基于ARM-LINUX的物流復(fù)檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王明緒， 靳 果， 桂 博

（1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河南 南陽 473000；2.鄭州輕工業(yè)學(xué)院 河南 鄭州 450000）

隨著電子商務(wù)的快速發(fā)展，物流的重要性也日益凸顯，而分揀環(huán)節(jié)在物流系統(tǒng)中是十分關(guān)鍵的。因此，要有效的保證分揀機(jī)構(gòu)的精準(zhǔn)高效運(yùn)行。目前分揀的識(shí)別方式主要靠條形碼識(shí)別，通過光電開關(guān)觸發(fā)條形碼掃描設(shè)備等捕獲條形碼信息，然后由光電開關(guān)信號(hào)以及延時(shí)控制分揀機(jī)完成最終的分揀。但是由于光電開關(guān)的靈敏度，貨物的位置以及條形碼粘貼的質(zhì)量等原因，會(huì)造成物流成本的增加和物流效率的降低，給企業(yè)造成嚴(yán)重的損失。

可見，提高物流分揀的準(zhǔn)確度變得尤為重要。為了解決分揀系統(tǒng)中的分揀錯(cuò)誤，提高物流的效率，在做了需求分析的基礎(chǔ)上，提出了一種基于ARM-LINUX[1]的物流復(fù)檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該復(fù)檢系統(tǒng)能夠提高物流分揀的準(zhǔn)確度，解決系統(tǒng)的分揀錯(cuò)誤。

1 總體設(shè)計(jì)

該復(fù)檢系統(tǒng)通過將安放終端節(jié)點(diǎn)在分揀系統(tǒng)的各個(gè)出線口，通過CAN總線將各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)與主控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，通過以太網(wǎng)主控節(jié)點(diǎn)可以訪問遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，圖1所示即是整個(gè)復(fù)檢系統(tǒng)的架構(gòu)。終端節(jié)點(diǎn)采用的是居于Cortex-M3內(nèi)核架構(gòu)的STM32F103RBT6處理器，移植RT-Thread作為軟件平臺(tái)，通過RS232接口獲取激光掃碼頭讀取到的一維條碼，然后由接口將條碼上報(bào)到主控節(jié)點(diǎn)，利用不同的CAN數(shù)據(jù)包ID號(hào)來標(biāo)識(shí)不同的下線口號(hào)。主控通過CAN總線得到不同下線口所對(duì)應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn)上報(bào)的條碼信息后，通過以太網(wǎng)查詢局域網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，并將所查詢項(xiàng)標(biāo)識(shí)為已查詢。在查詢完數(shù)據(jù)庫之后，主控節(jié)點(diǎn)需要根據(jù)結(jié)果刷新圖形界面的顯示，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并通知分揀系統(tǒng)的控制系統(tǒng)分揀出錯(cuò)以實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。

圖1 基于ARM-LINUX的物流復(fù)檢系統(tǒng)的架構(gòu)Fig.1 Architecture of the logistics recheck system based on ARM-LINUX

主控節(jié)點(diǎn)還要將查詢結(jié)果返回給對(duì)應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn)，由其來控制下線口的輸送裝置，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，比如伸縮皮帶機(jī)的運(yùn)停。

2 終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

2.1 終端節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)被安裝在分揀系統(tǒng)的末端，可以根據(jù)實(shí)際下線口數(shù)配置多個(gè)。終端節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)采集前期分揀后貨物的條碼信息，然后再通過CAN總線上傳給主控節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，它顯示了終端節(jié)點(diǎn)主要的硬件模塊，STM32[2]處理器負(fù)責(zé)控制各個(gè)模塊，對(duì)于終端接口使用的STM32F 103RBT6，為了使其正常工作，至少應(yīng)具備供電電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、電源濾波電路、JTAG程序調(diào)試下載電路以及啟動(dòng)模式選擇電路這幾個(gè)部分。STM32需要3.3 V供電，而條碼掃描器和CAN物理層驅(qū)動(dòng)器需要5 V供電，供電模塊的任務(wù)就是為系統(tǒng)提供穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)的電源。條碼掃描器使用高速率高精度的激光條碼掃描器，它在下線口處重新采集分揀系統(tǒng)分揀后貨物的條碼信息，通過RS232總線發(fā)送給STM32處理器。CAN模塊是為了和主控節(jié)點(diǎn)取得可靠的通信，傳輸終端節(jié)點(diǎn)上傳的條碼等信息以及主控節(jié)點(diǎn)發(fā)送的控制信息，CAN[3]接口設(shè)計(jì)如圖4所示。皮帶機(jī)模塊是為了根據(jù)主控節(jié)點(diǎn)發(fā)送的控制信息控制下線口出皮帶機(jī)的運(yùn)行。無線模塊和數(shù)據(jù)采集模塊是為了擴(kuò)展系統(tǒng)的功能，無線模塊可以輔助人工控制皮帶機(jī)，方便操作人員；數(shù)據(jù)采集模塊可以幫助采集末端設(shè)備工作狀態(tài)、環(huán)境溫度等信息。

