周金芝，楊　明

(亳州學(xué)院 電子與信息工程系，安徽 亳州 236800)

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公用物品網(wǎng)絡(luò)式流轉(zhuǎn)終端控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周金芝，楊明

(亳州學(xué)院 電子與信息工程系，安徽 亳州 236800)

摘要：針對(duì)購(gòu)物籃、自行車(chē)等比較常見(jiàn)的環(huán)保公用物品的流轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)式構(gòu)架的公用物品流轉(zhuǎn)平臺(tái)，此平臺(tái)由流轉(zhuǎn)終端和服務(wù)中心兩部分組成。流轉(zhuǎn)終端采用了嵌入式ARM芯片S3C2410A作為主板，開(kāi)發(fā)測(cè)試過(guò)程用Embest EDUKIT-III實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)板、開(kāi)發(fā)板，倉(cāng)庫(kù)設(shè)計(jì)獨(dú)特。目前這一平臺(tái)成功應(yīng)用于自行車(chē)租賃系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)通信；嵌入式系統(tǒng)；公用物品；流轉(zhuǎn)終端

塑料購(gòu)物袋是商品零售場(chǎng)所常見(jiàn)的易耗品，我國(guó)每年在這方面消耗巨大。塑料袋環(huán)保必須從源頭上抓才有效，政府應(yīng)該借助有力的工具來(lái)實(shí)施，比如通過(guò)異地租賃購(gòu)物籃來(lái)減少塑料購(gòu)物袋的使用。公共自行車(chē)租賃在國(guó)外已很普及，在國(guó)內(nèi)也越來(lái)越受到追捧[1]，全國(guó)多地已建成公共自行車(chē)租賃系統(tǒng)，為市民的短距離出行帶來(lái)方便[2]，但現(xiàn)有的自行車(chē)租賃系統(tǒng)依然存在各種各樣的弊端[3]。市場(chǎng)上公共雨傘租賃系統(tǒng)相對(duì)空缺[4]。對(duì)于以上公用物品的租賃，迫切需要一套智能化的公用物品流轉(zhuǎn)終端控制系統(tǒng)，基于此，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)式構(gòu)架的公用物品流轉(zhuǎn)平臺(tái)。

1流轉(zhuǎn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)方案

流轉(zhuǎn)平臺(tái)實(shí)際上就是一個(gè)個(gè)終端為網(wǎng)點(diǎn)(業(yè)務(wù)結(jié)點(diǎn))構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，類似銀行ATM系統(tǒng)，盡管針對(duì)具體情況會(huì)衍生出不同類型的系統(tǒng)，但不論其怎樣變化，系統(tǒng)應(yīng)該包括3個(gè)部分：服務(wù)中心計(jì)算機(jī)(主站)、流轉(zhuǎn)終端、數(shù)據(jù)傳輸通道。

(1) 服務(wù)中心計(jì)算機(jī)(服務(wù)終端)

存儲(chǔ)消費(fèi)者租賃IC卡和公用物品IC卡識(shí)別信息所有數(shù)據(jù)；登記、存儲(chǔ)、查詢消費(fèi)者租賃公用物品的地點(diǎn)、時(shí)間和歸還公用物品的地點(diǎn)、時(shí)間；監(jiān)控流轉(zhuǎn)終端的使用情況和故障；多級(jí)操作權(quán)限設(shè)置；精確校時(shí)，統(tǒng)一系統(tǒng)時(shí)間；自診斷，設(shè)備或通信異常報(bào)警和記錄。

(2)流轉(zhuǎn)終端(服務(wù)網(wǎng)點(diǎn))

布局在超市、菜市場(chǎng)、居民點(diǎn)等多個(gè)地方，負(fù)責(zé)IC卡的采集、處理、存儲(chǔ)和通信；消費(fèi)者先辦理身份租賃IC卡，并將每個(gè)公用物品都貼上終生身份識(shí)別IC卡，終端采集公用物品信息和個(gè)人IC卡信息，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)中心進(jìn)行處理；根據(jù)權(quán)限設(shè)置初始參數(shù)；系統(tǒng)自診斷，存儲(chǔ)器、通信異常記錄和報(bào)警；交互式界面完成操作，顯示和打印交易信息。流轉(zhuǎn)終端有4種操作模式：有人值守且無(wú)倉(cāng)庫(kù)模式；無(wú)人值守但有全自動(dòng)倉(cāng)庫(kù)；有人值守且也有倉(cāng)庫(kù)；無(wú)人值守也沒(méi)有倉(cāng)庫(kù)。本文的設(shè)計(jì)采用的是有人值守加倉(cāng)庫(kù)的模式。

