Cortex-A8的自動存取件冷藏快遞柜系統設計*

潘雄波，黃繼偉，謝潔杰

(1．福州大學 物理與信息工程學院 福建省集成電路設計中心，福州350003；2.福建星網銳捷網絡有限公司)

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Cortex-A8的自動存取件冷藏快遞柜系統設計*

潘雄波1，黃繼偉1，謝潔杰2

(1．福州大學 物理與信息工程學院 福建省集成電路設計中心，福州350003；2.福建星網銳捷網絡有限公司)

摘要:針對傳統冷藏物流配送中存在的局限性問題，設計了一種基于Cortex-A8的冷藏快遞柜系統。快遞柜終端以S5PV210為主控制器核心，搭載Android系統驅動冷藏柜模塊和視頻采集模塊，實現自助存取件功能。服務器軟件采用多線程中的線程池設計，提高了服務器處理大容量數據的效率，實現溫度監測和GSM短信發送。該系統具有操控簡便、安全性高、運行穩定的特點，在未來冷藏物流配送中有很好的應用前景。

關鍵詞:S5PV210；Android；線程池；溫度監測

引言

人們消費水平的提高帶動了電商行業和快遞行業的興起，冷藏物流作為一個新興的行業走進人們的生活當中。雖然大多數的物流公司對于冷藏品的運輸皆能提供行之有效的保障措施，但當冷藏品到達配送站后，冷藏品的保溫和配送就成為了亟待解決的問題。現如今冷藏物流的配送常常會遇到物品囤積、配送脫節以及設備故障導致生鮮腐爛等狀況[1]，而目前傳統的冷藏快遞業務大多還是采用人工發送信息提醒的方式進行配送，操作過程繁瑣、低效、容易出錯。

針對以上問題，設計出一種基于Cortex-A8的冷藏快遞柜系統，該系統分別從冷藏柜終端和服務器軟件兩部分入手，實現了對快遞柜溫度的監測、快遞信息錄入、短信自動發送、取件驗證和視頻監控功能。

1系統總體方案設計

該系統主要由冷藏柜終端和后臺服務器兩部分組成。冷藏柜終端采用了三星公司的S5PV210處理器作為主控制器芯片，搭載Android 4.0平臺進行系統開發，并提供人性化的交互界面。快遞員需要寄件時，首先進行身份驗證進入快遞員操作界面，其次通過條形碼掃描槍錄入快件的單號，然后將快件存入系統自動提供的寄存柜中，快件信息通過以太網傳輸并存儲在服務器的數據庫中，之后服務器根據快件信息驅動GSM模塊發送短信到指定手機號碼，并完成與快遞公司云服務器的信息同步。

取件時，客戶通過人性化的界面輸入短信驗證碼，為了提高安全性，全程通過攝像頭采集視頻信息并將其壓縮編碼后上傳至服務器保存。當柜體較多時，需要額外增加若干副柜，針對傳統布線、安裝等問題，副柜與主柜的通信采用無線傳輸方式實現多路溫度數據的傳輸和顯示。

后臺服務器以PC機為核心，通過因特網連接物流公司的云服務器獲取所有包裹的信息，服務器與冷藏快遞柜終端的連接通過以太網實現，接收來自終端發送的數據請求并驗證。數據處理完成后，服務器通過執行AT指令驅動GSM模塊發送短信息[2]，客戶憑短信中的驗證碼進行快件的隨時自取。系統框圖如圖1所示。

圖1　系統框圖

2系統終端設計

系統終端包括冷藏柜模塊、溫度采集模塊和視頻采集與無線傳輸模塊。主控制器配備網卡與輸入/輸出設備，采用UART串口方式連接冷藏柜模塊和條形碼掃描器，同時通過USB總線與視頻監控設備相連接。圖2為系統終端設計框架。

圖2　系統終端設計框架圖

系統終端采用了三星S5PV210處理器作為嵌入式主控制器核心，它采用ARM公司的Cortex-A8內核，基于32位RISC(精簡指令集計算機)，具有32/64位內部總線結構，處理速度最高可達1 GHz[3]。CPU內部具有的一、二級數據/指令緩存分別為16/32 KB和512 KB，可以實現高達2 000 DMIPS的運算能力，同時內部集成的MFC視頻編解碼器支持實現H.264的編解碼工作。此外該處理器采用了NEON指令集，此信號擴展指令集提高了多媒體應用的編碼效率，處理器擁有一套豐富完整的通用外設為開發提供便利。

系統終端所涉及硬件包括主控制器、外部RAM/ROM、網卡DM9000、電容觸摸屏ft5x06、ZL-610-R溫控器等。在主控制器與外圍模塊的通信中，主控制器通過UART串口接收來自各個模塊的數據請求并進行指令的發送，通過串口API函數具體實現掃描快遞單號和對指定冷藏柜的操作。攝像頭采集的視頻圖像通過內部MFC硬件編碼器進行H.264編碼壓縮，壓縮后的視頻圖像通過以太網以RTP實時傳輸協議發送至后臺服務器PC端，PC端完成壓縮視頻圖像的解碼和存儲。由于服務器與終端是以一對多的連接方式存在，這里冷藏柜終端與后臺服務器的通信采用UDP通信協議并通過Socket編程實現數據傳輸。