圖2 終端節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of terminal node

圖3 CAN接口設(shè)計(jì)Fig.3 Interface design of the CAN

圖4 主控節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Hardware structure diagram of the master node

2.2 RT-Thread在STM32F103RBT6上的移植

RT-Thread[4]采用模塊化設(shè)計(jì)，不僅僅包含一個(gè)穩(wěn)定高效的實(shí)時(shí)內(nèi)核，更是一套完備的嵌入式系統(tǒng)軟件平臺(tái)。移植過程中采用ARM公司推出的RealView MDK作為系統(tǒng)的開發(fā)工具。目前RealView MDK已經(jīng)集成了業(yè)內(nèi)最領(lǐng)先的技術(shù)，囊括了Vision3集成開發(fā)環(huán)境以及RealView編譯器。支持最新的Cortex-M3核處理器，集成Flash燒寫模塊，配有Simulation設(shè)備模擬，性能分析等功能，使之十分適合RTOS的開發(fā)。

2.3 CAN接口程序設(shè)計(jì)

為了使CAN模塊能夠正常工作，還要對(duì)其編程來控制其完成指定的任務(wù)。對(duì)CAN的控制通過對(duì)其一系列的寄存器的操作來完成，為了方便對(duì)寄存器組的操作，按照各個(gè)寄存器在內(nèi)存中的相對(duì)地址定義了一個(gè)結(jié)構(gòu)體CAN_TypeDef，將CAN寄存器組基地址CAN_BASE強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換為（CAN_TypeDef*）指針后宏定義為CAN，然后通過CAN指向CAN_TypeDef結(jié)構(gòu)的成員來訪問CAN控制器的相關(guān)寄存器。在硬件復(fù)位以后，CAN控制器進(jìn)入休眠模式以節(jié)省電能。為了正常使用CAN，就需要對(duì)其進(jìn)行初始化，對(duì)CAN的初始化需要在初始化模式中進(jìn)行，通過對(duì)CAN-＞MCR的INRQ位編程為1來進(jìn)入初始化模式，與此同時(shí)硬件會(huì)置位CAN-＞MSR的INAK來應(yīng)答。在完成初始化后，復(fù)位CAN-＞MCR的INRQ位，在CAN與總線取得同步后，進(jìn)入正常模式。正常模式中就可以完成報(bào)文的正常收發(fā)。為發(fā)送報(bào)文，首先要查詢CAN-TSR寄存器，選擇一個(gè)空的郵箱，設(shè)置標(biāo)識(shí)符，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，和待發(fā)送數(shù)據(jù)，然后將TXRQ置位來請(qǐng)求發(fā)送。由條碼掃描器通過串口發(fā)送過來的條碼格式為ASSIC碼，并且條碼長(zhǎng)度也有差異，而一個(gè)CAN數(shù)據(jù)報(bào)文最多發(fā)送八個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，所以要分多次發(fā)送，最后在條碼數(shù)據(jù)的結(jié)尾加入’/r’和’/n’字符表示一次完整的條碼傳輸。

2.4 系統(tǒng)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)

在完成RT-Thread到STM32F103RBT6目標(biāo)平臺(tái)的移植之后，接下來的工作就是開發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用程序，來實(shí)現(xiàn)所需要的功能。應(yīng)用程序開發(fā)的第一步就是完成相關(guān)硬件或者外設(shè)的初始化。在RT-Thread中，相關(guān)的初始化工作可以有兩種方法來完成。一種是同一的在board.c文件中編寫對(duì)應(yīng)模塊的初始化函數(shù)，并將其放在rt_hw_board_init函數(shù)內(nèi)調(diào)用。另一種方式是放在線程函數(shù)中完成。然后進(jìn)行應(yīng)用線程的開發(fā)，采用多線程技術(shù)可以以較小的系統(tǒng)開銷，降低應(yīng)用程序開發(fā)的復(fù)雜度，提高系統(tǒng)的可靠性。RT-Thread以線程為最小的調(diào)度單位，采用基于優(yōu)先級(jí)的全搶占式調(diào)度算法。針對(duì)本應(yīng)用，創(chuàng)建了CAN線程、barcode線程、daemon及deal線程這四個(gè)主要線程，并通過線程間同步和通信方法進(jìn)行它們之間的協(xié)調(diào)。

3 主控節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 主控節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

