基于ARM的倉儲管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

楊 威，高文華，羅洪達(dá)，張震震

（太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，山西 太原 030024）

隨著供應(yīng)鏈管理的不斷發(fā)展，倉儲管理已成為供應(yīng)鏈管理中的重要環(huán)節(jié)。倉儲總是出現(xiàn)在供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)的結(jié)合部，例如采購和生產(chǎn)之間，生產(chǎn)的初加工和精加工之間，生產(chǎn)和銷售之間，批發(fā)和零售之間，不同運(yùn)輸方式轉(zhuǎn)換之間[1]。因而，如何優(yōu)化倉庫的日常管理成為一個重要的研究課題。

傳統(tǒng)的倉庫管理，一般依賴于以紙張文件為基礎(chǔ)的非自動化系統(tǒng)來記錄、追蹤進(jìn)出的貨物，完全由人工實(shí)施倉庫內(nèi)部的管理，因而管理效率低下。目前大多數(shù)企業(yè)的倉庫數(shù)據(jù)資料管理已經(jīng)開始采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，但仍然采用先紙張記錄，再手工輸入計(jì)算機(jī)的方式進(jìn)行采集和統(tǒng)計(jì)整理，造成了大量的人力資源浪費(fèi)，而且由于人為的因素，數(shù)據(jù)錄入速度慢、準(zhǔn)確率低。隨著倉庫智能化的不斷發(fā)展，倉庫管理的物資種類、數(shù)量都在不斷增加。出入庫頻率劇增，倉庫管理作業(yè)也變得十分復(fù)雜和多樣化，傳統(tǒng)的人工倉庫作業(yè)模式和數(shù)據(jù)采集方式難以滿足快速、準(zhǔn)確的要求，嚴(yán)重影響了倉庫的管理質(zhì)量。

文中的設(shè)計(jì)融合了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式技術(shù)和3G技術(shù)，分析了各自的基本特點(diǎn)和所要實(shí)現(xiàn)的基本功能。然后，在此基礎(chǔ)上提出了基于ARM的倉儲管理系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了倉儲管理和控制的智能化，進(jìn)而提高了倉儲管理的效率，降低了人工及維護(hù)成本。

1 系統(tǒng)整體分析

1.1 系統(tǒng)功能描述

根據(jù)全面感知、可靠傳遞和智能處理的功能需求，可將倉儲管理系統(tǒng)劃分為信息采集單元（以下簡稱為M0）、前端數(shù)據(jù)處理中心（以下簡稱為A8）和遠(yuǎn)程PC服務(wù)器3個部分，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，信息采集單元以Cortex-M0為控制芯片，采集溫度、濕度和光照強(qiáng)度等信息，并通過ZigBee無線傳輸[2]至前端數(shù)據(jù)中心；前端數(shù)據(jù)處理中心以S5PC100開發(fā)板為控制模塊，該模塊以ARM Cortex-A8控制芯片為核心，基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)，利用線程接收信息采集單元發(fā)送的數(shù)據(jù)，控制倉庫內(nèi)部數(shù)據(jù)的安全，當(dāng)實(shí)時環(huán)境異常時，通過GPRS向管理員發(fā)送短信息進(jìn)行報警；遠(yuǎn)程PC服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)與A8建立連接，實(shí)時更新本地?cái)?shù)據(jù)庫，并且可以查看各節(jié)點(diǎn)倉庫食品信息和總的食品信息。

1.2 系統(tǒng)環(huán)境搭建

1.2.1 U-Boot移植

U-Boot的功能是把內(nèi)核放到DR AM （Dynamic Random Access Memory，動態(tài)隨機(jī)存取存儲器）中運(yùn)行。網(wǎng)上下載的U-Boot對開發(fā)平臺只具有通用性代碼，不支持和識別特定開發(fā)平臺上的一些硬件和功能。因此，需要添加對這些硬件的識別、初始化及其相應(yīng)功能的實(shí)現(xiàn)。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the warehouse management system

U-Boot的移植過程可以分為2個階段，其中，第一階段主要完成基本的硬件設(shè)備初始化，準(zhǔn)備RAM（Random Access Memory，隨機(jī)存儲器）空間加載第二階段代碼，復(fù)制第二階段代碼到RAM中，設(shè)置堆棧指針SP，跳轉(zhuǎn)到第二階段代碼的C入口點(diǎn)；第二階段主要完成使用匯編語言跳轉(zhuǎn)到main（）入口函數(shù)，初始化本階段將要使用的硬件設(shè)備，檢測系統(tǒng)的內(nèi)存映射，加載內(nèi)核映像文件和根文件系統(tǒng)映像文件，設(shè)置內(nèi)核啟動參數(shù)和調(diào)用內(nèi)核。

1.2.2 Linux內(nèi)核移植

Linux內(nèi)核是一種源碼開放的操作系統(tǒng)，采用模塊化的設(shè)計(jì)。在此只保留了必需的功能模塊，刪除了冗余的功能模塊，并對內(nèi)核重新編譯，從而使系統(tǒng)運(yùn)行所需的硬件資源顯著減少[3]。本設(shè)計(jì)中內(nèi)核的移植主要包括：網(wǎng)卡驅(qū)動的添加，NAND FLASH驅(qū)動的添加，添加對YAFFS2文件系統(tǒng)的支持，添加USB設(shè)備驅(qū)動，添加LCD設(shè)備驅(qū)動，添加SD卡設(shè)備驅(qū)動。

1.2.3 根文件系統(tǒng)制作

如果沒有根文件系統(tǒng)，其他的文件系統(tǒng)就不能進(jìn)行加載。根文件系統(tǒng)包括Linux啟動時所必須的目錄和關(guān)鍵性文件，以及使其他文件系統(tǒng)得以掛載的必要文件。制作根文件系統(tǒng)主要包括：添加內(nèi)核菜單選項(xiàng)，建立目錄結(jié)構(gòu)，添加命令程序，拷貝C庫，編寫系統(tǒng)啟動文件，配置主機(jī)的NFS。

