Cortex-A8的自动存取件冷藏快递柜系统设计*

潘雄波，黄继伟，谢洁杰

(1．福州大学 物理与信息工程学院 福建省集成电路设计中心，福州350003；2.福建星网锐捷网络有限公司)



Cortex-A8的自动存取件冷藏快递柜系统设计*

潘雄波1，黄继伟1，谢洁杰2

(1．福州大学 物理与信息工程学院 福建省集成电路设计中心，福州350003；2.福建星网锐捷网络有限公司)

摘要:针对传统冷藏物流配送中存在的局限性问题，设计了一种基于Cortex-A8的冷藏快递柜系统。快递柜终端以S5PV210为主控制器核心，搭载Android系统驱动冷藏柜模块和视频采集模块，实现自助存取件功能。服务器软件采用多线程中的线程池设计，提高了服务器处理大容量数据的效率，实现温度监测和GSM短信发送。该系统具有操控简便、安全性高、运行稳定的特点，在未来冷藏物流配送中有很好的应用前景。

关键词:S5PV210；Android；线程池；温度监测

引言

人们消费水平的提高带动了电商行业和快递行业的兴起，冷藏物流作为一个新兴的行业走进人们的生活当中。虽然大多数的物流公司对于冷藏品的运输皆能提供行之有效的保障措施，但当冷藏品到达配送站后，冷藏品的保温和配送就成为了亟待解决的问题。现如今冷藏物流的配送常常会遇到物品囤积、配送脱节以及设备故障导致生鲜腐烂等状况[1]，而目前传统的冷藏快递业务大多还是采用人工发送信息提醒的方式进行配送，操作过程繁琐、低效、容易出错。

针对以上问题，设计出一种基于Cortex-A8的冷藏快递柜系统，该系统分别从冷藏柜终端和服务器软件两部分入手，实现了对快递柜温度的监测、快递信息录入、短信自动发送、取件验证和视频监控功能。

1系统总体方案设计

该系统主要由冷藏柜终端和后台服务器两部分组成。冷藏柜终端采用了三星公司的S5PV210处理器作为主控制器芯片，搭载Android 4.0平台进行系统开发，并提供人性化的交互界面。快递员需要寄件时，首先进行身份验证进入快递员操作界面，其次通过条形码扫描枪录入快件的单号，然后将快件存入系统自动提供的寄存柜中，快件信息通过以太网传输并存储在服务器的数据库中，之后服务器根据快件信息驱动GSM模块发送短信到指定手机号码，并完成与快递公司云服务器的信息同步。

取件时，客户通过人性化的界面输入短信验证码，为了提高安全性，全程通过摄像头采集视频信息并将其压缩编码后上传至服务器保存。当柜体较多时，需要额外增加若干副柜，针对传统布线、安装等问题，副柜与主柜的通信采用无线传输方式实现多路温度数据的传输和显示。

后台服务器以PC机为核心，通过因特网连接物流公司的云服务器获取所有包裹的信息，服务器与冷藏快递柜终端的连接通过以太网实现，接收来自终端发送的数据请求并验证。数据处理完成后，服务器通过执行AT指令驱动GSM模块发送短信息[2]，客户凭短信中的验证码进行快件的随时自取。系统框图如图1所示。

图1　系统框图

2系统终端设计

系统终端包括冷藏柜模块、温度采集模块和视频采集与无线传输模块。主控制器配备网卡与输入/输出设备，采用UART串口方式连接冷藏柜模块和条形码扫描器，同时通过USB总线与视频监控设备相连接。图2为系统终端设计框架。

图2　系统终端设计框架图

系统终端采用了三星S5PV210处理器作为嵌入式主控制器核心，它采用ARM公司的Cortex-A8内核，基于32位RISC(精简指令集计算机)，具有32/64位内部总线结构，处理速度最高可达1 GHz[3]。CPU内部具有的一、二级数据/指令缓存分别为16/32 KB和512 KB，可以实现高达2 000 DMIPS的运算能力，同时内部集成的MFC视频编解码器支持实现H.264的编解码工作。此外该处理器采用了NEON指令集，此信号扩展指令集提高了多媒体应用的编码效率，处理器拥有一套丰富完整的通用外设为开发提供便利。

