基于emWin的仓储物流机器人的无线充电管理系统设计

周 彬，程进军，马宏锋

(1.兰州工业学院 电子信息工程学院，甘肃 兰州 730050；2.兰州海默科技股份公司，甘肃 兰州 730030)

0 引言

仓储物流机器人[1-3]作为智慧物流的重要组成部分，顺应了新时代的发展需求，有效解决了传统物流行业高度依赖人工、效率低下及业务高峰期分拣能力有限等瓶颈问题。但是仓储物流机器人携带电池的容量有限，需要经常进行充电，而且机器人工作环境复杂且未知，传统的锂电池充电装置多采用有线充电方式，每次充电需要插拔充电器接头，易造成接触不良、漏电等问题，且使用不便、不安全。而无线充电基于电磁感应现象、无需插拔充电插头的特点更便于机器人进行自主充电。

emWin[4]的开源化大大降低了开发嵌入式人机界面的开发成本，同时提高了开发设计触摸屏软件的效率。该设计借助emWin的优势，通过STM32F767处理器直接对触摸屏进行编程设计，实现仓储物流机器人无线充电的管理系统，对机器人的充电过程、充电费用和提醒机器人及时充电进行调度管理。

1 系统硬件设计

仓储物流机器人无线充电管理系统硬件结构如图1所示。该系统采用STM32F767[5-6]作为中央处理单元，是基于高性能的ARM Cortex-M7 的32位内核嵌入式ARM处理器，工作频率高达216 MHz，处理器自带320 KB SRAM和1 024 KB FLASH存储器，这些足够运行emWin系统；另外，STM32F767集成了诸如先进定时器、GPIO口、DMA、SPI、I2C、CAN、LCD驱动接口和12位的AD/DA等资源；加之，官方为STM32F767提供了丰富的固件库和开发资源，使得编程极其方便灵活，这一切都有利于仓储物流机器人无线充电管理系统的设计和实现。图1中，系统硬件主要模块有LCD显示屏、电能计量表(电能表)、供电电源及其他器件等。

图1 系统硬件结构Fig.1 The system hardware structure diagram

各硬件模块情况如下：

(1) LCD显示屏

LCD显示屏采用10寸大屏幕彩色触摸显示屏，显示分辨率为1 280*800，支持1 600 W真彩显示，色彩逼真，效果细腻。工作温度范围为-20～70 ℃，为emWin人机显示提供了良好的硬件基础。

(2)电能表

电能表选用在充电桩方面得到大量应用的Piolt单相多功能电能表，此表能够测量单相电压、电流、有功功率、功率因数、频率和有功电度等，并有1路RS485通信接口与各种系统的RS485进行通信。

(3)供电电源

系统供电电源采用明纬超薄开关电源MW-02-12，此电源输入电压范围宽，能够适应不同的交流电压输入，广泛应用于各种工业领域，其输入电压为90～260 V的交流电，输出12 V的直流电，为系统提供稳定地电力供应。

(4)其他器件选择

此系统的交流接触器、存储器等器件均采用工业级器件，以保障系统在工业环境下能够稳定的应用。

2 系统软件设计

emWin是GUI的高级版本，由Segger公司研发。针对嵌入式平台，开发稳定、高效的图形软件库，emWin用于提供高效且独立于处理器和显示控制器的图形用户界面，用于任何使用图形显示进行操作的应用。它与单任务和多任务环境、专用操作系统或具有任何商业RTOS兼容，支持使用任何控制器的任何 (单色、灰度或彩色)显示器 (如果有正确的驱动)；在较小显示器上无显示控制器也可运行；使用配置宏可支持任何接口；可在显示器上的任何点上写入字符和位图；利用编译时间切换可进行不同优化；对于较慢的显示控制器，可在存储器中缓存显示，将存取操作减到最少，从而获得非常高的速度，结构清晰。emWin[7]的最底层是硬件层，即最基本的板级支持软件包(BSP)，也称为底层驱动，提供了对硬件平台资源最直接的访问；emWin 软件库联系着底层硬件和用户应用程序，它运行在硬件层之上，为应用程序提供基于消息机制的图形用户界面编程接口，它的主要组成部分是：字符显示、2D图形绘制、窗口管理和控件操作等。