(3) 數(shù)據(jù)傳輸

身份識(shí)別信號(hào)采集和確認(rèn)的數(shù)據(jù)流程如下：終端向主站發(fā)送即時(shí)數(shù)據(jù)采集信息，等待主站的處理命令；主站計(jì)算機(jī)根據(jù)終端發(fā)送過(guò)來(lái)的信息進(jìn)行分析比較，確認(rèn)剛才所采集信息的合法性，即身份確定，然后根據(jù)存儲(chǔ)記錄判斷是否滿足交易條件，并將交易條件發(fā)送到終端；終端根據(jù)交易條件判斷交易完成與否，如果滿足交易條件并交易，則將交易信息數(shù)據(jù)發(fā)送到主站進(jìn)行登記；主站再次發(fā)送一次確認(rèn)信息給終端表示登記已完成。

流轉(zhuǎn)平臺(tái)租賃系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1　流轉(zhuǎn)平臺(tái)租賃系統(tǒng)模型

2硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)

2.1總體設(shè)計(jì)

根據(jù)流轉(zhuǎn)平臺(tái)終端的需求分析，將硬件電路分為電源模塊、液晶顯示模塊、GPRS模塊、非接觸式讀卡器、復(fù)位模塊、攝像頭、音頻模塊、存儲(chǔ)模塊、鍵盤(pán)模塊和RS232串行通信接口。流轉(zhuǎn)平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)供電；液晶顯示屏用于信息顯示和系統(tǒng)的人機(jī)對(duì)話；IC射頻卡模塊為非接觸式信息閱讀器，以MFRC522作為控制芯片的射頻讀卡器來(lái)閱讀信息[5]；網(wǎng)絡(luò)GSM/GPRS/WIFI...模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸和通信[6]；復(fù)位模塊用于系統(tǒng)的復(fù)位；攝像頭用于監(jiān)控?zé)o人值守的租賃現(xiàn)場(chǎng)；音頻模塊用于語(yǔ)音提示，如提示自行車(chē)歸還成功等；存儲(chǔ)模塊用于處理和采集信息的存儲(chǔ)；RS232接口用于主板與驅(qū)動(dòng)板的通信。倉(cāng)庫(kù)代表流轉(zhuǎn)終端所有物品的存儲(chǔ)地點(diǎn)。倉(cāng)庫(kù)結(jié)構(gòu)框圖如3所示。

圖2流轉(zhuǎn)平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖3　倉(cāng)庫(kù)結(jié)構(gòu)框圖

2.2硬件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)選用三星公司的S3C2410A作為主板芯片。S3C2410A是三星公司推出的32位RISC處理器，內(nèi)核采用ARM9TDMI，主要面向手持設(shè)備以及高性價(jià)比、低功耗的應(yīng)用。S3C2410A的顯著特性是它的CPU核心，是一個(gè)由Advanced RISC Machines(ARM)有限公司設(shè)計(jì)的16/32位ARM920T RISC處理器。ARM920T實(shí)現(xiàn)了MMU，AMBA BUS和Harvard高速緩沖體系結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)具有獨(dú)立的16 KB指令Cache和16 KB數(shù)據(jù)Cache，每個(gè)都是由8字長(zhǎng)的行(line)構(gòu)成。通過(guò)提供一系列完整的系統(tǒng)外圍設(shè)備，S3C2410A大大減少了整個(gè)系統(tǒng)的成本，減少了為系統(tǒng)配制的額外器件。

