基于安卓的智能储物柜控制平台设计

魏天骐，罗庆生，王 勇，糜相行

（1.北京理工大学机电学院，北京 100081；2.北京理工大学软件学院，北京 100081）

0 引言

对中小户型住宅而言，提高空间利用率是使其具有较高舒适性的关键[1]。在家庭、超市和办公室等场合，传统的储物方式多以利用地面附近空间、人工取放的方式进行，高处空间利用率低下。在通过利用室内高处空间、提高物品摆放密度等方法，提高物品的利用率的同时也会对整套储物系统的易用性、自动化程度提出更高的要求。

在物品管理方面，物品以往多通过人脑或者书面记录的方法进行记录。在物品种类繁多或需要准确管理的情况下，这种方式效率低下，可靠性较差，需要较多的人工成本。针对这些问题，利用智能家居和家具机电一体化的理念[2-3]，采用机电一体化和自动仓库相关技术[4-5]，设计了一套室内高处空间物品存放系统和物品管理系统。

1 系统所依托的机械结构和运动

物品存放和管理系统如图1所示。物品管理系统可控制多组储物系统；室内高处空间物品存放系统作为一组储物系统接受控制。两系统配合完成物品的自动存取和智能管理。

图1 物品存放和管理系统

整个系统的控制系统分为两层，上层即物品管理系统，下层是物品存放系统的嵌入式系统。

机械结构的主要组成如下：

a.固定在室内高处的柜体，其内部设有多个用来存放物品的模块化单元（下简称储物箱）。

b.柜体正面安装有可以横向移动的运输单元，运输单元由钢丝绳牵引进行移动。

c.运输单元上装有货叉机构，完成储物单元的选择及取放动作。

d.柜体一端安装有用来使储物单元上下运动的升降平台，通过卷扬机带动。

2 控制系统功能要求

控制系统应具备的功能如下：

a.精确控制多台电机的运动，协调完成物品取放的功能。

b.使用人员通过触摸屏点选需要的物品后，控制系统根据内部数据库，自动完成物品位置的判断和机械的控制。

c.通过条形码或二维码识别物品，联网获取物品信息。

d.能通过手机以无线的方式对系统进行物品查找、登记、取出和获取信息等功能。

3 控制系统结构

控制系统结构如图2所示。操作者可通过安卓平台或者手机对系统进行控制，安卓平台作为上位机完成人机交互、远程控制、筛选策略、物品识别和信息下载等功能，当上位机完成物品的筛选和定位后，将位置编号指令通过串口发送给下位机；下位机接收后，据此查询内部数据，获得目标位置，进行运动的规划，再将运动的规划转化成电机驱动控制信号，控制机构完成物品的取放。当使用手机进行操作时，手机通过蓝牙与安卓平台进行通讯，同步信息，在提供便捷性的同时可完成与安卓平台相同的操作。控制过程中的信息流如图3所示。

3.1 通讯协议

设计中，考虑到系统的一致性和程序流程简洁，避免不必要的转换，设定了统一的应用层通讯协议。

3.2 上层控制平台的实现

3.2.1 平台功能

a.物品信息扫描录入。用户在使用本系统存储物品时，可通过扫描二维码，快速录入物品的信息，如物品的名称、照片、生产日期、保质期和物品分类等，平台功能可节省用户手动输入物品信息的时间。

平台功能的操作流程是：在初次进行某件物品存储时，用户需要手动输入物品信息，系统会帮用户生成并打印出二维码标签，用户将二维码标签粘贴于物品上；之后进行物品信息存储时，用户只需通过手机或平板电脑的摄像头扫描此二维码标签，系统将快速从中读取包括物品照片、生产日期、保质期、物品分类和物品名称等信息。

当用户完成录入后，系统会根据物品信息自动分类，并显示相关信息。系统还提供了用户管理、物品查找和物品搜索等功能。为便于用户使用安卓系统与移动终端使用相同的界面。

b.无线控制。用户可以手机、平板电脑等移动设备端，无线近程控制机械与动力装置完成物品的存取。此功能可使用户在家里的大部分地方都能无线控制此储物系统。

3.2.2 实现方式

a.物品信息扫描录入。①条形码和二维码[6]，综合考虑成本、实用性、技术成熟成熟程度，选用条形码和二维码作为物品识别的媒介。当物品上具有条形码时，通过扫描条形码，联网搜索获得物品信息，自动填入，由用户补充。当物品上没有条形码时，由用户录入信息，并打印二维码，粘贴到物品上。由于二维码包含的信息量大，用户录入的信息可以部分存入，便于在多个系统之间转移，避免重复输入。②二维码图片的生成[7]，系统支持 QR Code、PDF417两种二维码编码方式，利用安卓平台提供的图片处理接口Bitmap，将物品的各类信息以JSON（Java script object notation）的格式编码成一个字符串，然后将字符串转换成黑白点阵，最后转化为相应的二维码图片。③二维码的识别[7]，系统利用手机或平板电脑自带的摄像头，拍摄物体上的二维码标签，对其多帧图片，分析其中的黑白点阵排列，判定其编码格式（QR Code或PDF417），然后利用此编码格式的编码规则，对其进行解码，得到字符串，然后利用java语言提供的JSON格式串处理接口JSONObject与JSONParser，从中提取物品的各类信息。图4为二维码识别的流程。

