仓储物联网数据采集终端的设计
2014-03-07 14:01张源伟闫俊雷军黄恒一
物联网技术 2014年2期
张源伟+闫俊+雷军+黄恒一
摘 要：介绍了一种以S5PC100为硬件平台和嵌入式Linux为软件平台的仓储物联网数据采集终端的设计方案。该终端以基于Cortex-M0 内核的LPC11C14芯片为主控制单元，通过仓储环境信息采集模块将采集到的信息上传给控制设备，并对控制设备发出的指令进行及时响应。此方案还集合了RFID技术和ZigBee技术的优势，为物联网技术提供了一种有效的解决方案，在现代仓储管理中具有明显的优势。
关键词：LPC11C14；RFID；ZigBee；环境信息采集；信息上传
中图分类号：TN915 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2014）02-0032-02
0 引 言
传统的仓库管理，一般依赖于一个非自动化的、以纸张文件为基础的系统，完全由人工实施仓库内部的管理，因此仓库管理的效率极其低下[1]。基于此，本文利用目前主要的物联网技术，全方位考虑仓储管理研究范围，以技术集成和运用范围扩展为出发点，设计智能物联网仓储管理系统。我们利用Linux操作系统，ZigBee和RFID技术搭建仓库智能管理系统，该系统能够增强库房作业的准确性和快捷性、减少整个仓库物资出入库中由于管理不到位造成的非法出入库、误置、偷窃和库存、出货错误等损失，并最大限度地减少储存成本和保障了仓库物资的安全。
1 终端总体设计
本设计终端采用的Cortex-M0平台终端整体方案如图1所示。
图1 Cortex-M0终端整体方案
此平台处理器是市场上现有的尺寸最小、 能耗最低、最节能的ARM处理器[2]。该终端负责对当前环境信息进行采集，初步对数据进行处理打包并通过无线通信设备ZigBee发送给S5PC100为核心的Cortex-A8端，Cortex-A8服务器对数据二次处理后给M0终端发送指令并实时响应各种操作。仓库管理系统的相关信息主要包括温湿度、光感度、三轴加速度、风扇、蜂鸣器、LED灯、数码管显示、M0终端液晶屏显示以及进出库的商品刷卡信息。
2 终端硬件设计
2.1 数据采集端硬件设计
该仓储物联网采集终端采用的是LPC11C14主控芯片，它是ARM Cortex-M0系列低功耗、低成本的32位处理器。最高主频可以工作到50 MHz，片上内部拥有32 KB FLASH和8 KB的RAM，并且内置多个UART接口，分别用于RFID读卡模块连接和ZigBee的通信。无论在处理数据的速度上还是在功耗上，亦或是抗干扰能力上，它完全能够胜任终端数据采集的重任。
RFID模块采用CY-14443A系列射频读写模块，它是基于ISO14443标准的非接触卡读卡机专用芯片，采用0.6微米CMOS EEPROM工艺，支持ISO14443 typeA协议，支持MIFARE标准的加密算法。RFID读卡模块通过SPI接口与M0进行连接，它的中断引脚与M0的IO口相连，在主程序中，只要判断该IO口的电平高低，即可判断是否有卡，如果有卡，则进行相应的读卡操作。
2.2 ZigBee无线通信模块硬件设计
ZigBee是近年来发展迅速的基于无线传感器网络的近距离、低功耗、低成本、低复杂度的无线通信技术[3]。ZigBee协议基于IEEE 802.15.4无线标准制定，包括应用层、网络层、安全层等，可以实现网络的自组织和自维护功能[4，5]。我们在此采用了ZICM2410无线通信模块，它是集成CPU的单片ZigBee芯片，为ZigBee网络提供一个高性能、低成本的射频收发方案。
3 终端软件设计
3.1 数据采集终端软件设计
本系统采集终端软件流程如图2所示。系统上电初始化M0终端上的各个设备包括系统定时器、GPIO口、SPI、UART、I2C等设备，然后配置系统滴答定时器，设置其终端为1 ms，进而设置中断处理函数，精确到1 s。最后将第一次采集的信息显示在M0终端的液晶屏上。