主控節(jié)點(diǎn)是整個(gè)復(fù)檢系統(tǒng)的核心，它主要完成條形碼信息的處理工作，其硬件的結(jié)構(gòu)如圖4所示。主控節(jié)點(diǎn)有多個(gè)模塊組成，各個(gè)模塊所需電源電壓不同，處理器核心、片上外設(shè)模塊所需電壓也不同，這些不同的電壓由供電系統(tǒng)提供。觸摸屏為系統(tǒng)的輸入輸出接口，用來顯示查詢數(shù)據(jù)庫后的條碼信息，接收操作員的輸入命令。CAN模塊由SPI接口的CAN控制器及驅(qū)動(dòng)器組成，用來與終端節(jié)點(diǎn)通信，主控節(jié)點(diǎn)的CAN接口設(shè)計(jì)如圖5所示。為了通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)數(shù)據(jù)庫，配備了以百兆太網(wǎng)通信接口。RS232接口被用為L(zhǎng)inux和引導(dǎo)程序的控制臺(tái)，用來輔助開發(fā)。LED模塊在實(shí)驗(yàn)中用來模擬向分揀系統(tǒng)控制器通報(bào)分揀錯(cuò)誤。S3C6410作為主控節(jié)點(diǎn)的控制核心還協(xié)調(diào)各個(gè)模塊的工作。

圖5 主控節(jié)點(diǎn)的CAN接口設(shè)計(jì)Fig.5 Interface design of the CAN on mater node

3.2 主控節(jié)點(diǎn)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

主控節(jié)點(diǎn)使用Linux作為其軟件系統(tǒng)平臺(tái)，軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖6所示。位于最底層的是設(shè)備硬件，為了能夠使用這些設(shè)備，需要開發(fā)相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。接著是Linux內(nèi)核和協(xié)議棧，主要有以太網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議棧和Socket CAN的協(xié)議棧。Linux提供了統(tǒng)一的編程接口供應(yīng)用程序調(diào)用。為了方便系統(tǒng)開發(fā)，應(yīng)用軟件大多使用庫來提高開發(fā)效率，本系統(tǒng)中主要部署了QT庫、C庫以及MySQL庫等。最終的復(fù)檢系統(tǒng)應(yīng)用程序調(diào)用內(nèi)核編程接口和功能強(qiáng)大的各種庫來實(shí)現(xiàn)其功能。目標(biāo)板使用的是ARM S3C6410處理器和Linux操作系統(tǒng)，兩者通過以太網(wǎng)和RS232接口連接，采用ARMLINUX-GCC-4.3.2進(jìn)行編譯開發(fā)。選擇XP與Fedora9的網(wǎng)絡(luò)連接方式選擇橋接，XP和Fedora9以及目標(biāo)板需要通過以太網(wǎng)鏈接在一個(gè)局域網(wǎng)中。采用與Linux內(nèi)核源碼一脈相承的U-Boot來對(duì)Bootloader進(jìn)行移植，并對(duì)Linux的內(nèi)核進(jìn)行開發(fā)。最后，對(duì)復(fù)檢系統(tǒng)的應(yīng)用程序進(jìn)行開發(fā)，QT是一個(gè)跨平臺(tái)的圖形界面庫，支持Linux、Windows等系統(tǒng)，可方便應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)中，另外用戶需要自行設(shè)計(jì)Socket CAN系統(tǒng)。本研究中使用用QT的圖形界面庫來設(shè)計(jì)主控節(jié)點(diǎn)的圖形界面，使用Qt Creator中所見即所得的UI開發(fā)工具設(shè)計(jì)圖像界面[5]，界面顯示通過CAN收到的相應(yīng)下線通道的貨物條碼和通道，在查詢數(shù)據(jù)庫后，將查詢到的貨物目的地，運(yùn)輸車輛的號(hào)牌顯示出來。如果發(fā)生錯(cuò)誤，會(huì)彈出QMassageBox警告。主控節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序流程圖如圖7所示。

4 結(jié)束語

本文詳細(xì)闡述了物流復(fù)檢系統(tǒng)各個(gè)硬件平臺(tái)和軟件系統(tǒng)的開發(fā)，完成了ARM-LINUX的交叉編譯開發(fā)環(huán)境的搭建等。實(shí)際應(yīng)用表明，設(shè)計(jì)的基于ARM-LINUX的物流復(fù)檢系統(tǒng)能夠很好的解決物流分揀系統(tǒng)[6]出現(xiàn)的分揀錯(cuò)誤，極具實(shí)用價(jià)值。而且本文中采用的分揀識(shí)別是條形碼識(shí)別技術(shù)，也可以很好的拓展到其他方式，比如電子標(biāo)簽等。

圖6 主控節(jié)點(diǎn)Linux軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of the Linux software system on master node

圖7 主控節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序流程圖Fig.7 Flow chart of the application program on master node

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