基于ARM Cortex-A9物联仓储系统设计

宣丽萍，王腾帅

(黑龙江科技大学 电气与控制工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022)

基于ARM Cortex-A9物联仓储系统设计

宣丽萍，王腾帅

(黑龙江科技大学 电气与控制工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022)

为了方便大型仓储系统智能管理，针对传统仓储系统低效率、低自动化程度等问题，文中提出将IOT应用技术、嵌入式Linux技术、ZigBee技术等前沿技术整合思想。设计完善的物联仓储系统体系架构，A9服务器可同时接收处理多个仓库的数据信息并及时做出相应，累积误差不超过1.5 s，真正实现对库房的实时信息监测。实验表明，该系统使得仓库的网络化与数据的实时性得到了同步提高，满足了物联网趋势下的监测要求，实现了仓库的智能化无人监测。

物联仓储；嵌入式Linux；无人监测；ZigBee技术；网络智能化

物联网是基于互联网、RFID技术、EPC标准，在计算机互联网的基础上，利用射频识别技术、无线数据通信技术等[1]，构造了一个实现全球物品信息实时共享的动态全球网络基础设施，具有基于标准和互操作通信协议的自组织能力[2]，与信息网络无缝整合。传统的仓储系统，主要以人力资源为基础来管理供需货物信息，自动化程度低，因而运营管理效率低下，管理的仓库规模也不大。本文设计的物联网仓储信息处理系统的目标是将RFID、传感器和执行器信息收集起来，通过数据挖掘等手段从这些原始信息中提取有用信息，为创新型服务提供技术支持。该系统能够增强仓库管理的精确性和快捷性，最大限度地实现智能化管理[3]。

1 系统结构

基于WSN的物联仓储系统主要是由无线传感器节点、数据信息交互网络、无线执行机构、控制中心组成。无线传感器节点和数据信息交互网络主要执行数据信息采集，通过ZigBee无线通信设备将各监控点传感器采集的温度、光线以及进出库物品信息等数据传送给二级网关，以完成对进入仓库物品的识别、仓库环境的监控。之后经过层级上传并通过互联网将数据信息传交由控制中心进行分析处理。无线执行机构负责启动报警系统、声光系统等控制功能。控制中心主要任务是多线程处理M0终端上传的数据并建立数据库存储数据信息，便于信息的插入、删除、更新、查询以及统计计量等功能。

图1 系统架构框图

2 系统方案设计

系统主要由信息采集端、信息交互网络、信息处理控制端组成。Cortex-M0信息采集端进行实时采集环境参数及进行物品刷卡数据采集。并将采集到的数据信息打包通过ZigBee无线通信设备传送给A9服务器处理。A9服务器的数据接收线程主要任务是接收打包的数据信息，判断是否是物品信息，如果是则唤醒pthread_sqlite线程处理数据信息。如果判断是环境信息则唤醒环境信息提取线程对环境信息进行提取比较,并把实时的环境信息刷新到共享内存中,让CGI进程能查看最新信息。如果环境信息超出了相应的阈值范围会向消息队列中发送相应的消息，去控制相应设备动作。

2.1 硬件平台设计

2.1.1 信息处理控制端

为保障系统的大数据安全、高效的运行处理。A9处理器选择的Samsung Exynos4412四核芯片[4]，主频可达1.6 GHz。处理速度可满足多线程并发处理数据。M0处理器选择NXP Semiconductors 的LPC11C14芯片[5]。该芯片是一款最高主频可以达到50 MHz的低成本、低功耗32位处理器可以满足信息采集需求。M0终端主要任务是采集环境数据信息，通过ZigBee无线通信设备将打包好的数据信息发送给A9处理器，经相应算法分析处理后，回馈指令到M0终端设备做出相应动作。