2.1冷藏柜模塊

冷藏柜終端開柜過程是，從終端控制界面輸入的指令，通過冷藏柜模塊的UART串口接收，繼而打開對應編號的柜門，通過柜門檢測電路設計實現對當前柜門開關狀態的顯示。冷藏柜模塊框架圖如圖3所示。

圖3　冷藏柜模塊框架圖

冷藏柜電路采用STM32F103ZET(以下簡稱STM32)微控制器進行設計，該微控制器擁有高性能的32位內核和豐富的UART接口。設計中采用電磁式鎖頭，利用ULN2003A高壓大電流達林頓晶體管陣列電路驅動電磁鎖頭，STM32微控制器接收終端指令并改變相應I/O口的輸出電平，從而控制柜門的開關，柜門開關狀態的檢測通過對柜門上干簧管檢測器的電平狀態接收實現，快遞員可通過終端查看柜門開關狀態。

2.2溫度采集模塊

溫控器選用蘇州百合科技有限責任公司生產的ZL-610-R，該溫控器采用小型化、IP65等級面板防護設計，具有體積小、重量輕的特點，同時自帶RS485遠程通信端口，可實現與控制器之間的通信。副柜的快遞箱溫度檢測采用STM32作為主控制器，主控制器快速讀取ZL-610-R溫控器溫度數據，并通過433 MHz無線收發模塊以無線傳輸方式發送至主柜Cortex-A8板，主柜控制器再通過以太網將溫度數據實時傳輸至服務器[4]。溫度采集模塊框圖如圖4所示。

圖4　溫度采集模塊框圖

2.3視頻采集與無線傳輸模塊

冷藏柜終端需要添加視頻采集和傳輸模塊，保證取件過程能被全程記錄，視頻數據將在后臺服務器上以快遞的單號命名保存以便查看。由于Android系統是基于Linux內核的，利用Linux下的Video4Linux2(V4L2)編程框架完成視頻數據的處理，V4L2執行驅動中的API函數流程為：首先調用open Video()函數打開終端系統下的視頻設備文件，設備采用USB接口的攝像頭；其次通過設置視頻支持的格式和屬性來完成視頻設備的初始化，并申請數據緩存空間，此時將內存空間映射為用戶空間；之后向控制器發送采集信號，開始視頻幀數據的獲取，為保證傳輸速度和壓縮要求，采集后的大容量視頻數據在傳輸前利用S5PV210內部集成的多格式MFC進行編碼；編碼結束后釋放編碼器資源，關閉編碼器和視頻設備[5]。已編碼的視頻數據通過以太網以RTP協議上傳到服務器端。

RTP是一種端對端的實時傳輸協議，也可提供多目標網絡服務中的實時數據傳輸，RTP程序運行在UDP之上，采集到的視頻數據塊先被封裝在RTP包中，每個RTP包又被嵌入到UDP消息塊里，然后封裝在IP數據包中傳輸。服務器采用一對多的接收方式接收多個視頻采集終端的視頻數據，為了區別來自不同地址設備發送的數據信息，通過設置RTP信息包中的SSRC(同步信源標識符)來區分終端的設備地址，這里的SSRC并不是指終端設備的IP地址，而是系統為新信息包包頭分配的一個隨機碼，服務器通過解析RTP包的SSRC辨別包的來源。視頻傳輸流程圖如圖5所示。

圖5　視頻傳輸流程圖

3系統軟件設計

系統軟件設計包括服務器軟件設計、視頻數據接收與存儲設計。

3.1服務器軟件設計

圖6　服務器端軟件設計框架圖

服務器軟件設計涉及多線程處理，利用線程池技術優化其性能，圖6為服務器軟件設計框架圖。“客戶端數據發送/接收線程”作為終端與服務器間進行數據交互的重要通道，采用TCP傳輸協議實現以太網連接。服務器實現與多個終端的連接和數據交換，與快遞公司云服務器的同步，并將包裹信息保存至SQLite3數據庫中。

服務器啟動時，同時創建了GSM通信線程、SQLite3數據庫、溫度監測線程和視頻接收線程。“工作線程”處理任務的調度時，首先接收使用者提交的“待接收任務”獲取相應的數據包，包括數據庫的查詢和修改、溫度信息查詢、短信發送以及視頻圖像接收[6]。經過解析處理后的數據包被“工作線程”放入“待發送任務隊列”，等待終端響應請求。例如圖中的“GSM通信線程”，系統從“GSM待發送任務隊列”中獲取快件的電話號碼和驗證碼等信息，信息中包含漢字需要轉換成PDU碼，然后服務器發送AT指令驅動GSM模塊，實現短信發送。

