)備驅(qū)動對超聲波傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過GPIO 串口接收距離數(shù)據(jù)，再通過三點(diǎn)定位法實(shí)現(xiàn)具體位置定位。內(nèi)核加載超聲波驅(qū)動如圖5所示，得到的距離結(jié)果如圖6所示。使用E18-D80NK 紅外計(jì)數(shù)器采集計(jì)數(shù)值，若紅外探頭檢測到物體，則計(jì)數(shù)值加1，并實(shí)時(shí)顯示在LCD1602 液晶屏上。

圖5 內(nèi)核加載超聲波驅(qū)動

圖6 兩組超聲波測距傳感器測量的距離

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

Tiny4412 開發(fā)板可支持多種操作系統(tǒng)，本文采用Linux嵌入式操作系統(tǒng)，使用SQlite3 數(shù)據(jù)庫來存儲采集的數(shù)據(jù)，采用SMTP 機(jī)制實(shí)現(xiàn)郵件子模塊報(bào)警，使用TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模型和B/S 架構(gòu)實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端和客戶端之間的通信[14-15]。

3.1 服務(wù)器和客戶端模塊

服務(wù)器模塊使用TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模型，使用HTTP 網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議與客戶端進(jìn)行通信[16]。整個服務(wù)器的搭建致力于對數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，同時(shí)對客戶端發(fā)送的HTTP請求報(bào)文進(jìn)行解析，并通過發(fā)送HTML 網(wǎng)頁響應(yīng)其請求。

客戶端模塊使用B/S 模型，當(dāng)服務(wù)器端建立連接后，通過Web 網(wǎng)頁訪問的方式對服務(wù)器進(jìn)行訪問，登錄服務(wù)器只需要利用PC 機(jī)的網(wǎng)絡(luò)IP 地址即可訪問服務(wù)器，登錄成功后對服務(wù)器發(fā)送不同的請求，獲取到上下料出庫信息[17-18]。

3.2 超聲波測距模塊

超聲波測距的流程如圖7所示，首先需要一個10 μs 的脈沖觸發(fā)信號，該模塊內(nèi)部將發(fā)出8 個40 kHz 的周期電平，并由超聲波傳感器自動檢測回波。一旦檢測到有回波信號則輸出回響信號?；仨懶盘柕拿}沖寬度與所測的距離成正比。

圖7 超聲波數(shù)據(jù)采集流程

3.3 傳送視頻數(shù)據(jù)采集模塊

采用Linux 系統(tǒng)中常用的V4L2 視頻采集框架，使用帶有USB 驅(qū)動的ZC301 攝像頭來進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)采集[19]，如圖8所示。

圖8 視頻采集流程

3.4 SQlite3 數(shù)據(jù)庫模塊

SQLite3 數(shù)據(jù)庫是一種比較常見的文件型數(shù)據(jù)庫，占用資源非常小，在Linux 系統(tǒng)上僅需1.56 MB。與其他數(shù)據(jù)庫比較，SQLite3 具有數(shù)據(jù)分享方便、數(shù)據(jù)類型沒有限制、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)[20]。設(shè)置SQlite3 數(shù)據(jù)庫的存儲格式包括序號、傳送個數(shù)、總計(jì)、操作時(shí)間等參數(shù)。

3.5 SMTP 郵件報(bào)警子模塊

在數(shù)據(jù)處理子模塊解析Tiny4412 數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)后，如果發(fā)現(xiàn)物料運(yùn)輸個數(shù)超過預(yù)先設(shè)置的閾值，就會激活SMTP 報(bào)警子模塊發(fā)送郵件通知管理員。系統(tǒng)采用的是SMTP 郵件方式，使用EHLO 命令向服務(wù)器表明用戶身份，使用AUTH LOGIN 命令用于郵箱認(rèn)證，發(fā)送該命令后依次向服務(wù)器發(fā)送郵箱賬號和登錄密碼。使用MAIL FROM 命令寫入發(fā)件人地址，使用RCPT TO 命令寫入收件人地址，在DATA 里寫入所發(fā)送的郵件主題和內(nèi)容[21]。SMTP 報(bào)警子模塊主要是通過TCP/IP 協(xié)議連接郵箱服務(wù)器，該模塊操作比較簡單，通過TCP/IP 協(xié)議向郵箱服務(wù)器發(fā)送指令操作[22]。