2.1.2 RFID物品信息采集端

为解决条形码技术相同物品具有相同的条形码，数据量有限等局限性，方案采用采用先进的高频电子标签，比对各个型号模块后，决定采用CY-14443A系列射频读写模块。它基于ISO14443标准的非接触卡读卡机专用芯片，支持 协议，支持 标准算法加密[6]。支持UART串口通信，I2C通信以及SPI通信，更加便于与处理器进行数据交互。RFID最基本的硬件体系结构由RFID标签、RFID射频天线和RFID读/写器组成。RFID系统具有数据传输处理系统，用于对RFID 读/写器发出命令以及阅读器读取的信息进行处理，以实现对整个RFID系统的控制管理[7]。

读卡器接收信号经调制解调读取卡中的信息，保存到结构体sendsbuf中，然后通过ZigBee将结构体sendsbuf中的数据发送到A9后台主系统进行相关处理，主系统通过逻辑算法分析处理数据信息，发出相应的指令信号监测货物的出入情况。

图2 CY-14443A部分电路图

2.1.3 数据信息交互网络

由于系统需确保数据信息传递安全可靠性，在比对各个型号的ZigBee模块后，决定采用ZICM2410模块，它不仅具有 通道，传送距离可超出1 000 m，支持 位加密[8]，而且可以组成极为复杂的网络，其路由深度和网络结点规模广泛应用数据率低的监控领域。

A9服务器通过ZigBee无线通信设备与M0终端进行数据交互[9]，系统中与M0终端相接的为ZigBee终端[10]，与A9端相接的则为协调器端。 不同频段的ZigBee数据传输速率不同，本文采用载波帧听多路访问模式。使用一对RTS和CTS握手信号解决隐藏终端问题。

2.2 软件设计

2.2.1 Cortex-M0工作流程

步骤1 系统上电，对M0终端上传感器监控点进行设备初始化；

步骤2 主程序开始后M0终端为自动控制，主要任务是采集环境数据信息以及打包数据，并将打包数据发送给A9服务器；

步骤3 当有RFID刷卡动作时会产生相应中断，RFID中断服务函数会采集磁卡信息发送给A9服务器；

步骤4 当ZigBee无线通信设备接收到数据时会产生相应中断，ZigBee中断服务函数拆包数据信息。同时关闭M0终端自动控制，改为A9服务器控制M0终端。

图3 M0流程图

2.2.2 数据库开发流程

步骤1 主程序开始运行之后，处理消息队列里请求的线程、数据库线程、数据分析线程、摄像头模块控制线程等线程开始工作；

步骤2 数据库线程开始执行时，首先创建链表来存储操作数据库信息，之后进入while(1)循环；

步骤3 循环中，用pthread_wait函数进行睡眠等待，等待pthread_signal线程唤醒函数发来的唤醒信号，唤醒之后跳入下一个while(1)循环语句中；

步骤4 循环中，首先判断链表表头是否为空。如果链表表头不为空，则读取listHead->next中数据， 调用sqlite_task函数，并将该数据传参到函数中，对数据库进行相应操作，完成操作后将节点空间释放，防止内存泄漏，如此循环；

步骤5 如果链表表头为空，则直接跳回到外部循环的pthread _wait函数进行睡眠等待 ，等待下一次被其他线程唤醒[11]。

图4 数据库流程图

2.2.3 RFID标签冲突算法设计

FSA算法是RFID系统中最常见的防冲突算法[12]，然算法中帧的长度是固定的，当标签个数远大于帧长度时，会增大冲突发生的概率，大幅增加识别标签的时间。为解决FSA算法局限性，设计采用Q算法。

阅读器维持一个浮点型帧参数Qfp，初始化值为4.0。C为常量，取值为0.1～0.5。Quetry为帧开始命令，输入为Q，广播的帧长为2Q-1。标签一旦接受到阅读器发送的Quetry指令，会重新选择要回复的时隙序号。过程如下：阅读器根据时隙回复来跳帧Qfp[13]，如果前一个时隙没有标签回复，Qfp减去常量C，最小保证为0；如果前一个时隙有多个标签回复即为冲突，Qfp加上常量C，最大保证为15；如果前一个时隙只有一个标签回复，Qfp保持不变。最后阅读器根据Q=round(Qfp)来决定是否需要继续该帧还是开启新的帧。