系统终端所涉及硬件包括主控制器、外部RAM/ROM、网卡DM9000、电容触摸屏ft5x06、ZL-610-R温控器等。在主控制器与外围模块的通信中，主控制器通过UART串口接收来自各个模块的数据请求并进行指令的发送，通过串口API函数具体实现扫描快递单号和对指定冷藏柜的操作。摄像头采集的视频图像通过内部MFC硬件编码器进行H.264编码压缩，压缩后的视频图像通过以太网以RTP实时传输协议发送至后台服务器PC端，PC端完成压缩视频图像的解码和存储。由于服务器与终端是以一对多的连接方式存在，这里冷藏柜终端与后台服务器的通信采用UDP通信协议并通过Socket编程实现数据传输。

2.1冷藏柜模块

冷藏柜终端开柜过程是，从终端控制界面输入的指令，通过冷藏柜模块的UART串口接收，继而打开对应编号的柜门，通过柜门检测电路设计实现对当前柜门开关状态的显示。冷藏柜模块框架图如图3所示。

图3　冷藏柜模块框架图

冷藏柜电路采用STM32F103ZET(以下简称STM32)微控制器进行设计，该微控制器拥有高性能的32位内核和丰富的UART接口。设计中采用电磁式锁头，利用ULN2003A高压大电流达林顿晶体管阵列电路驱动电磁锁头，STM32微控制器接收终端指令并改变相应I/O口的输出电平，从而控制柜门的开关，柜门开关状态的检测通过对柜门上干簧管检测器的电平状态接收实现，快递员可通过终端查看柜门开关状态。

2.2温度采集模块

温控器选用苏州百合科技有限责任公司生产的ZL-610-R，该温控器采用小型化、IP65等级面板防护设计，具有体积小、重量轻的特点，同时自带RS485远程通信端口，可实现与控制器之间的通信。副柜的快递箱温度检测采用STM32作为主控制器，主控制器快速读取ZL-610-R温控器温度数据，并通过433 MHz无线收发模块以无线传输方式发送至主柜Cortex-A8板，主柜控制器再通过以太网将温度数据实时传输至服务器[4]。温度采集模块框图如图4所示。

图4　温度采集模块框图

2.3视频采集与无线传输模块

冷藏柜终端需要添加视频采集和传输模块，保证取件过程能被全程记录，视频数据将在后台服务器上以快递的单号命名保存以便查看。由于Android系统是基于Linux内核的，利用Linux下的Video4Linux2(V4L2)编程框架完成视频数据的处理，V4L2执行驱动中的API函数流程为：首先调用open Video()函数打开终端系统下的视频设备文件，设备采用USB接口的摄像头；其次通过设置视频支持的格式和属性来完成视频设备的初始化，并申请数据缓存空间，此时将内存空间映射为用户空间；之后向控制器发送采集信号，开始视频帧数据的获取，为保证传输速度和压缩要求，采集后的大容量视频数据在传输前利用S5PV210内部集成的多格式MFC进行编码；编码结束后释放编码器资源，关闭编码器和视频设备[5]。已编码的视频数据通过以太网以RTP协议上传到服务器端。

RTP是一种端对端的实时传输协议，也可提供多目标网络服务中的实时数据传输，RTP程序运行在UDP之上，采集到的视频数据块先被封装在RTP包中，每个RTP包又被嵌入到UDP消息块里，然后封装在IP数据包中传输。服务器采用一对多的接收方式接收多个视频采集终端的视频数据，为了区别来自不同地址设备发送的数据信息，通过设置RTP信息包中的SSRC(同步信源标识符)来区分终端的设备地址，这里的SSRC并不是指终端设备的IP地址，而是系统为新信息包包头分配的一个随机码，服务器通过解析RTP包的SSRC辨别包的来源。视频传输流程图如图5所示。

图5　视频传输流程图

3系统软件设计

系统软件设计包括服务器软件设计、视频数据接收与存储设计。

3.1服务器软件设计

图6　服务器端软件设计框架图

服务器软件设计涉及多线程处理，利用线程池技术优化其性能，图6为服务器软件设计框架图。“客户端数据发送/接收线程”作为终端与服务器间进行数据交互的重要通道，采用TCP传输协议实现以太网连接。服务器实现与多个终端的连接和数据交换，与快递公司云服务器的同步，并将包裹信息保存至SQLite3数据库中。

