基于藏文物联网技术物流管理系统的设计与实现

普 顿， 蒋 林， 刘严亮， 索朗边巴， 肖 伟

（1.西藏大学 教务处，西藏 拉萨 850000；2.西藏大学 工学院电子信息系，西藏 拉萨 850000）

中国物流行业起步较晚，随着国民经济的飞速发展，物流业的市场需求持续扩大。进入21世纪以来，在国家继续加强和改善宏观调控政策的影响下，中国物流行业保持较快增长速度，物流体系不断完善，行业运行日益成熟和规范。目前国内外的物联网技术[1-2]已经有了一定的成果，技术相对比较成熟，但是，结合藏文信息和物联网技术的物流系统很少受到关注。一方面，是由于其市场受到较大的限制，企业的观注度自然下降；另一方面，藏文物联网技术目前还处于萌芽状态，投入这方面的项目和资金也很少。这就导致在西藏地区物流公司的信息化建设发展缓慢，使用人力进行货物的清点和接收仍然是主要的运作方式，极大地浪费了人力资源。

本系统把藏文信息技术和当今最前沿的物联网技术结合起来，为西藏物流系统的信息化和自动化提供了解决方案。同时采用MSP430F2101作为主控芯片，应用nRF24L01作为无线射频芯片[3]，其有效距离为10 m，物流中心的货物都标识上唯一的货物ID，ID号中包含物品的发送公司，其负责人的联系方式；货物接收公司，其负责人的联系方式；负责托运公司信息、联系方式；物品运输的注意事项等内容，该系统融合了藏文信息技术和物联网技术，上位机采用藏汉双语界面，能够全自动实现物品的入库和出库管理，极大地节省了人力成本。

1 系统硬件设计

1.1 硬件整体设计

根据本系统各功能的需求，其硬件框图主要由MSP430主控芯片、摄像头模组、nRF24L01无线收发模块、天线模块、系统上位机（物流管理系统）及物联网数据库组成。本设计所选用的主控芯片是MSP430F2101，它是一种16位超低功耗的混合信号处理器，在活跃模式下最大电流为350 μA，RAM数据保持方式下耗电仅0.1 μA；摄像头模组主要用于监控整个物流中心货物的进出情况；nRF24L01无线接收模块主要用于发射和接收射频信号，进行识别货物的ID号。物联网数据库主要是作为本系统的相关信息的存储单元，将每个ID号相对应的具体信息都存储在内，再通过联网，就能实现异地查询货物的相关信息；天线模组主要是收发信号时所用；系统上位机主要是利用一台安装有SQL server2005、VB软件及该物流管理系统的PC机组成；其硬件整体框图如图1所示。

图1 硬件整体框图Fig.1 Block diagram of overall hardware

本系统硬件主要由nRF24L01模块和控制单片机MSP430构成。nRF24L01模块与单片机的SPI总线直接相连，在简化接口设计的同时也提高了系统的可靠度。nRF24L01无线射频芯片具有高达2 Mb/s的传输速度；内置CRC校验和出错重传机制；以及在2 Mb/s速度下接收电流为12.3 mA，0 dBm发送电流为11.3 mA的低功耗等特点。

上位机通过串口将数据和参数传送给发射端/接收端的控制单片机。发射端在脉冲输入的上升沿将数据发射出去，其发射原理框图如图2所示；接收端接收到数据时利用中断提醒接收端单片机进行数据接收，解码正确后进行脉冲输出和数据传送。对接收端脉冲输出信号与发射端的脉冲输入信号进行时间延时测量，便可获得同步信号无线传输的时延值。

图2 无线发射的系统框图Fig.2 Block diagram of wireless transmitter system

1.2 硬件电路原理图

1.2.1 nRF24L01硬件电路原理图

1）nRF24L01的性能及应用电路

nRF24L01是一款新型单片射频收发器件，工作于2.4～2.5 GHz ISM频段，工作电压1.9～3.6 V。可通过SPI写入数据，最高可达10 Mbit/s，数据传输速率最快可达2 Mbit/s，并且具有自动应答和自动再发射功能。芯片融进了增强式ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。 其应用原理结构图[4]如图3所示。