图4 识别二维码的流程

b.无线控制。移动客户端与安卓固定平台之间的无线通信—蓝牙通信[8-10]，系统利用设计好的通信协议，使用安卓平台提供的蓝牙通信接口Bluetooth Adapter、Bluetooth Device，实现蓝牙模块的开启关闭、蓝牙设备的扫描和蓝牙设备的配对；利用Bluetooth Server Socket与Bluetooth Socket接口，实现全双工的蓝牙通信。

对于安卓系统，蓝牙通信无需了解具体协议，通讯的建立只需通过调用接口，完成启动流程。安卓固定平台与单片机之间的串口通信，安卓操作系统本身并不提供串口通信功能，系统通过编写安卓串口驱动，实现安卓的串口通信功能，利用驱动中提供的串口通信接口Hardware Controller，实现与单片机的串口通信。

3.3 下层控制的实现

3.3.1 功能

通过主控芯片与上层控制平台之间的协调通讯，控制机械系统完成规定动作流程，实现对物品数据库数据与实际物品所在空间位置的同步[11]。

涉及到如下部分功能模块：上位机通讯模块、频率可调步进电机控制脉冲的生成模块、位置检测模块、多步进电机控制顺序的组织与协调以及运行状态指示模块。

3.3.2 实现方式

a.电路结构。下层控制系统硬件结构如图5所示，下层主控制器芯片AT89S52单片机，它具有8K字节程序存储空间，256字节数据存储空间，没有内带EEPROM存储空间，而STC89C52RC单片机具有8K字节程序存储空间，512字节数据存储空间，内带4K字节EEPROM存储空间，可直接使用串口下载。通讯模块采用MAX232芯片。单片机及外围芯片供电使用LM2596开关电压调节器。

图5 下层控制系统硬件结构

b.主要程序流程。下层控制系统程序流程如图6所示。整个结构为自然顺序的循环，完成上位机的一个存或者取的任务。上位机先取出所需用来存放的储物盒，然后用户将所要存放东西放入取来的储物盒之中。之后向单片机发出信号，单片机控制储物盒上升到储物柜之中，然后将装有所存放东西的储物盒返回之前的位置之中，完成存放。而取的过程同样按照存放任务的循环，将所需的储物盒取出，然后再放回的顺序，完成取出物品的循环。

图6 下层控制系统程序流程

c.串口通讯协议。整个运动过程中与上位机的通讯并不频繁，通讯仅在进行任务分配时进行，也即是在每次动作循环前后进行数据传输与确认。电路采用12MHz晶体振荡器，为保证通讯之间的精度，减少误码的发生，所以采用最高2 400波特率，保证与上位机之间通讯不会出现信号丢失现象，并且在软件系统中进行通讯校验的步骤，如CRC32即循环冗余校验检测[12]。串口通讯协议对照表见表1。

d.步进电机控制程序设计。采用步进电机驱动器时，步进电机的基本控制方法为产生一个脉冲信号时，步进电机向规定方向产生一个转角θ，当送入一系列脉宽可调的连续脉冲信号时，步进电机产生相应的旋转速度，步进电机的细分次数将通过步进电机的驱动器来调节，需要通过分别对每个步进电机工作速度与效率进行评估后进行选择。

脉冲产生方法分为两种，一种是通过延时函数来产生，但这种方法的缺点是产生的脉冲不精确，并且浪费了大量的控制器计算时间；另二种是通过定时器中断来产生脉冲，这样的方法产生的脉冲较准确，但需要利用一个定时器来控制，设计采用这种方案。但这样就有一个问题，主控制芯片的定时器资源比较紧张，串口通信需要占用3个定时器的其中之一，因此，步进电机控制需要充分利用STC89C52RC剩余的2个定时器中断，需要避开同时对多个步进电机的同时操作，分别在不同时段对步进电机进行操作，克服主控制器定时器的缺乏。

通过速度参数计算产生相应定时器初值，当脉冲计数参数到达指定次数时进行定时器处置的重装。加速运动时，重装脉冲计数间隔逐渐增加，因此，使速度产生间隔变化。减速过程与加速过程相反，重装间隔脉冲逐渐减少，产生相应的减速运动。

步进电机可采用开环控制，但由于绳传动时会产生微小误差，因此，需要进行位置矫正。具体方法：通过为每个电机位置相应的全局变量进行记录，每次电机运行达到规定次数时，进行减速及停止的操作。当进行完一个存取的工作循环时，每个存取箱进行归位。归位时检测相应位置行程开关的状态，当到达初始状态时，进行相应变量的重置。最终通过各相关动作产生所需的存放及取用动作。

4 结束语

将智能家居的理念与自动化仓库的理念相结合，讨论了基于安卓平台的智能储物柜控制系统，包括系统结构、硬件组成、软件设计和通讯协议。经测试，系统运行稳定，操作方便，界面友好，达到了预期的效果。系统使得自动储物柜更加人性化，易于操作。物品管理的功能有助于对物品进行查找、分类、管理和统计。

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