公用物品网络式流转终端控制系统设计

周金芝，杨　明

(亳州学院 电子与信息工程系，安徽 亳州 236800)



公用物品网络式流转终端控制系统设计

周金芝，杨明

(亳州学院 电子与信息工程系，安徽 亳州 236800)

摘要：针对购物篮、自行车等比较常见的环保公用物品的流转，设计了一个网络式构架的公用物品流转平台，此平台由流转终端和服务中心两部分组成。流转终端采用了嵌入式ARM芯片S3C2410A作为主板，开发测试过程用Embest EDUKIT-III实验开发系统作为实验板、开发板，仓库设计独特。目前这一平台成功应用于自行车租赁系统。

关键词：网络通信；嵌入式系统；公用物品；流转终端

塑料购物袋是商品零售场所常见的易耗品，我国每年在这方面消耗巨大。塑料袋环保必须从源头上抓才有效，政府应该借助有力的工具来实施，比如通过异地租赁购物篮来减少塑料购物袋的使用。公共自行车租赁在国外已很普及，在国内也越来越受到追捧[1]，全国多地已建成公共自行车租赁系统，为市民的短距离出行带来方便[2]，但现有的自行车租赁系统依然存在各种各样的弊端[3]。市场上公共雨伞租赁系统相对空缺[4]。对于以上公用物品的租赁，迫切需要一套智能化的公用物品流转终端控制系统，基于此，本文设计了一个网络式构架的公用物品流转平台。

1流转平台实现方案

流转平台实际上就是一个个终端为网点(业务结点)构成的网络平台，类似银行ATM系统，尽管针对具体情况会衍生出不同类型的系统，但不论其怎样变化，系统应该包括3个部分：服务中心计算机(主站)、流转终端、数据传输通道。

(1) 服务中心计算机(服务终端)

存储消费者租赁IC卡和公用物品IC卡识别信息所有数据；登记、存储、查询消费者租赁公用物品的地点、时间和归还公用物品的地点、时间；监控流转终端的使用情况和故障；多级操作权限设置；精确校时，统一系统时间；自诊断，设备或通信异常报警和记录。

(2)流转终端(服务网点)

布局在超市、菜市场、居民点等多个地方，负责IC卡的采集、处理、存储和通信；消费者先办理身份租赁IC卡，并将每个公用物品都贴上终生身份识别IC卡，终端采集公用物品信息和个人IC卡信息，并通过网络发送到服务中心进行处理；根据权限设置初始参数；系统自诊断，存储器、通信异常记录和报警；交互式界面完成操作，显示和打印交易信息。流转终端有4种操作模式：有人值守且无仓库模式；无人值守但有全自动仓库；有人值守且也有仓库；无人值守也没有仓库。本文的设计采用的是有人值守加仓库的模式。

(3) 数据传输

身份识别信号采集和确认的数据流程如下：终端向主站发送即时数据采集信息，等待主站的处理命令；主站计算机根据终端发送过来的信息进行分析比较，确认刚才所采集信息的合法性，即身份确定，然后根据存储记录判断是否满足交易条件，并将交易条件发送到终端；终端根据交易条件判断交易完成与否，如果满足交易条件并交易，则将交易信息数据发送到主站进行登记；主站再次发送一次确认信息给终端表示登记已完成。

流转平台租赁系统模型如图1所示。

图1　流转平台租赁系统模型

2硬件平台的设计

2.1总体设计

根据流转平台终端的需求分析，将硬件电路分为电源模块、液晶显示模块、GPRS模块、非接触式读卡器、复位模块、摄像头、音频模块、存储模块、键盘模块和RS232串行通信接口。流转平台系统结构如图2所示。其中，电源模块为整个系统供电；液晶显示屏用于信息显示和系统的人机对话；IC射频卡模块为非接触式信息阅读器，以MFRC522作为控制芯片的射频读卡器来阅读信息[5]；网络GSM/GPRS/WIFI...模块负责系统的数据传输和通信[6]；复位模块用于系统的复位；摄像头用于监控无人值守的租赁现场；音频模块用于语音提示，如提示自行车归还成功等；存储模块用于处理和采集信息的存储；RS232接口用于主板与驱动板的通信。仓库代表流转终端所有物品的存储地点。仓库结构框图如3所示。

图2流转平台系统结构框图

图3　仓库结构框图

2.2硬件实现

系统选用三星公司的S3C2410A作为主板芯片。S3C2410A是三星公司推出的32位RISC处理器，内核采用ARM9TDMI，主要面向手持设备以及高性价比、低功耗的应用。S3C2410A的显著特性是它的CPU核心，是一个由Advanced RISC Machines(ARM)有限公司设计的16/32位ARM920T RISC处理器。ARM920T实现了MMU，AMBA BUS和Harvard高速缓冲体系结构。这一结构具有独立的16 KB指令Cache和16 KB数据Cache，每个都是由8字长的行(line)构成。通过提供一系列完整的系统外围设备，S3C2410A大大减少了整个系统的成本，减少了为系统配制的额外器件。