该芯片功耗低，－6 dBm功率发射时，工作电流9 mA，接收时工作电流只有12.3 mA，可选择的掉电模式和空闲模式使其应用设计更为方便。nRF24L01功耗低，在以－6 dBm的功率发射时，工作电流也只有9 mA；接收时工作电流只有12.3 mA，多种低功率工作模式（掉电模式和空闲模式）使节能设计更方便。模块中nRF24L01和 MSP430通过MOSI、MISO和SCK组成SPI接口，单片机接32.768 kHz的低频晶振工作，nRF24L01外接晶振为16 MHz，由低速的单片机控制高速收发的射频芯片，内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。

nRF24L01模块与单片机的SPI总线直接相连，该模块主要由发射端和接收端两个模块组成，每个模块只可进行单向数据的高速传输和控制，该系统包涵2个无线高速多频道，通过控制字实现不同的功能（发送和接收），用户还可以更改源程序进行多频无线通讯。

图3 nRF24L01模块原理图Fig.3 Block diagram of nRF24L01

SPI口为同步串行通信接口，最大传输速率为10 Mb/s，传输时先传送低位字节，再传送高位字节。但针对单个字节而言，要先送高位再送低位。与SPI相关的指令共有8个，使用时这些控制指令由nRF24L01的MOSI输入。相应的状态和数据信息是从MISO输出给MCU。 nRF24L0l所有的配置字都由配置寄存器定义，这些配置寄存器可通过SPI口访问。nRF24L01的配置寄存器共有25个，常用的配置寄存器如表1所示。

表1 寄存器配置表Tab.1 Register configuration table

2）nRF24L01的引脚功能及工作模式

nRF24L01各引脚功能如表2所示。

通过配置寄存器可将nRF241L01配置为发射、接收、空闲及掉电4种工作模式，如表3所示：

待机模式1主要用于降低电流损耗，在该模式下晶体振荡器仍然是工作的；

表2 nRF24L01引脚功能表Tab.2 nRF24L01 pin menu

表3 nRF24L01的工作模式表Tab.3 nRF24L01 operating mode table

待机模式2则是在当FIFO寄存器为空且CE=1时进入此没收；

待机模式下，所有配置字仍然保留。

在掉电模式下电流损耗最小，同时nRF24L01也不工作，但其所有配置寄存器的值仍然保留。

1.2.2 MSP430F2101芯片电路原理图

本物流管理系统采用MSP430F2101芯片作为主控芯片，该芯片具有超低功耗的优点:活动模式 280 μA，1 MHz，2.2 V；待机模式1.1 μA；掉电模式（RAM 数据保持）0.1 μA。 并且有12位A/D转换器，带有内部参考源、采样保持、自动扫描特性等。串行通信时可软件选择UART/SPI模式，驱动液晶能力最多可达160段。

MSP430F2101芯片的CPU集成了16个寄存器，极大地缩短了指令执行周期，寄存器到寄存器的指令只需一个机器周期。其中R0～R3寄存器有特殊用途，分别用作程序计数器、堆栈指针、状态寄存器和常数发生器。其他寄存器可作为通用寄存器使用，外围模块通过数据，地址和控制总线与CPU相连，CPU通过操作指令可以方便对它们进行控制。其内部结构框图如图4所示。

图4 MSP430F2101的内部结构框图Fig.4 MSP430F2101 block diagram of the internal structure

主控板MSP430F2101主要由：基本时钟模块结构（内部频率高达16 MHz，外部32 kHz晶振，外部16 MHz高频晶振，外部时钟信号），带3个捕获/比较寄存器的16位定时器Timer_A，片内比较器，用于模拟信号比较或作斜边A/D转换，具有Bootstrap程序装载器，1 kB＋256B Flash存储器128 B RAM。

MSP430有一个活动模式和5个可软件设置的低功耗模式.中断事件可把系统从任何低功耗模式唤醒，并且在执行完中断服务例程后可返回到中断前的工作状态。

MSP430支持如下6种运行模式，可软件设置：

2 系统软件设计

本系统的最终用户为全国各地物流公司，同时为了在少数民族地区得于大面积推广，还采用了藏汉双语界面，使少数民族地区的物流公司更加的方便，为了推动物流行业的发展及智能化，设计了基于藏文物联网的物流管理系统，主要用于西藏地区的物流中心，为了更好的服务于西藏人民、为了在西藏地区得到更进一步的应用推广，本项目设计了藏汉双语的界面，方便其操作。

本项目基于RFID技术[5]，设计了基于藏文[6]物联网技术的物流系统解决方案，该方案可以用于物流中心的货物收发及信息的存储、查询等功能。本项目可用于那曲物流中心进行物品收发的管理，具有方便快捷，效率高的特点，上位机采用藏文、汉文界面，方便用户操作。