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)上電后，啟動視頻采集子模塊，通過ZC301 攝像頭采集視頻數(shù)據(jù)，此后將得到的視頻數(shù)據(jù)通過V4L2 架構(gòu)傳輸顯示在Tiny4412 平臺的OLED 屏幕上。同時(shí)當(dāng)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊采集得到的計(jì)數(shù)值超出閾值時(shí)，會通過UART 串口通信給Tiny4412 數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送報(bào)警信息，并通過SMTP郵件報(bào)警子模塊給管理人員發(fā)送郵件進(jìn)行報(bào)警。在獲得報(bào)警信息后，Tiny412 數(shù)據(jù)采集模塊給服務(wù)器發(fā)送警示，并判斷單片機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊中的聲光報(bào)警子模塊是否處于工作狀態(tài)。拍攝到的正在移動的人手圖像如圖9所示。紅外計(jì)數(shù)器模塊和聲光報(bào)警模塊分別如圖10 和圖11所示。

圖9 拍攝到的正在移動的人手圖像

圖10 紅外計(jì)數(shù)器模塊

圖11 聲光報(bào)警模塊

傳感器節(jié)點(diǎn)采集到計(jì)數(shù)值之后，將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊，單片機(jī)對采集得到的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行初次判斷。若采集得到的當(dāng)前計(jì)數(shù)值超出上限閾值，則LED 燈亮，并且伴有蜂鳴器報(bào)警[23]。

傳感器節(jié)點(diǎn)得到物料掃描信息，將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊，單片機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊將得到的數(shù)據(jù)顯示在LCD上。紅外計(jì)數(shù)器未被遮擋時(shí)，LCD 顯示屏上不加1；當(dāng)有物體通過紅外計(jì)數(shù)器前方時(shí)，紅外計(jì)數(shù)器加1。對采集的計(jì)數(shù)信息進(jìn)行初次判斷時(shí)，若采集得到的計(jì)數(shù)值超過上限閾值，則啟動GSM 短信報(bào)警。

Tiny4412 開發(fā)板數(shù)據(jù)采集模塊接收到報(bào)警信息后，觸發(fā)郵件報(bào)警子模塊開始工作，此時(shí)服務(wù)器調(diào)用郵件子模塊線程，通過郵件給管理人員發(fā)送報(bào)警信息，如圖12所示；如果管理人員距離較遠(yuǎn)，可進(jìn)行GSM 短信報(bào)警，如圖13所示。

圖13 GSM 短信報(bào)警

管理人員可通過Web 網(wǎng)頁對服務(wù)器進(jìn)行訪問。管理人員需要通過姓名、工號以及密碼登錄客戶端。管理人員在登錄成功之后，可進(jìn)行上下料操作查詢。每次掃描到物料發(fā)生變化后，系統(tǒng)會自動記錄上次操作的時(shí)間供物料管理人員查看。如圖14所示，當(dāng)服務(wù)器模塊接收到客戶端模塊通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議發(fā)送的HTTP 請求報(bào)文時(shí)，會對接收到的請求報(bào)文進(jìn)行解析，并將結(jié)果以HTML 文件格式返回給客戶端模塊。管理人員在登錄時(shí)會向服務(wù)器發(fā)送請求報(bào)文，服務(wù)器解析請求報(bào)文判斷客戶端管理人員的具體請求，解析后編寫HTML網(wǎng)頁來對管理人員的請求進(jìn)行訪問。管理人員登錄查詢界面如圖15所示。當(dāng)管理人員查看物料運(yùn)輸情況時(shí)，需要填寫本次掃描的物料數(shù)目以及操作人員的工號。流水線掃描操作界面以及庫存詳情信息分別如圖16 和圖17所示。

圖14 客戶端登錄請求報(bào)文

圖15 登錄界面

圖16 流水線掃描操作界面

圖17 庫存詳情信息

5 結(jié)語

本文采用Tiny4412 開發(fā)板和STC89C52 單片機(jī)作為主控平臺，選擇LCD1602 液晶屏作為顯示單元；使用HCSR04 超聲波傳感器和E18-D80NK 紅外線傳感器作為數(shù)據(jù)采集模塊，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷分析，能夠及時(shí)進(jìn)行聲光、郵件和短信報(bào)警。系統(tǒng)成功完成了對多種傳感器技術(shù)的融合，滿足上下料系統(tǒng)監(jiān)測的需求，論證了此系統(tǒng)體系架構(gòu)的可行性。