电路中用到的直流电源有5种，分别是+24、21.5 、+5、3.3、1.8 V，其中，+24 V供给仓库继电器、电机驱动器，+5 V供给RS232串行通信和STC89C52，+3.3 V供给ARM主处理器外设及MFRC522射频读卡器，+l.8 V供给ARM主处理器内核，21.5 V是液晶屏的驱动电源。直流开关电源模块可以实现220 V交流输入到+24、+5 V输出，采用LD1117v33和LDlll7v18电源管理芯片实现+5 V电源输入到+3.3 V和+1.8 V输出转换，采用MAX629电源管理芯片实现+5 V输入到+21.5 V输出转换。系统监视复位芯片IMP811S用于实时监控系统的电源，一旦系统电源低于系统复位的阈值，IMP811S将会对系统进行复位。

GPRS模块选用了SIM100-E GSM/GPRS双频模块。SIM100-E GSM/GPRS双频模块是SIMCOM公司推出的一款数据终端设备，该模块功能强大，AT命令丰富，操作简单灵活，并且该设备由GPRS无线移动通信系统与传统调制解调器相结合构成。模块集成了GSM基带处理器和完整的射频电路。SIM1OO-E电源电压范围为3.3～4.6 V，可以使用镍氢电池、锂电池或其他外部直流电源供电，同时SIM100-E可外接一个纽扣电池，当发生意外，电源断电后，可通过VRTC引脚向内部RTC提供电源。SIM100-E的硬件电路支持RS-232串行接口，接口采用串行异步收发来完成数据传输、通信的功能。SIM100-E模块与S3C2410A间的通信依靠系统连接器(型号为IL-312-A60P-VF-A的客户端)完成，该连接器由RS-232串口、外部电源、SIM接口和音频接口构成。

静态存储器芯片选用FC24C04。FC24C04采用IIC总线方式进行控制访问，与S3C2410A芯片的IIC接口直接相连即可，FC24C04仅需少量外围电路。液晶显示模块是系统的人机交互接口，本系统选用带有触摸屏和虚拟键盘的液晶显示器。主板与驱动板通信采用RS232串行总线方式。S3C2410A有3个独立的异步串行I/O口，它们都可以运行于中断模式或DMA模式，在与驱动控制板通信中使用UART0串口，而与GPRS通信中使用UART1串口。电平转换芯片则选择了MAX3232芯片，该款芯片是由MAXIM公司推出，芯片工作电压为+3.3 V，公头连接器采用DB9，它只有3个引脚的信号有效:2(RXD)、3(TXD)、5(GND)。

仓库控制系统选择宏晶科技推出的STC89C52RC芯片。STC89C52RC是一款价格低、性能高、采用先进CMOS工艺制造的8位微控制器，指令系统和引脚与MCS-51单片机完全兼容，该器件有4组8位I/O口、3个16位定时/计数器、多中断源-4中断优先级-嵌套的中断结构、全双工的串行口、片内振荡器及时序电路。

自行车租赁系统中，比较实用的仓库是立体自行车停车库[7]。考虑到公用物品不但有自行车，还有其他物品，因此将立体停车库的结构做了一些改动，如图4所示。

图4　仓库正面

由于是用于公用物品的流转，因此在这个仓库的结构图中，中心轴是可以旋转的，内架通过4根支撑架固定在中心轴外面，然后将多块翼板等距离固定在内架上，翼板上都有自行车固定机构。在图4中，内架圆内区域可以被划分为A、B、C、D等多个区域(根据购物篮等物品大小需要)，由于A、B、C、D区域放置自行车不是很方便，因此可以用做购物篮等物品的存储箱，根据需要在正面开一个仓门或多个仓门。这样的构思有几个特点：(1) 体积小、功能多、容量大，设内架的直径D1=2.5m，外壳直径D2=3.2m，则内架周长L1=7.75m，外壳周长L2=9.92 m，根据经验，大概可以放置20～30辆小自行车，比单纯的地面仓库容量提高约3倍，而A、B、C、D区域还可以放置数百个购物篮；(2) 设计制造简单、成本低；(3) 旋转结构只需要1个自由度的动力，因此动力只需要一个电机，控制简单；(4) 操作简单。

3控制系统软件结构设计

3.1主板程序设计

主板程序是系统软件的关键所在，主板向驱动板发送指令，驱动板接收到指令后执行相应的操作，操作完成后将结果送回到主板。图5是主板程序状态转移图。图中系统被分成11种状态，每种状态都是相互对立的，各对应一个状态值。其中待机状态管理着其他10种状态的入口条件，相当于状态管理中心，它决定着系统接下来进入哪一种状态。