電路中用到的直流電源有5種，分別是+24、21.5 、+5、3.3、1.8 V，其中，+24 V供給倉(cāng)庫(kù)繼電器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，+5 V供給RS232串行通信和STC89C52，+3.3 V供給ARM主處理器外設(shè)及MFRC522射頻讀卡器，+l.8 V供給ARM主處理器內(nèi)核，21.5 V是液晶屏的驅(qū)動(dòng)電源。直流開(kāi)關(guān)電源模塊可以實(shí)現(xiàn)220 V交流輸入到+24、+5 V輸出，采用LD1117v33和LDlll7v18電源管理芯片實(shí)現(xiàn)+5 V電源輸入到+3.3 V和+1.8 V輸出轉(zhuǎn)換，采用MAX629電源管理芯片實(shí)現(xiàn)+5 V輸入到+21.5 V輸出轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)監(jiān)視復(fù)位芯片IMP811S用于實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的電源，一旦系統(tǒng)電源低于系統(tǒng)復(fù)位的閾值，IMP811S將會(huì)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。

GPRS模塊選用了SIM100-E GSM/GPRS雙頻模塊。SIM100-E GSM/GPRS雙頻模塊是SIMCOM公司推出的一款數(shù)據(jù)終端設(shè)備，該模塊功能強(qiáng)大，AT命令豐富，操作簡(jiǎn)單靈活，并且該設(shè)備由GPRS無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)與傳統(tǒng)調(diào)制解調(diào)器相結(jié)合構(gòu)成。模塊集成了GSM基帶處理器和完整的射頻電路。SIM1OO-E電源電壓范圍為3.3～4.6 V，可以使用鎳氫電池、鋰電池或其他外部直流電源供電，同時(shí)SIM100-E可外接一個(gè)紐扣電池，當(dāng)發(fā)生意外，電源斷電后，可通過(guò)VRTC引腳向內(nèi)部RTC提供電源。SIM100-E的硬件電路支持RS-232串行接口，接口采用串行異步收發(fā)來(lái)完成數(shù)據(jù)傳輸、通信的功能。SIM100-E模塊與S3C2410A間的通信依靠系統(tǒng)連接器(型號(hào)為IL-312-A60P-VF-A的客戶端)完成，該連接器由RS-232串口、外部電源、SIM接口和音頻接口構(gòu)成。

靜態(tài)存儲(chǔ)器芯片選用FC24C04。FC24C04采用IIC總線方式進(jìn)行控制訪問(wèn)，與S3C2410A芯片的IIC接口直接相連即可，F(xiàn)C24C04僅需少量外圍電路。液晶顯示模塊是系統(tǒng)的人機(jī)交互接口，本系統(tǒng)選用帶有觸摸屏和虛擬鍵盤(pán)的液晶顯示器。主板與驅(qū)動(dòng)板通信采用RS232串行總線方式。S3C2410A有3個(gè)獨(dú)立的異步串行I/O口，它們都可以運(yùn)行于中斷模式或DMA模式，在與驅(qū)動(dòng)控制板通信中使用UART0串口，而與GPRS通信中使用UART1串口。電平轉(zhuǎn)換芯片則選擇了MAX3232芯片，該款芯片是由MAXIM公司推出，芯片工作電壓為+3.3 V，公頭連接器采用DB9，它只有3個(gè)引腳的信號(hào)有效:2(RXD)、3(TXD)、5(GND)。

倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)選擇宏晶科技推出的STC89C52RC芯片。STC89C52RC是一款價(jià)格低、性能高、采用先進(jìn)CMOS工藝制造的8位微控制器，指令系統(tǒng)和引腳與MCS-51單片機(jī)完全兼容，該器件有4組8位I/O口、3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、多中斷源-4中斷優(yōu)先級(jí)-嵌套的中斷結(jié)構(gòu)、全雙工的串行口、片內(nèi)振蕩器及時(shí)序電路。

自行車(chē)租賃系統(tǒng)中，比較實(shí)用的倉(cāng)庫(kù)是立體自行車(chē)停車(chē)庫(kù)[7]。考慮到公用物品不但有自行車(chē)，還有其他物品，因此將立體停車(chē)庫(kù)的結(jié)構(gòu)做了一些改動(dòng)，如圖4所示。