3.2視頻數據接收與存儲設計

通過硬件編碼器MFC編碼的H.264格式壓縮視頻交付給服務器處理時，服務器需要對視頻數據進行重新解壓并存儲，系統采用FFmpeg庫來完成壓縮視頻的解碼工作。

圖7　視頻解碼與存儲流程圖

FFmpeg作為一套可用于視頻編解碼以及格式轉換的開源庫，起先用于對Linux系統的支持，隨后實現了在Windows、Mac OS X等平臺中編譯運行，在視頻編解碼發面支持H.264格式視頻[7]。服務器接收不同地址終端的RTP包時，先提取RTP包中的SSRC，獲取相對應的快件單號，然后通過FFmpeg庫中的avcodec_decode_video2()函數解壓RTP包，再將得到的視頻數據幀保存在AVFrame()結構體中，視頻采用FLV格式存儲。圖7為視頻數據解碼與存儲流程圖。

結語

本文設計了基于ARM Cortex-A8的冷藏快遞柜系統，完成快遞柜終端模塊、溫度監測模塊、視頻傳輸模塊和服務器端的設計與聯調。圖8為用戶測試界面圖。

圖8　用戶測試界面圖

通過反復測試，該系統運行穩定，實現了快件的收件和取件、快遞柜溫度監測和視頻監控功能。該系統具有人性化的用戶操作界面和簡易方便的業務流程，在冷藏快遞物流行業中擁有廣闊的應用前景。

參考文獻

[1] 倪明，孫潛．快遞業運營模式研究[J]．北京交通大學學報，2013(1)：49-54．

[2] 孫增雷，黃俊年，孫敏．基于GSM的遠程報警系統的研制[J]．武漢理工大學學報，2008，30(6)：122-124，134．

[3] 陳建明，張亞軍，沈媛雪．基于Cortex-A8處理器與Android平臺的溫度檢測系統設計[J].華北水利水電大學學報：自然科學版，2014，35(5)：69-71．

[4] 王麗娟，王艷．基于DS18B20的多通道溫度測試儀[J]．制造業自動化，2013，35(2)：123-127．

[5] 劉陽陽，申鉉京，王一棋．基于ARM的智能監控系統的設計與研究[J]．吉林大學學報：信息科學版，2011，29(2)：158-163．

[6] 謝潔杰，賴松林，賴云峰．基于S3C6410的智能快遞投遞箱系統設計[J]．微型機與應用，2015，34(7)：92-94．

[7] 辛長春，婁小平，呂乃光，等．基于FFmpeg的遠程視頻監控系統編解碼[J]．電子技術，2013(1)：3-5．

潘雄波(碩士研究生)，主要研究方向為嵌入式系統應用；黃繼偉(副教授)，主要研究方向為射頻模擬集成電路設計；謝潔杰(軟件工程師)，主要從事嵌入式系統軟件開發工作。

圖2　數字音符實時顯示實物圖

圖3　測試結果顯示圖

結語

本次設計在國內音符實時顯示方面取得了突破(查詢了萬方、維普中文等主要中文數據庫均未收錄相似內容，市場上沒有相關產品)。后期設計將會選擇更適合語音處理的DSP開發平臺代替Arduino開發板，對程序算法進一步改進完善，增加可以在屏幕上顯示連音線、重音記號等功能，最終可以批量生產，利于音樂的大眾化推廣與傳播。

[1] 陳呂洲.Arduino程序設計基礎[M].北京： 北京航空航天大學出版社，2014:5.

[2] 李重光.基本樂理通用教材[M].北京：高等教育出版社,2004：1.

[3] 劉丹，朱漢城.音樂特征識別的研究綜述[J].計算機工程與應用， 2002(24):74-77.

[4] 張紅，宋俊壽，黃泰翼.一種新的峰值提取方法及其在語音基頻提取中的應用[J].鐵道學報,1998(6):68-73.

[5] 門愛東,蘇菲,王雷.數字信號處理[M].北京：科學出版社, 2008：15.

郭之亨(碩士研究生)，主要研究方向為電路與系統(設計自動化);李良榮(教授)，主要研究方向為電路與系統、電磁場與微波技術。

Automatic Access Parts of Refrigerated Express Cabinet System Based on Cortex-A8

Pan Xiongbo1,Huang Jiwei1,Xie Jiejie2

(1.Fujian Integrated Circuit Design Center,College of Physics and Information Engineering,Fuzhou University,Fuzhou 350003,China;2.Fujian Ruijie Network Co.,Ltd.)

Abstract：Aiming at the limit problem in traditional refrigerated logistics distribution, a kind of refrigerated express cabinet system based on Cortex-A8 is designed.The express cabinet terminal takes S5PV210 as the core of controller,which equips with Android system to drive the refrigerated cabinet module and the video acquisition module,and the system can achieve the functions of sending and receiving packages.The server software uses the design of the thread pool,which improves the efficiency of the server to handle the large capacity data,and realizes the monitoring of the temperature and sending the GSM message.The system has the advantages of simple management,high security and stable operation,which would have a good application prospect in refrigerated logistics distribution in the future.

Key words:S5PV210;Android;thread poll;temperature monitoring

收稿日期：(責任編輯：楊迪娜2015-10-18) (責任編輯：楊迪娜2015-09-21)

中圖分類號:TP368

文獻標識碼:A

* 基金項目：福建省科技計劃重點項目(2014H0026)。