3 结束语

本文基于 内核控制系统[14]，使用嵌入式Linux开发建立数据库[15]，便于信息的插入、删除、更新、查询以及统计计量，减少企业额外运营成本的支出。基于TCP/IP协议进行的网络通信，保证数据信息的高速有效、安全可靠传输。Android移动终端更是确保实时了解仓库动态信息以及远程控制指令的发送，无须亲临现场也可有效分析，轻松实施各种应对策略。人性化界面实时更能掌控最新动态。ZigBee网络的搭建能及时精准采集各种数据，将各个监控点传感器采集的数据信息发送到主机服务器中，经算法分析处理，为制订应对策略提供实时参考信息，进行时有效监控，实现智能管理。信息化和综合化的智能管理、流程监控不仅能为企业用户带来效率提升、成本控制等效益，也可从整体上提高企业以及相关领域的信息化水平[16]。

[1] 李云洁.物联网技术与应用[M].北京:科学出版社,2012.

[2] 电子大兵.什么是IoT？[EB/OL].(2012-02-13)[2016-05-16]http://www.elecfans.com/baike/bangongshebei/tiaoma/20120213259981.html.

[3] 杨娟美.物联网在仓储管理系统中的应用[J].中国商界,2013(4):209-209.

[4] 路振铎.仓储管理中的图标分析应用研究[D].成都:西南交通大学,2009.

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[6] 陈媛媛,张恒龙.基于物联网RFID智能化仓库系统设计[J].电子科技,2014,27(9):68-70.

[7] Peter Baker.The design and operation of distribution centers within agile supply chains[J].Intemational Joumal of Production Eeonomies,2008,11(1):27-41.

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[11] 李胜永,徐勇.基于物联网技术的散货码头仓储管理系统设计[J].南通航运职业技术学院学报,2014,13(1):63-66.

[12] 翟高伟. RFID系统基Aloha标签防冲突算法的研究[D].天津:天津大学,2010.

[13] 王春红.物联网RFID技术在数字校园管理中的应用[J].电子科技,2012,25(12):30-33.

[14] 王芹,李强.智能仓储系统的设计及调试问题解决[J].德阳重装基地建设,2011(2):55-59.

[15] 陈永强,陶品,王笃强.嵌入式Linux移植[J].实验室研究与探索,2012,31(9):67-68.

[16] 朱超才.物联网在现代物流业中的应用研究[J].物联网技术,2012(9):85-87.

Design of Object Linked Storage System Based on ARM Cortex-A9

XUAN Liping，WANG Tengshuai

(School of Electrical&Control Engineering,Heilongjiang University of Science&Technology,Harbin 150022,China)

In order to facilitate the intelligent management of large-scale storage system, aiming at the problem of traditional storage system which was low efficiency and low degree of automation, The paper provides a combination of IOT technology, embedded Linux technology, ZigBee technology and other cutting-edge technology integration idea, and design a complete inventory system architecture, the A9 server can receive multiple information and timely data warehouse accordingly, the cumulative error is less than 1.5 seconds, to achieve real-time information monitoring of warehouse. Experiments show that the system makes the network and the data of the real-time synchronization has been improved, to meet the monitoring requirements of the Internet of things,also realize the intelligent unmanned monitoring warehouse in the true sense .

joint storage;embedded Linux; non-men surveillance;ZigBee technology;network intelligence

2016- 11- 03

王腾帅(1989-)，男，硕士研究生。研究方向：电力电子与电力传动。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.09.029

TN926+.23;TP316.2

A

1007-7820(2017)09-105-04