主程序进行轮询判断，在没有外部中断的情况下主要执行环境数据的采集和M0终端液晶屏的数据显示，并将数据打包发送给A8服务器。
当有外部RFID刷卡时，其他数据正常采集，RFID中断函数同时对磁卡数据进行采集和校验数据有效性，并发送给A8服务器；
当有ZigBee接收数据的中断产生时，其他数据正常采集，ZigBee接收数据的中断处理函数接收A8服务器发送过来的指令，执行不同的设备。
图2 数据采集终端软件设计流程图
3.2 ZigBee无线通信模块软件设计
3.2.1 ZigBee路由算法
ZigBee路由算法的任务是在节点和节点之间建立路由，实现可靠地数据传递。一个完整的ZigBee路由算法应包括路由方式、路由发现和路由维护等内容[7]。而ZigBee常见的路由算法有三种：AODVjr算法，Cluster-tree算法，Cluster-tree+AODVjr算法，而ZigBee网络目前采用的是第三种算法。该算法结合Cluster-tree和AODVjr 两种路由算法的优点，它把网络中的节点细分为4类， 分别是：Coordinator、RN + 、RN-、RFD。其中Coordinator、RN+、RN-都是全功能节点，但前两者具有路由发现和消息转发功能， 在转发消息时启动AODVjr算法主动查找最佳路径；RN-没有路由发现功能，在转发数据时启动Cluster-tree算法并通过自身的计算能力作出判断，将消息转发给父节点或者其中一个子节点；RFD是精简功能设备，只能充当叶子节点，即只能将消息传送给父节点， 请其转发[6]。
3.2.2 ZigBee通信模块的收发数据流程
本文设计的ZigBee无线通信模块收发数据的主要流程有：初始化各个引脚和寄存器，对功能寄存器赋值，初始化SPI752等。其流程图如图3所示。
图3 ZigBee通信模块收发数据流程
4 结 语
物联网数据采集终端是仓储物联网应用系统中极为重要的组成部分，极大地减少了仓储管理的难度，并且增强了管理系统的准确性和快捷性。本文设计了一种基于LPC11C14微控制器的采集终端，能够实现将温湿度、光感度、三轴加速度、电压信息以及进出仓库的刷卡信息通过ZigBee模块发送到Cortex-A8控制端。该终端将RFID模块和ZigBee模块结合，构成无线阅读器终端，最大化地发挥各自优势。既能完成仓库的货物盘点又可以实现仓库管理的智能化。更能够广泛地应用于智能家居、工业监控、智能电网、环境监测等物联网应用领域。随着物联网的发展，该仓储物联网数据采集终端必定有着广阔的应用前景.
参 考 文 献
[1]陈遥，吴晓波，周文.基于融合ZigBee与RFID技术的物联网仓储管理系统设计[J].中国物流，2012（3）：128-130.
[2]范云龙.Cortex-M0处理器初探[J].单片机与嵌入式系统的应用，2010（6）：78-81.
[3]詹杰，周仁龙，吴伶锡.基于ZigBee的公交自动报站系统的设计[J].湘潭师范学院学报，2007，29（4）：76-79.
[4]曹越，胡方明，党妮.ZigBee网络Cluster-Tree优化路由算法研究[J].单片机与嵌入式系统的应用，2012（10）：4-7.
[5]CUOMO F， CIPOLLONE E， ABBAGNALE A. Performance analysis of IEEE 802.15.4 wireless sensor net-works： an insight into the topology formation process [J]. Computer Networks， 2009， 53（18）： 3057-3075.
[6]郭瑞星，王庆生.ZigBee 路由算法的研究与改进[J]. 电脑开发与应用，2011（5）：32-34.