圖4　倉(cāng)庫(kù)正面

由于是用于公用物品的流轉(zhuǎn)，因此在這個(gè)倉(cāng)庫(kù)的結(jié)構(gòu)圖中，中心軸是可以旋轉(zhuǎn)的，內(nèi)架通過(guò)4根支撐架固定在中心軸外面，然后將多塊翼板等距離固定在內(nèi)架上，翼板上都有自行車(chē)固定機(jī)構(gòu)。在圖4中，內(nèi)架圓內(nèi)區(qū)域可以被劃分為A、B、C、D等多個(gè)區(qū)域(根據(jù)購(gòu)物籃等物品大小需要)，由于A、B、C、D區(qū)域放置自行車(chē)不是很方便，因此可以用做購(gòu)物籃等物品的存儲(chǔ)箱，根據(jù)需要在正面開(kāi)一個(gè)倉(cāng)門(mén)或多個(gè)倉(cāng)門(mén)。這樣的構(gòu)思有幾個(gè)特點(diǎn)：(1) 體積小、功能多、容量大，設(shè)內(nèi)架的直徑D1=2.5m，外殼直徑D2=3.2m，則內(nèi)架周長(zhǎng)L1=7.75m，外殼周長(zhǎng)L2=9.92 m，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，大概可以放置20～30輛小自行車(chē)，比單純的地面?zhèn)}庫(kù)容量提高約3倍，而A、B、C、D區(qū)域還可以放置數(shù)百個(gè)購(gòu)物籃；(2) 設(shè)計(jì)制造簡(jiǎn)單、成本低；(3) 旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)只需要1個(gè)自由度的動(dòng)力，因此動(dòng)力只需要一個(gè)電機(jī)，控制簡(jiǎn)單；(4) 操作簡(jiǎn)單。

3控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1主板程序設(shè)計(jì)

主板程序是系統(tǒng)軟件的關(guān)鍵所在，主板向驅(qū)動(dòng)板發(fā)送指令，驅(qū)動(dòng)板接收到指令后執(zhí)行相應(yīng)的操作，操作完成后將結(jié)果送回到主板。圖5是主板程序狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。圖中系統(tǒng)被分成11種狀態(tài)，每種狀態(tài)都是相互對(duì)立的，各對(duì)應(yīng)一個(gè)狀態(tài)值。其中待機(jī)狀態(tài)管理著其他10種狀態(tài)的入口條件，相當(dāng)于狀態(tài)管理中心，它決定著系統(tǒng)接下來(lái)進(jìn)入哪一種狀態(tài)。

圖5主板程序狀態(tài)流圖

依據(jù)系統(tǒng)功能需求以及硬件電路模塊得到主板程序模塊框圖6。

圖6　主板程序模塊組成

3.2驅(qū)動(dòng)板程序設(shè)計(jì)

圖7為驅(qū)動(dòng)板程序模塊方框圖。其中繼電器驅(qū)動(dòng)模塊為交流部件的驅(qū)動(dòng)代碼，用于驅(qū)動(dòng)照明燈、門(mén)鎖開(kāi)關(guān)等。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是電機(jī)驅(qū)動(dòng)處理模塊，用于旋轉(zhuǎn)倉(cāng)庫(kù)驅(qū)動(dòng)。開(kāi)關(guān)信號(hào)模塊用于倉(cāng)庫(kù)各種情況下的限位開(kāi)關(guān)信號(hào)采集。定時(shí)器中斷則負(fù)責(zé)處理動(dòng)作的執(zhí)行時(shí)間、感應(yīng)開(kāi)關(guān)信號(hào)的定時(shí)檢測(cè)等所有和時(shí)間有關(guān)的事件。RS232通信模塊用于與主機(jī)通信，接受指令并返回結(jié)果。

圖7　驅(qū)動(dòng)板程序模塊組成

4開(kāi)發(fā)平臺(tái)的選擇

根據(jù)軟硬件的實(shí)際需求，選用了英培特公司的Embest Edukit-III[8]型號(hào)的多核心、多操作系統(tǒng)的嵌入式教學(xué)系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)板、開(kāi)發(fā)板。該系統(tǒng)提供了豐富的接口實(shí)驗(yàn)，包括 LED 燈、數(shù)碼管、音頻、麥克風(fēng)、串口、并口、USB接口、以太網(wǎng)接口、步進(jìn)電機(jī)、SD卡、液晶和觸摸屏等，可以選配或另購(gòu)GPRS模塊和攝像頭模塊等，提供啟動(dòng)程序、各功能模塊源代碼、上機(jī)實(shí)例、操作系統(tǒng)源代碼與移植應(yīng)用實(shí)例等，操作系統(tǒng)有Ucos-II、uclinux、WinCE、Linux、VxWorks。

