潘雄波，黃繼偉，謝潔杰

(1．福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院 福建省集成電路設(shè)計(jì)中心，福州350003；2.福建星網(wǎng)銳捷網(wǎng)絡(luò)有限公司)

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Cortex-A8的自動(dòng)存取件冷藏快遞柜系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

潘雄波1，黃繼偉1，謝潔杰2

(1．福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院 福建省集成電路設(shè)計(jì)中心，福州350003；2.福建星網(wǎng)銳捷網(wǎng)絡(luò)有限公司)

摘要:針對(duì)傳統(tǒng)冷藏物流配送中存在的局限性問題，設(shè)計(jì)了一種基于Cortex-A8的冷藏快遞柜系統(tǒng)。快遞柜終端以S5PV210為主控制器核心，搭載Android系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)冷藏柜模塊和視頻采集模塊，實(shí)現(xiàn)自助存取件功能。服務(wù)器軟件采用多線程中的線程池設(shè)計(jì)，提高了服務(wù)器處理大容量數(shù)據(jù)的效率，實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測和GSM短信發(fā)送。該系統(tǒng)具有操控簡便、安全性高、運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)，在未來冷藏物流配送中有很好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞:S5PV210；Android；線程池；溫度監(jiān)測

引言

人們消費(fèi)水平的提高帶動(dòng)了電商行業(yè)和快遞行業(yè)的興起，冷藏物流作為一個(gè)新興的行業(yè)走進(jìn)人們的生活當(dāng)中。雖然大多數(shù)的物流公司對(duì)于冷藏品的運(yùn)輸皆能提供行之有效的保障措施，但當(dāng)冷藏品到達(dá)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(xiàn)如今冷藏物流的配送常常會(huì)遇到物品囤積、配送脫節(jié)以及設(shè)備故障導(dǎo)致生鮮腐爛等狀況[1]，而目前傳統(tǒng)的冷藏快遞業(yè)務(wù)大多還是采用人工發(fā)送信息提醒的方式進(jìn)行配送，操作過程繁瑣、低效、容易出錯(cuò)。

針對(duì)以上問題，設(shè)計(jì)出一種基于Cortex-A8的冷藏快遞柜系統(tǒng)，該系統(tǒng)分別從冷藏柜終端和服務(wù)器軟件兩部分入手，實(shí)現(xiàn)了對(duì)快遞柜溫度的監(jiān)測、快遞信息錄入、短信自動(dòng)發(fā)送、取件驗(yàn)證和視頻監(jiān)控功能。

1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由冷藏柜終端和后臺(tái)服務(wù)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(tái)進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，并提供人性化的交互界面?？爝f員需要寄件時(shí)，首先進(jìn)行身份驗(yàn)證進(jìn)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(hào)，然后將快件存入系統(tǒng)自動(dòng)提供的寄存柜中，快件信息通過以太網(wǎng)傳輸并存儲(chǔ)在服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中，之后服務(wù)器根據(jù)快件信息驅(qū)動(dòng)GSM模塊發(fā)送短信到指定手機(jī)號(hào)碼，并完成與快遞公司云服務(wù)器的信息同步。

取件時(shí)，客戶通過人性化的界面輸入短信驗(yàn)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(wù)器保存。當(dāng)柜體較多時(shí)，需要額外增加若干副柜，針對(duì)傳統(tǒng)布線、安裝等問題，副柜與主柜的通信采用無線傳輸方式實(shí)現(xiàn)多路溫度數(shù)據(jù)的傳輸和顯示。

后臺(tái)服務(wù)器以PC機(jī)為核心，通過因特網(wǎng)連接物流公司的云服務(wù)器獲取所有包裹的信息，服務(wù)器與冷藏快遞柜終端的連接通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，接收來自終端發(fā)送的數(shù)據(jù)請(qǐng)求并驗(yàn)證。數(shù)據(jù)處理完成后，服務(wù)器通過執(zhí)行AT指令驅(qū)動(dòng)GSM模塊發(fā)送短信息[2]，客戶憑短信中的驗(yàn)證碼進(jìn)行快件的隨時(shí)自取。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)框圖

2系統(tǒng)終端設(shè)計(jì)

系統(tǒng)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(wǎng)卡與輸入/輸出設(shè)備，采用UART串口方式連接冷藏柜模塊和條形碼掃描器，同時(shí)通過USB總線與視頻監(jiān)控設(shè)備相連接。圖2為系統(tǒng)終端設(shè)計(jì)框架。