[7]周斌斌.ZigBee无线组网技术的研究[D].长沙：中南大学，2009.
摘 要：介绍了一种以S5PC100为硬件平台和嵌入式Linux为软件平台的仓储物联网数据采集终端的设计方案。该终端以基于Cortex-M0 内核的LPC11C14芯片为主控制单元，通过仓储环境信息采集模块将采集到的信息上传给控制设备，并对控制设备发出的指令进行及时响应。此方案还集合了RFID技术和ZigBee技术的优势，为物联网技术提供了一种有效的解决方案，在现代仓储管理中具有明显的优势。
关键词：LPC11C14；RFID；ZigBee；环境信息采集；信息上传
中图分类号：TN915 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2014）02-0032-02
0 引 言
传统的仓库管理，一般依赖于一个非自动化的、以纸张文件为基础的系统，完全由人工实施仓库内部的管理，因此仓库管理的效率极其低下[1]。基于此，本文利用目前主要的物联网技术，全方位考虑仓储管理研究范围，以技术集成和运用范围扩展为出发点，设计智能物联网仓储管理系统。我们利用Linux操作系统，ZigBee和RFID技术搭建仓库智能管理系统，该系统能够增强库房作业的准确性和快捷性、减少整个仓库物资出入库中由于管理不到位造成的非法出入库、误置、偷窃和库存、出货错误等损失，并最大限度地减少储存成本和保障了仓库物资的安全。
1 终端总体设计
本设计终端采用的Cortex-M0平台终端整体方案如图1所示。
图1 Cortex-M0终端整体方案
此平台处理器是市场上现有的尺寸最小、 能耗最低、最节能的ARM处理器[2]。该终端负责对当前环境信息进行采集，初步对数据进行处理打包并通过无线通信设备ZigBee发送给S5PC100为核心的Cortex-A8端，Cortex-A8服务器对数据二次处理后给M0终端发送指令并实时响应各种操作。仓库管理系统的相关信息主要包括温湿度、光感度、三轴加速度、风扇、蜂鸣器、LED灯、数码管显示、M0终端液晶屏显示以及进出库的商品刷卡信息。
2 终端硬件设计
2.1 数据采集端硬件设计
该仓储物联网采集终端采用的是LPC11C14主控芯片，它是ARM Cortex-M0系列低功耗、低成本的32位处理器。最高主频可以工作到50 MHz，片上内部拥有32 KB FLASH和8 KB的RAM，并且内置多个UART接口，分别用于RFID读卡模块连接和ZigBee的通信。无论在处理数据的速度上还是在功耗上，亦或是抗干扰能力上，它完全能够胜任终端数据采集的重任。
RFID模块采用CY-14443A系列射频读写模块，它是基于ISO14443标准的非接触卡读卡机专用芯片，采用0.6微米CMOS EEPROM工艺，支持ISO14443 typeA协议，支持MIFARE标准的加密算法。RFID读卡模块通过SPI接口与M0进行连接，它的中断引脚与M0的IO口相连，在主程序中，只要判断该IO口的电平高低，即可判断是否有卡，如果有卡，则进行相应的读卡操作。
2.2 ZigBee无线通信模块硬件设计
ZigBee是近年来发展迅速的基于无线传感器网络的近距离、低功耗、低成本、低复杂度的无线通信技术[3]。ZigBee协议基于IEEE 802.15.4无线标准制定，包括应用层、网络层、安全层等，可以实现网络的自组织和自维护功能[4，5]。我们在此采用了ZICM2410无线通信模块，它是集成CPU的单片ZigBee芯片，为ZigBee网络提供一个高性能、低成本的射频收发方案。
3 终端软件设计
3.1 数据采集终端软件设计
本系统采集终端软件流程如图2所示。系统上电初始化M0终端上的各个设备包括系统定时器、GPIO口、SPI、UART、I2C等设备，然后配置系统滴答定时器，设置其终端为1 ms，进而设置中断处理函数，精确到1 s。最后将第一次采集的信息显示在M0终端的液晶屏上。