2.1 主程序流程框图

主程序是一个封闭的循环，登陆工程主界面后，通过界面及各种芯片的初始化后，接收货物的ID号，更新数据库，实现货物统计的功能。本设计以MSP430为主控板、以nRF24L01为核心构建无线收发模块，单片机MSP430与nRF24L01收发模块通过SPI总线通信；单片机MSP430与PC机端主要以UART协议进行串口通信，串行通信选择UART/SPI模式，驱动液晶能力最多可达160段，其串口速率设定为“9 600，8，N，1”。 其主程序流程框图如图5所示。

图5 主程序流程框图Fig.5 Flow chart of main program

2.2 主界面程序设计

本系统利用VB语言[7]作出主程序界面，实现视频监控、拍照、接收货物的ID号并调用后台数据库显示货物相关信息及其图片。界面对象中包含若干控件如命令按钮、文本框及相关控件实现信息显示及相关功能。数据库是一种存储数据并对数据进行操作的工具，数据库的作用在于组织和表达信息。计算机的数据库可以分为两类：非关系数据库（flat-file）和关系数据库（relational）。关系数据库中包含了多个数据表的信息，数据库含有各个不同部分的术语，象记录、域等。 利用关系数据库存储货物的相关信息，该数据库实现物联网系统联网且可以实现添加、查询、编辑、删除记录及更新的功能。这几种操作均可由Visual Basic创建的程序来完成。

2.3 无线收发程序设计

发射数据时，首先将nRF24L01配置为发射模式：接着把接收节点地址TX_ADDR和有效数据TX_PLD按照时序由SPI口写入nRF24L01缓存区，TX_PLD必须在CSN为低时连续写入，而TX_ADDR在发射时写入一次即可，然后CE置为高电平并保持至少 10 μs，延迟 130 μs后发射数据；若自动应答开启，那么nRF24L01在发射数据后立即进入接收模式，接收应答信号 （自动应答接收地址应该与接收节点地址TX_ADDR一致）。如果收到应答，则认为此次通信成功，TX_DS置高，同时TX_PLD从TX FIFO中清除；若未收到应答，则自动重新发射该数据（自动重发已开启），若重发次数（ARC）达到上限，MAX_RT置高，TX FIFO中数据保留以便在次重发；MAX_RT或TX_DS置高时，使IRQ变低，产生中断，通知MCU。最后发射成功时，若CE为低则nRF24L01进入空闲模式1；若发送堆栈中有数据且CE为高，则进入下一次发射；若发送堆栈中无数据且CE为高，则进入空闲模式2。其发射程序流程图如图6所示。

图6 无线发射程序流程图Fig.6 Flow chart of wireless transmitter

接收数据时，首先将nRF24L01配置为接收模式，接着延迟130 μs进入接收状态等待数据的到来。当接收方检测到有效的地址和CRC时，就将数据包存储在RX FIFO中，同时中断标志位RX_DR置高，IRQ变低，产生中断，通知MCU去取数据。若此时自动应答开启，接收方则同时进入发射状态回传应答信号。最后接收成功时，若CE变低，则nRF24L01进入空闲模式1。

3 系统整体测试效果

用户登陆界面如图7所示。经过实际测试，本项目的主界面友好，操作简便，而且本藏文物流系统的相关控件、菜单功能正常。测试显示数据库连接正常，能够方便快捷的调用货物的相关信息。无线发射模块通过天线发射射频信号功能良好，在12 m以内其接收模块能够无差错的接收货物ID号及相关信息，并能更新数据库信息。收发功能及界面操作良好，接收模块收到相关信息后，整合处理交PC机处理并更新数据库，而且数据库能够达到联网的效果。总之，能实现基本功能且操作简便。

图7 用户登陆界面Fig.7 User login screen

使用者要通过正确登陆用户界面才能进入该藏文物流系统，该界面是用藏汉双语制作的，方便少数民族地区的物流公司使用，其主要保证物流公司及用户的安全性，当密码被盗或出现其他异常时可以修改其密码。

工程主界面展示图如图8所示。

工程的主界面包含藏汉双语，便于藏族地区的物流中心使用。图8所示的工程主界面主要实现该系统的基本操作，使功能的实现更加容易，通过上图可以看出该系统能够显示进出货物的ID号、货物的发送公司、发送负责人及个公司的联系方式等货物的相关信息，并能更新物联网数据库。

图8 工程的主界面效果图Fig.8 Main interface rendering works

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