5結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)公用物品流轉(zhuǎn)終端的設(shè)計(jì)提出了一些新穎的設(shè)計(jì)思路，利用該思路可以實(shí)現(xiàn)購(gòu)物籃、雨傘、自行車(chē)等公用物品的流轉(zhuǎn)控制。該系統(tǒng)創(chuàng)新之處體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

(1)數(shù)據(jù)傳輸采用GPRS或WIFI技術(shù)，用于實(shí)現(xiàn)租賃網(wǎng)點(diǎn)與服務(wù)中心間的信息傳輸和通信。

(2)有USB攝像頭接口，可用于全程監(jiān)控?zé)o人值守的租賃現(xiàn)場(chǎng)，并對(duì)借出和歸還的物品進(jìn)行拍照，以確定歸還物品是否完好，并以此作為賠償?shù)囊罁?jù)。

(3)使用帶有觸摸屏和虛擬鍵盤(pán)的液晶顯示屏，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息的現(xiàn)場(chǎng)顯示，使用戶現(xiàn)場(chǎng)操作更加簡(jiǎn)單。

(4)在流轉(zhuǎn)終端的倉(cāng)庫(kù)設(shè)計(jì)方面，對(duì)現(xiàn)有的立體自行車(chē)停車(chē)庫(kù)做了一些改動(dòng)，使該倉(cāng)庫(kù)可以同時(shí)存儲(chǔ)自行車(chē)、購(gòu)物籃、雨傘等公用物品，占地面積小，存儲(chǔ)容量大，設(shè)計(jì)成本低，操作控制簡(jiǎn)單。

與同類設(shè)計(jì)方案相比，本系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于：

(1) 在對(duì)立體自行車(chē)停車(chē)庫(kù)方案做了一些改動(dòng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了本系統(tǒng)的倉(cāng)庫(kù)。同時(shí)，倉(cāng)庫(kù)對(duì)于外界的接口是一個(gè)串行通信總線，這樣的設(shè)計(jì)便于模塊化生產(chǎn)。

(2) 系統(tǒng)的主板控制器是一個(gè)嵌入式系統(tǒng)控制板，對(duì)外保留了一些必要的接口，便于系統(tǒng)的擴(kuò)展。如保留了攝像頭接口，用于無(wú)人值守時(shí)的監(jiān)控和拍照。

(3) 網(wǎng)絡(luò)連接可以采用多種形式，既可以采用有線的網(wǎng)絡(luò)連接，也可以采用無(wú)線的。

(4) 選用了帶有觸摸屏和虛擬鍵盤(pán)的液晶顯示屏，簡(jiǎn)化了電路，降低了生產(chǎn)成本。

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Design of Controlling System of Public Item Circulation Platform Based on Network and Embedded System

ZHOU Jin-zhi, YANG Ming

(Electronics and Information Engineering Department， Bozhou University, Bozhou, Anhui 236800, China)

Abstract:For the circulation of common environmental public items such as shopping baskets, bicycles etc., we design a circulation platform with network architecture of public items, which consists of two parts, circulation terminal and service center. Circulation terminal uses embedded ARM chip S3C2410A as the mainboard chip, the process of developing and testing uses the development system Embest EDUKIT-III as experiment plate and developing plate, the warehouse is designed unique. Up till now, the platform is successfully used in bicycle rental system.

Key words:network communication, embedded system, public items, circulation terminal

文章編號(hào)：1007-4260(2016)01-0058-05

中圖分類號(hào)：TN02

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2016.01.016

作者簡(jiǎn)介：周金芝，女，安徽碭山人，碩士，亳州學(xué)院電子與信息工程系講師，主要研究方向?yàn)閿?shù)字圖像處理與模式識(shí)別。E-mail:395044919@qq.com通訊作者：楊明，男，安徽淮北人，在讀博士生，亳州學(xué)院電子與信息工程系副教授，主要研究方向?yàn)榍度胧郊夹g(shù)、微波技術(shù)。E-mail: ahyangming2000@163.com

基金項(xiàng)目：亳州市創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)領(lǐng)軍人才科研團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目。

*收稿日期：2015-05-27

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-03-15 17:05網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20160315.1705.016.html