主程序进行轮询判断，在没有外部中断的情况下主要执行环境数据的采集和M0终端液晶屏的数据显示，并将数据打包发送给A8服务器。
当有外部RFID刷卡时，其他数据正常采集，RFID中断函数同时对磁卡数据进行采集和校验数据有效性，并发送给A8服务器；
当有ZigBee接收数据的中断产生时，其他数据正常采集，ZigBee接收数据的中断处理函数接收A8服务器发送过来的指令，执行不同的设备。
图2 数据采集终端软件设计流程图
3.2 ZigBee无线通信模块软件设计
3.2.1 ZigBee路由算法
ZigBee路由算法的任务是在节点和节点之间建立路由，实现可靠地数据传递。一个完整的ZigBee路由算法应包括路由方式、路由发现和路由维护等内容[7]。而ZigBee常见的路由算法有三种：AODVjr算法，Cluster-tree算法，Cluster-tree+AODVjr算法，而ZigBee网络目前采用的是第三种算法。该算法结合Cluster-tree和AODVjr 两种路由算法的优点，它把网络中的节点细分为4类， 分别是：Coordinator、RN + 、RN-、RFD。其中Coordinator、RN+、RN-都是全功能节点，但前两者具有路由发现和消息转发功能， 在转发消息时启动AODVjr算法主动查找最佳路径；RN-没有路由发现功能，在转发数据时启动Cluster-tree算法并通过自身的计算能力作出判断，将消息转发给父节点或者其中一个子节点；RFD是精简功能设备，只能充当叶子节点，即只能将消息传送给父节点， 请其转发[6]。
3.2.2 ZigBee通信模块的收发数据流程
本文设计的ZigBee无线通信模块收发数据的主要流程有：初始化各个引脚和寄存器，对功能寄存器赋值，初始化SPI752等。其流程图如图3所示。
图3 ZigBee通信模块收发数据流程
4 结 语
物联网数据采集终端是仓储物联网应用系统中极为重要的组成部分，极大地减少了仓储管理的难度，并且增强了管理系统的准确性和快捷性。本文设计了一种基于LPC11C14微控制器的采集终端，能够实现将温湿度、光感度、三轴加速度、电压信息以及进出仓库的刷卡信息通过ZigBee模块发送到Cortex-A8控制端。该终端将RFID模块和ZigBee模块结合，构成无线阅读器终端，最大化地发挥各自优势。既能完成仓库的货物盘点又可以实现仓库管理的智能化。更能够广泛地应用于智能家居、工业监控、智能电网、环境监测等物联网应用领域。随着物联网的发展，该仓储物联网数据采集终端必定有着广阔的应用前景.
参 考 文 献
[1]陈遥，吴晓波，周文.基于融合ZigBee与RFID技术的物联网仓储管理系统设计[J].中国物流，2012（3）：128-130.
[2]范云龙.Cortex-M0处理器初探[J].单片机与嵌入式系统的应用，2010（6）：78-81.
[3]詹杰，周仁龙，吴伶锡.基于ZigBee的公交自动报站系统的设计[J].湘潭师范学院学报，2007，29（4）：76-79.
[4]曹越，胡方明，党妮.ZigBee网络Cluster-Tree优化路由算法研究[J].单片机与嵌入式系统的应用，2012（10）：4-7.
[5]CUOMO F， CIPOLLONE E， ABBAGNALE A. Performance analysis of IEEE 802.15.4 wireless sensor net-works： an insight into the topology formation process [J]. Computer Networks， 2009， 53（18）： 3057-3075.
[6]郭瑞星，王庆生.ZigBee 路由算法的研究与改进[J]. 电脑开发与应用，2011（5）：32-34.