圖2　系統(tǒng)終端設(shè)計(jì)框架圖

系統(tǒng)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(nèi)核，基于32位RISC(精簡指令集計(jì)算機(jī))，具有32/64位內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)，處理速度最高可達(dá)1 GHz[3]。CPU內(nèi)部具有的一、二級(jí)數(shù)據(jù)/指令緩存分別為16/32 KB和512 KB，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)2 000 DMIPS的運(yùn)算能力，同時(shí)內(nèi)部集成的MFC視頻編解碼器支持實(shí)現(xiàn)H.264的編解碼工作。此外該處理器采用了NEON指令集，此信號(hào)擴(kuò)展指令集提高了多媒體應(yīng)用的編碼效率，處理器擁有一套豐富完整的通用外設(shè)為開發(fā)提供便利。

系統(tǒng)終端所涉及硬件包括主控制器、外部RAM/ROM、網(wǎng)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(gè)模塊的數(shù)據(jù)請(qǐng)求并進(jìn)行指令的發(fā)送，通過串口API函數(shù)具體實(shí)現(xiàn)掃描快遞單號(hào)和對(duì)指定冷藏柜的操作。攝像頭采集的視頻圖像通過內(nèi)部MFC硬件編碼器進(jìn)行H.264編碼壓縮，壓縮后的視頻圖像通過以太網(wǎng)以RTP實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議發(fā)送至后臺(tái)服務(wù)器PC端，PC端完成壓縮視頻圖像的解碼和存儲(chǔ)。由于服務(wù)器與終端是以一對(duì)多的連接方式存在，這里冷藏柜終端與后臺(tái)服務(wù)器的通信采用UDP通信協(xié)議并通過Socket編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)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(duì)應(yīng)編號(hào)的柜門，通過柜門檢測電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前柜門開關(guān)狀態(tài)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(jìn)行設(shè)計(jì)，該微控制器擁有高性能的32位內(nèi)核和豐富的UART接口。設(shè)計(jì)中采用電磁式鎖頭，利用ULN2003A高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列電路驅(qū)動(dòng)電磁鎖頭，STM32微控制器接收終端指令并改變相應(yīng)I/O口的輸出電平，從而控制柜門的開關(guān)，柜門開關(guān)狀態(tài)的檢測通過對(duì)柜門上干簧管檢測器的電平狀態(tài)接收實(shí)現(xiàn)，快遞員可通過終端查看柜門開關(guān)狀態(tài)。

2.2溫度采集模塊

溫控器選用蘇州百合科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)的ZL-610-R，該溫控器采用小型化、IP65等級(jí)面板防護(hù)設(shè)計(jì)，具有體積小、重量輕的特點(diǎn)，同時(shí)自帶RS485遠(yuǎn)程通信端口，可實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)，并通過433 MHz無線收發(fā)模塊以無線傳輸方式發(fā)送至主柜Cortex-A8板，主柜控制器再通過以太網(wǎng)將溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至服務(wù)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(shù)據(jù)將在后臺(tái)服務(wù)器上以快遞的單號(hào)命名保存以便查看。由于Android系統(tǒng)是基于Linux內(nèi)核的，利用Linux下的Video4Linux2(V4L2)編程框架完成視頻數(shù)據(jù)的處理，V4L2執(zhí)行驅(qū)動(dòng)中的API函數(shù)流程為：首先調(diào)用open Video()函數(shù)打開終端系統(tǒng)下的視頻設(shè)備文件，設(shè)備采用USB接口的攝像頭；其次通過設(shè)置視頻支持的格式和屬性來完成視頻設(shè)備的初始化，并申請(qǐng)數(shù)據(jù)緩存空間，此時(shí)將內(nèi)存空間映射為用戶空間；之后向控制器發(fā)送采集信號(hào)，開始視頻幀數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)在傳輸前利用S5PV210內(nèi)部集成的多格式MFC進(jìn)行編碼；編碼結(jié)束后釋放編碼器資源，關(guān)閉編碼器和視頻設(shè)備[5]。已編碼的視頻數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)以RTP協(xié)議上傳到服務(wù)器端。

RTP是一種端對(duì)端的實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議，也可提供多目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，RTP程序運(yùn)行在UDP之上，采集到的視頻數(shù)據(jù)塊先被封裝在RTP包中，每個(gè)RTP包又被嵌入到UDP消息塊里，然后封裝在IP數(shù)據(jù)包中傳輸。服務(wù)器采用一對(duì)多的接收方式接收多個(gè)視頻采集終端的視頻數(shù)據(jù)，為了區(qū)別來自不同地址設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，通過設(shè)置RTP信息包中的SSRC(同步信源標(biāo)識(shí)符)來區(qū)分終端的設(shè)備地址，這里的SSRC并不是指終端設(shè)備的IP地址，而是系統(tǒng)為新信息包包頭分配的一個(gè)隨機(jī)碼，服務(wù)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(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)、視頻數(shù)據(jù)接收與存儲(chǔ)設(shè)計(jì)。

3.1服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)