图5主板程序状态流图

依据系统功能需求以及硬件电路模块得到主板程序模块框图6。

图6　主板程序模块组成

3.2驱动板程序设计

图7为驱动板程序模块方框图。其中继电器驱动模块为交流部件的驱动代码，用于驱动照明灯、门锁开关等。步进电机驱动模块是电机驱动处理模块，用于旋转仓库驱动。开关信号模块用于仓库各种情况下的限位开关信号采集。定时器中断则负责处理动作的执行时间、感应开关信号的定时检测等所有和时间有关的事件。RS232通信模块用于与主机通信，接受指令并返回结果。

图7　驱动板程序模块组成

4开发平台的选择

根据软硬件的实际需求，选用了英培特公司的Embest Edukit-III[8]型号的多核心、多操作系统的嵌入式教学系统作为实验板、开发板。该系统提供了丰富的接口实验，包括 LED 灯、数码管、音频、麦克风、串口、并口、USB接口、以太网接口、步进电机、SD卡、液晶和触摸屏等，可以选配或另购GPRS模块和摄像头模块等，提供启动程序、各功能模块源代码、上机实例、操作系统源代码与移植应用实例等，操作系统有Ucos-II、uclinux、WinCE、Linux、VxWorks。

5结束语

本文对公用物品流转终端的设计提出了一些新颖的设计思路，利用该思路可以实现购物篮、雨伞、自行车等公用物品的流转控制。该系统创新之处体现在以下几点：

(1)数据传输采用GPRS或WIFI技术，用于实现租赁网点与服务中心间的信息传输和通信。

(2)有USB摄像头接口，可用于全程监控无人值守的租赁现场，并对借出和归还的物品进行拍照，以确定归还物品是否完好，并以此作为赔偿的依据。

(3)使用带有触摸屏和虚拟键盘的液晶显示屏，能够实现数据和状态信息的现场显示，使用户现场操作更加简单。

(4)在流转终端的仓库设计方面，对现有的立体自行车停车库做了一些改动，使该仓库可以同时存储自行车、购物篮、雨伞等公用物品，占地面积小，存储容量大，设计成本低，操作控制简单。

与同类设计方案相比，本系统的优势在于：

(1) 在对立体自行车停车库方案做了一些改动的基础上，设计了本系统的仓库。同时，仓库对于外界的接口是一个串行通信总线，这样的设计便于模块化生产。

(2) 系统的主板控制器是一个嵌入式系统控制板，对外保留了一些必要的接口，便于系统的扩展。如保留了摄像头接口，用于无人值守时的监控和拍照。

(3) 网络连接可以采用多种形式，既可以采用有线的网络连接，也可以采用无线的。

(4) 选用了带有触摸屏和虚拟键盘的液晶显示屏，简化了电路，降低了生产成本。

参考文献:

[1] 王志高,孔喆,谢建华,等.欧洲第三代公共自行车系统案例及启示[J]. 城市交通，2009，7(4)：27-29.

[2] 周东. 我国公共自行车发展现状与趋势[J]. 行家论坛，2012(10)：52-55.

[3] 刘林娜,黄睿,林媛,等.河南高校校园新型智能化公共自行车租赁系统的研究[J].科技与管理,2014(20):114-115.

[4] 余晓庆，赵伟杰，李晓青.基于C#.Net公共雨伞租赁系统上位机通信及数据库管理[J]. 工业仪表与自动化装置，2013(5):70-72.

[5] 陈顺飞,赵伟杰.射频识别技术在公共伞具租赁系统的应用[J].工业仪表与自动化装置,2013(4):14-16.

[6] 莫娇,廖斌,徐少波,等.基于移动互联技术的公共自行车租赁系统设计[J].科技创新与应用,2015(20):31-32.

[7] 陈建.立体自行车停车库[P].专利号为02258863.9,2003-12-31.

[8] 深圳市英蓓特信息技术有限公司.ARM9基础实验教程——Embest EDUKIT-III实验平台[DB/OL].http://wenku.baidu.com,2013-01-24.

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

文章编号：1007-4260(2016)01-0058-05

中图分类号：TN02

文献标识码：A

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

作者简介：周金芝，女，安徽砀山人，硕士，亳州学院电子与信息工程系讲师，主要研究方向为数字图像处理与模式识别。E-mail:395044919@qq.com通讯作者：杨明，男，安徽淮北人，在读博士生，亳州学院电子与信息工程系副教授，主要研究方向为嵌入式技术、微波技术。E-mail: ahyangming2000@163.com

基金项目：亳州市创新创业领军人才科研团队项目。

*收稿日期：2015-05-27

网络出版时间：2016-03-15 17:05网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20160315.1705.016.html