[7]周斌斌.ZigBee无线组网技术的研究[D].长沙：中南大学，2009.
摘 要：介绍了一种以S5PC100为硬件平台和嵌入式Linux为软件平台的仓储物联网数据采集终端的设计方案。该终端以基于Cortex-M0 内核的LPC11C14芯片为主控制单元，通过仓储环境信息采集模块将采集到的信息上传给控制设备，并对控制设备发出的指令进行及时响应。此方案还集合了RFID技术和ZigBee技术的优势，为物联网技术提供了一种有效的解决方案，在现代仓储管理中具有明显的优势。
关键词：LPC11C14；RFID；ZigBee；环境信息采集；信息上传
中图分类号：TN915 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2014）02-0032-02
0 引 言
传统的仓库管理，一般依赖于一个非自动化的、以纸张文件为基础的系统，完全由人工实施仓库内部的管理，因此仓库管理的效率极其低下[1]。基于此，本文利用目前主要的物联网技术，全方位考虑仓储管理研究范围，以技术集成和运用范围扩展为出发点，设计智能物联网仓储管理系统。我们利用Linux操作系统，ZigBee和RFID技术搭建仓库智能管理系统，该系统能够增强库房作业的准确性和快捷性、减少整个仓库物资出入库中由于管理不到位造成的非法出入库、误置、偷窃和库存、出货错误等损失，并最大限度地减少储存成本和保障了仓库物资的安全。
1 终端总体设计
本设计终端采用的Cortex-M0平台终端整体方案如图1所示。
图1 Cortex-M0终端整体方案
此平台处理器是市场上现有的尺寸最小、 能耗最低、最节能的ARM处理器[2]。该终端负责对当前环境信息进行采集，初步对数据进行处理打包并通过无线通信设备ZigBee发送给S5PC100为核心的Cortex-A8端，Cortex-A8服务器对数据二次处理后给M0终端发送指令并实时响应各种操作。仓库管理系统的相关信息主要包括温湿度、光感度、三轴加速度、风扇、蜂鸣器、LED灯、数码管显示、M0终端液晶屏显示以及进出库的商品刷卡信息。
2 终端硬件设计
2.1 数据采集端硬件设计
该仓储物联网采集终端采用的是LPC11C14主控芯片，它是ARM Cortex-M0系列低功耗、低成本的32位处理器。最高主频可以工作到50 MHz，片上内部拥有32 KB FLASH和8 KB的RAM，并且内置多个UART接口，分别用于RFID读卡模块连接和ZigBee的通信。无论在处理数据的速度上还是在功耗上，亦或是抗干扰能力上，它完全能够胜任终端数据采集的重任。
RFID模块采用CY-14443A系列射频读写模块，它是基于ISO14443标准的非接触卡读卡机专用芯片，采用0.6微米CMOS EEPROM工艺，支持ISO14443 typeA协议，支持MIFARE标准的加密算法。RFID读卡模块通过SPI接口与M0进行连接，它的中断引脚与M0的IO口相连，在主程序中，只要判断该IO口的电平高低，即可判断是否有卡，如果有卡，则进行相应的读卡操作。
2.2 ZigBee无线通信模块硬件设计
ZigBee是近年来发展迅速的基于无线传感器网络的近距离、低功耗、低成本、低复杂度的无线通信技术[3]。ZigBee协议基于IEEE 802.15.4无线标准制定，包括应用层、网络层、安全层等，可以实现网络的自组织和自维护功能[4，5]。我们在此采用了ZICM2410无线通信模块，它是集成CPU的单片ZigBee芯片，为ZigBee网络提供一个高性能、低成本的射频收发方案。
3 终端软件设计
3.1 数据采集终端软件设计
本系统采集终端软件流程如图2所示。系统上电初始化M0终端上的各个设备包括系统定时器、GPIO口、SPI、UART、I2C等设备，然后配置系统滴答定时器，设置其终端为1 ms，进而设置中断处理函数，精确到1 s。最后将第一次采集的信息显示在M0终端的液晶屏上。