2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是在A8、M0及PC等設(shè)備的基礎(chǔ)上，基于互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器等技術(shù)并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)新型概念[4]設(shè)計(jì)的，使用戶能夠?qū)}庫內(nèi)部情況進(jìn)行實(shí)時的掌握和控制。本系統(tǒng)主要由前端數(shù)據(jù)中心、遠(yuǎn)程監(jiān)控終端和服務(wù)器端組成。

首先，數(shù)據(jù)接收模塊接收M0通過ZigBee傳輸上來的實(shí)時環(huán)境參數(shù)（如：溫度、濕度、光感數(shù)據(jù)等），并通過接收端的ZigBee經(jīng)USB轉(zhuǎn)串口操作把采集到的環(huán)境參數(shù)發(fā)送給A8，由M0的接收請求線程從串口讀取消息，并交給數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理模塊解碼接收到的信息后，激活數(shù)據(jù)庫線程以保存數(shù)據(jù)，激活內(nèi)存數(shù)據(jù)刷新線程以更新實(shí)時環(huán)境信息，并對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行判斷處理，決定是否進(jìn)行報警。另外，在構(gòu)建的嵌入式WEB服務(wù)器上，用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)利用PC機(jī)對倉庫信息進(jìn)行監(jiān)控；通過WEB頁面上的控制按鈕，監(jiān)控設(shè)備可以識別出用戶指令并進(jìn)行相應(yīng)的動作。系統(tǒng)各模塊進(jìn)程間關(guān)系如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)各模塊進(jìn)程間關(guān)系圖Fig.2 Diagram of the process with its module in the warehouse management system

3 關(guān)鍵算法設(shè)計(jì)

3.1 用戶圖形界面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通過A8間接地獲取M0的數(shù)據(jù)，用戶圖形界面QT[5-6]主要包括登錄界面、實(shí)時顯示界面、設(shè)置界面和控制界面，其整體設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 Linux下的QT整體設(shè)計(jì)流程圖Fig.3 QT design flowchart under the Linux platform

其中，登錄界面提供直接登錄模式（即超級用戶模式），登錄后跳轉(zhuǎn)至實(shí)時顯示界面；顯示界面包括實(shí)時顯示當(dāng)前M0所處環(huán)境的各種信息，含有溫度、濕度、光照以及門禁狀態(tài)等，通過不同的控制按鈕可以分別跳轉(zhuǎn)至控制界面和設(shè)置界面，按下退出按鈕將退出系統(tǒng)；設(shè)置界面包括對溫度上下限的設(shè)置，報警電話號碼的設(shè)置等，通過軟鍵盤圖標(biāo)可以調(diào)出軟鍵盤，進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的輸入，提交按鈕將會把設(shè)置好的參數(shù)發(fā)送到服務(wù)器；控制界面主要實(shí)現(xiàn)對A8上LED燈和蜂鳴器等的控制，以及控制M0上風(fēng)扇的停轉(zhuǎn)，LED燈的亮滅，數(shù)碼管的亮滅，蜂鳴器的響停等，通過返回鍵可以返回到顯示界面，具體界面如圖4所示。

圖4 設(shè)備控制主界面Fig.4 Interface of the device control

3.2 視頻流服務(wù)器設(shè)計(jì)

該服務(wù)器主要用于將攝像頭采集的視頻或者圖片顯示到網(wǎng)頁和 LCD（Liquid Crystal Display，液晶顯示器）上，這里采用MJPG-streamer作為視頻流服務(wù)器[7]。MJPG-streamer采用的是V4L2（Video 4 Linux 2）接口，可以通過文件或者是HTTP的方式訪問Linux UVC兼容攝像頭。視頻流服務(wù)器將攝像頭捕獲的圖像存入global buffer緩沖區(qū)，當(dāng)客戶端有訪問請求時，服務(wù)器便將global buffer緩沖區(qū)中的圖像數(shù)據(jù)連續(xù)地發(fā)送給客戶端。該程序中的server_pthread函數(shù)使用多線程技術(shù)，為每一個連接請求的客戶端創(chuàng)建一個線程。該線程獨(dú)立地與客戶端進(jìn)行通信，發(fā)送圖像數(shù)據(jù)。

此外，MJPG-steamer還用來從網(wǎng)絡(luò)攝像頭采集圖像，并將它們以流的形式通過基于IP的網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綖g覽器的網(wǎng)頁上。由于MJPG-steamer可以通過利用網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的硬件壓縮功能來降低服務(wù)器CPU的開銷，而無需為視頻幀壓縮浪費(fèi)大量的資源，因而它為嵌入式設(shè)備和一些常規(guī)服務(wù)器提供了一個輕量級且較少CPU消耗的方案。MJPG-steamer功能強(qiáng)大，但為了符合本項(xiàng)目的需要，仍需對其進(jìn)行修改，添加我們想要實(shí)現(xiàn)的功能。在本設(shè)計(jì)中，需要向MJPG-steamer視頻流服務(wù)器中添加LCD輸出插件，其代碼如下：

4 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)的倉儲管理系統(tǒng)充分利用了ARM Cortex-A8的硬件功能和處理速度，成功地移植了以Cortex-A8為硬件核心的Linux嵌入式系統(tǒng)，并完成了基于Linux QT的控制程序開發(fā)，解決了多項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)的控制效果令人滿意，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的先進(jìn)性、穩(wěn)定性和實(shí)用性，具有廣泛的推廣和應(yīng)用價值。

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