圖6　服務(wù)器端軟件設(shè)計(jì)框架圖

服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)涉及多線程處理，利用線程池技術(shù)優(yōu)化其性能，圖6為服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)框架圖?！翱蛻舳藬?shù)據(jù)發(fā)送/接收線程”作為終端與服務(wù)器間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的重要通道，采用TCP傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)連接。服務(wù)器實(shí)現(xiàn)與多個(gè)終端的連接和數(shù)據(jù)交換，與快遞公司云服務(wù)器的同步，并將包裹信息保存至SQLite3數(shù)據(jù)庫中。

服務(wù)器啟動(dòng)時(shí)，同時(shí)創(chuàng)建了GSM通信線程、SQLite3數(shù)據(jù)庫、溫度監(jiān)測線程和視頻接收線程?！肮ぷ骶€程”處理任務(wù)的調(diào)度時(shí)，首先接收使用者提交的“待接收任務(wù)”獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)包，包括數(shù)據(jù)庫的查詢和修改、溫度信息查詢、短信發(fā)送以及視頻圖像接收[6]。經(jīng)過解析處理后的數(shù)據(jù)包被“工作線程”放入“待發(fā)送任務(wù)隊(duì)列”，等待終端響應(yīng)請(qǐng)求。例如圖中的“GSM通信線程”，系統(tǒng)從“GSM待發(fā)送任務(wù)隊(duì)列”中獲取快件的電話號(hào)碼和驗(yàn)證碼等信息，信息中包含漢字需要轉(zhuǎn)換成PDU碼，然后服務(wù)器發(fā)送AT指令驅(qū)動(dòng)GSM模塊，實(shí)現(xiàn)短信發(fā)送。

3.2視頻數(shù)據(jù)接收與存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

通過硬件編碼器MFC編碼的H.264格式壓縮視頻交付給服務(wù)器處理時(shí)，服務(wù)器需要對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行重新解壓并存儲(chǔ)，系統(tǒng)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(chǔ)流程圖

FFmpeg作為一套可用于視頻編解碼以及格式轉(zhuǎn)換的開源庫，起先用于對(duì)Linux系統(tǒng)的支持，隨后實(shí)現(xiàn)了在Windows、Mac OS X等平臺(tái)中編譯運(yùn)行，在視頻編解碼發(fā)面支持H.264格式視頻[7]。服務(wù)器接收不同地址終端的RTP包時(shí)，先提取RTP包中的SSRC，獲取相對(duì)應(yīng)的快件單號(hào)，然后通過FFmpeg庫中的avcodec_decode_video2()函數(shù)解壓RTP包，再將得到的視頻數(shù)據(jù)幀保存在AVFrame()結(jié)構(gòu)體中，視頻采用FLV格式存儲(chǔ)。圖7為視頻數(shù)據(jù)解碼與存儲(chǔ)流程圖。

結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了基于ARM Cortex-A8的冷藏快遞柜系統(tǒng)，完成快遞柜終端模塊、溫度監(jiān)測模塊、視頻傳輸模塊和服務(wù)器端的設(shè)計(jì)與聯(lián)調(diào)。圖8為用戶測試界面圖。

圖8　用戶測試界面圖

通過反復(fù)測試，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了快件的收件和取件、快遞柜溫度監(jiān)測和視頻監(jiān)控功能。該系統(tǒng)具有人性化的用戶操作界面和簡易方便的業(yè)務(wù)流程，在冷藏快遞物流行業(yè)中擁有廣闊的應(yīng)用前景。

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潘雄波(碩士研究生)，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)應(yīng)用；黃繼偉(副教授)，主要研究方向?yàn)樯漕l模擬集成電路設(shè)計(jì)；謝潔杰(軟件工程師)，主要從事嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)工作。

圖2　數(shù)字音符實(shí)時(shí)顯示實(shí)物圖

圖3　測試結(jié)果顯示圖

結(jié)語

本次設(shè)計(jì)在國內(nèi)音符實(shí)時(shí)顯示方面取得了突破(查詢了萬方、維普中文等主要中文數(shù)據(jù)庫均未收錄相似內(nèi)容，市場上沒有相關(guān)產(chǎn)品)。后期設(shè)計(jì)將會(huì)選擇更適合語音處理的DSP開發(fā)平臺(tái)代替Arduino開發(fā)板，對(duì)程序算法進(jìn)一步改進(jìn)完善，增加可以在屏幕上顯示連音線、重音記號(hào)等功能，最終可以批量生產(chǎn)，利于音樂的大眾化推廣與傳播。

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郭之亨(碩士研究生)，主要研究方向?yàn)殡娐放c系統(tǒng)(設(shè)計(jì)自動(dòng)化);李良榮(教授)，主要研究方向?yàn)殡娐放c系統(tǒng)、電磁場與微波技術(shù)。

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(zé)任編輯：楊迪娜2015-10-18) (責(zé)任編輯：楊迪娜2015-09-21)

中圖分類號(hào):TP368

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

* 基金項(xiàng)目：福建省科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2014H0026)。