主程序进行轮询判断，在没有外部中断的情况下主要执行环境数据的采集和M0终端液晶屏的数据显示，并将数据打包发送给A8服务器。
当有外部RFID刷卡时，其他数据正常采集，RFID中断函数同时对磁卡数据进行采集和校验数据有效性，并发送给A8服务器；
当有ZigBee接收数据的中断产生时，其他数据正常采集，ZigBee接收数据的中断处理函数接收A8服务器发送过来的指令，执行不同的设备。
图2 数据采集终端软件设计流程图
3.2 ZigBee无线通信模块软件设计
3.2.1 ZigBee路由算法
ZigBee路由算法的任务是在节点和节点之间建立路由，实现可靠地数据传递。一个完整的ZigBee路由算法应包括路由方式、路由发现和路由维护等内容[7]。而ZigBee常见的路由算法有三种：AODVjr算法，Cluster-tree算法，Cluster-tree+AODVjr算法，而ZigBee网络目前采用的是第三种算法。该算法结合Cluster-tree和AODVjr 两种路由算法的优点，它把网络中的节点细分为4类， 分别是：Coordinator、RN + 、RN-、RFD。其中Coordinator、RN+、RN-都是全功能节点，但前两者具有路由发现和消息转发功能， 在转发消息时启动AODVjr算法主动查找最佳路径；RN-没有路由发现功能，在转发数据时启动Cluster-tree算法并通过自身的计算能力作出判断，将消息转发给父节点或者其中一个子节点；RFD是精简功能设备，只能充当叶子节点，即只能将消息传送给父节点， 请其转发[6]。
3.2.2 ZigBee通信模块的收发数据流程
本文设计的ZigBee无线通信模块收发数据的主要流程有：初始化各个引脚和寄存器，对功能寄存器赋值，初始化SPI752等。其流程图如图3所示。
图3 ZigBee通信模块收发数据流程
4 结 语
物联网数据采集终端是仓储物联网应用系统中极为重要的组成部分，极大地减少了仓储管理的难度，并且增强了管理系统的准确性和快捷性。本文设计了一种基于LPC11C14微控制器的采集终端，能够实现将温湿度、光感度、三轴加速度、电压信息以及进出仓库的刷卡信息通过ZigBee模块发送到Cortex-A8控制端。该终端将RFID模块和ZigBee模块结合，构成无线阅读器终端，最大化地发挥各自优势。既能完成仓库的货物盘点又可以实现仓库管理的智能化。更能够广泛地应用于智能家居、工业监控、智能电网、环境监测等物联网应用领域。随着物联网的发展，该仓储物联网数据采集终端必定有着广阔的应用前景.
参 考 文 献
[1]陈遥，吴晓波，周文.基于融合ZigBee与RFID技术的物联网仓储管理系统设计[J].中国物流，2012（3）：128-130.
[2]范云龙.Cortex-M0处理器初探[J].单片机与嵌入式系统的应用，2010（6）：78-81.
[3]詹杰，周仁龙，吴伶锡.基于ZigBee的公交自动报站系统的设计[J].湘潭师范学院学报，2007，29（4）：76-79.
[4]曹越，胡方明，党妮.ZigBee网络Cluster-Tree优化路由算法研究[J].单片机与嵌入式系统的应用，2012（10）：4-7.
[5]CUOMO F， CIPOLLONE E， ABBAGNALE A. Performance analysis of IEEE 802.15.4 wireless sensor net-works： an insight into the topology formation process [J]. Computer Networks， 2009， 53（18）： 3057-3075.
[6]郭瑞星，王庆生.ZigBee 路由算法的研究与改进[J]. 电脑开发与应用，2011（5）：32-34.
[7]周斌斌.ZigBee无线组网技术的研究[D].长沙：中南大学，2009.