服务器启动时，同时创建了GSM通信线程、SQLite3数据库、温度监测线程和视频接收线程。“工作线程”处理任务的调度时，首先接收使用者提交的“待接收任务”获取相应的数据包，包括数据库的查询和修改、温度信息查询、短信发送以及视频图像接收[6]。经过解析处理后的数据包被“工作线程”放入“待发送任务队列”，等待终端响应请求。例如图中的“GSM通信线程”，系统从“GSM待发送任务队列”中获取快件的电话号码和验证码等信息，信息中包含汉字需要转换成PDU码，然后服务器发送AT指令驱动GSM模块，实现短信发送。

3.2视频数据接收与存储设计

通过硬件编码器MFC编码的H.264格式压缩视频交付给服务器处理时，服务器需要对视频数据进行重新解压并存储，系统采用FFmpeg库来完成压缩视频的解码工作。

图7　视频解码与存储流程图

FFmpeg作为一套可用于视频编解码以及格式转换的开源库，起先用于对Linux系统的支持，随后实现了在Windows、Mac OS X等平台中编译运行，在视频编解码发面支持H.264格式视频[7]。服务器接收不同地址终端的RTP包时，先提取RTP包中的SSRC，获取相对应的快件单号，然后通过FFmpeg库中的avcodec_decode_video2()函数解压RTP包，再将得到的视频数据帧保存在AVFrame()结构体中，视频采用FLV格式存储。图7为视频数据解码与存储流程图。

结语

本文设计了基于ARM Cortex-A8的冷藏快递柜系统，完成快递柜终端模块、温度监测模块、视频传输模块和服务器端的设计与联调。图8为用户测试界面图。

图8　用户测试界面图

通过反复测试，该系统运行稳定，实现了快件的收件和取件、快递柜温度监测和视频监控功能。该系统具有人性化的用户操作界面和简易方便的业务流程，在冷藏快递物流行业中拥有广阔的应用前景。

参考文献

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[2] 孙增雷，黄俊年，孙敏．基于GSM的远程报警系统的研制[J]．武汉理工大学学报，2008，30(6)：122-124，134．

[3] 陈建明，张亚军，沈媛雪．基于Cortex-A8处理器与Android平台的温度检测系统设计[J].华北水利水电大学学报：自然科学版，2014，35(5)：69-71．

[4] 王丽娟，王艳．基于DS18B20的多通道温度测试仪[J]．制造业自动化，2013，35(2)：123-127．

[5] 刘阳阳，申铉京，王一棋．基于ARM的智能监控系统的设计与研究[J]．吉林大学学报：信息科学版，2011，29(2)：158-163．

[6] 谢洁杰，赖松林，赖云峰．基于S3C6410的智能快递投递箱系统设计[J]．微型机与应用，2015，34(7)：92-94．

[7] 辛长春，娄小平，吕乃光，等．基于FFmpeg的远程视频监控系统编解码[J]．电子技术，2013(1)：3-5．

潘雄波(硕士研究生)，主要研究方向为嵌入式系统应用；黄继伟(副教授)，主要研究方向为射频模拟集成电路设计；谢洁杰(软件工程师)，主要从事嵌入式系统软件开发工作。

图2　数字音符实时显示实物图

图3　测试结果显示图

结语

本次设计在国内音符实时显示方面取得了突破(查询了万方、维普中文等主要中文数据库均未收录相似内容，市场上没有相关产品)。后期设计将会选择更适合语音处理的DSP开发平台代替Arduino开发板，对程序算法进一步改进完善，增加可以在屏幕上显示连音线、重音记号等功能，最终可以批量生产，利于音乐的大众化推广与传播。

[1] 陈吕洲.Arduino程序设计基础[M].北京： 北京航空航天大学出版社，2014:5.

[2] 李重光.基本乐理通用教材[M].北京：高等教育出版社,2004：1.

[3] 刘丹，朱汉城.音乐特征识别的研究综述[J].计算机工程与应用， 2002(24):74-77.

[4] 张红，宋俊寿，黄泰翼.一种新的峰值提取方法及其在语音基频提取中的应用[J].铁道学报,1998(6):68-73.

[5] 门爱东,苏菲,王雷.数字信号处理[M].北京：科学出版社, 2008：15.

郭之亨(硕士研究生)，主要研究方向为电路与系统(设计自动化);李良荣(教授)，主要研究方向为电路与系统、电磁场与微波技术。

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：(责任编辑：杨迪娜2015-10-18) (责任编辑：杨迪娜2015-09-21)

中图分类号:TP368

文献标识码:A

* 基金项目：福建省科技计划重点项目(2014H0026)。