仓储物流机器人无线充电管理系统[4]的人机交互界面主要由充电桩菜单、管理、设置按钮和充电信息显示、电池电量状态可视化图标和充电二维码等组成。制作管理界面编程主要是调用2D图形和文字应用程序接口函数，采用 C 语言编写出对应的应用程序。

2.1 程序整体设计

系统软件以uCOSIII[8-9]为操作系统，采用多任务思想，整个系统划分为人机界面交互、触摸屏响应、电能计量、无线通信、充电控制和数据存储任务。软件采用任务优先级和时间片轮巡调度算法实现任务调度，任务之间既相对独立又通过消息队列和信号量相互联系。系统软件结构如图2所示。

图2 系统软件结构Fig.2 The system software structure diagram

2.2 人机界面交互任务

人机界面主要完成无线充电桩的人机交互功能[10-11]。该人机界面设计了登录权限管理、用户管理、充电信息和参数设置等6个无线充电桩的人机交互界面。主界面用emWin的Framewin框架，在框架中添加4个按钮控件，分别实现登录管理、用户管理、充电信息和参数设置界面的切换功能；添加一个多页显示控件(Multipage)，实现6个充电桩的充电信息显示功能，界面创建代码如下：

static const GUI_WIDGET_CREATE_INFO _aDialogCreate[]= {

{ FRAMEWIN_CreateIndirect，"Framewin"，ID_FRAMEWIN_0，0，0，1280，800，0，0x64，0 }，

{ MULTIPAGE_CreateIndirect，"Multipage"，ID_MULTIPAGE_0，0，0，1096，733，0，0x0，0 }，

{BUTTON_CreateIndirect，"登录管理"，ID_BUTTON_0，1128，250，120，60，0，0x0，0 }，

{BUTTON_CreateIndirect，"用户管理"，ID_BUTTON_1，1128，350，120，60，0，0x0，0 }，

{BUTTON_CreateIndirect，"充电信息"，ID_BUTTON_2，1128，450，120，60，0，0x0，0 }，

{BUTTON_CreateIndirect，"参数设置"，ID_BUTTON_3，1128，550，120，60，0，0x0，0 }，

}；

人机界面的其他界面用emWin的Windows框架，如充电信息界面，采用6个Windows框架，分别嵌入到Multipage上，实现充电信息显示、充电操作和充电二维码生成等功能，其显示界面如图3所示。

图3 充电桩管理系统界面Fig.3 The interface of charging pile management system

2.3 触摸屏任务

触摸屏任务主要完成人机界面的操作任务，实现充电操作、用户管理操作、充电参数设置、充电信息浏览和用户登录管理等操作任务。触摸屏任务创建程序如下：

OSTaskCreate((OS_TCB* )&TouchTaskTCB，

(CPU_CHAR* )"Touch task"，

(OS_TASK_PTR )touch_task，

(void* )0，

(OS_PRIO )TOUCH_TASK_PRIO，

(CPU_STK* )&TOUCH_TASK_STK[0]，

(CPU_STK_SIZE )TOUCH_STK_SIZE/10，

(CPU_STK_SIZE )TOUCH_STK_SIZE，

(OS_MSG_QTY 0，

(OS_TICK )0，

(void* )0，

(OS_OPT )OS_OPT_TASK_STK_CHK|OS_OPT_TASK_STK_CLR，

(OS_ERR* )&err)；

2.4 电能计量任务

电能计量任务根据充电状态读取电能表的计量数据，然后根据设定的充电参数统计充电度数，计算充电金额，统计充电时间等功能。电能计量任务流程如图4所示。

图4 电能计量任务流程Fig.4 The flow chart of Energy metering task

2.5 无线通信任务

无线通信任务实现无线充电桩发射端和接收端的通信功能，充电桩发射端实时接收充电接收端的充电状态信息，包括电池电压状态、电池充电电流和充电电池温度等。当充电桩端接收到信息后，根据电池状态情况实时调节发射端的充电功率，使电池充电状态处于最优。

2.6 充电控制任务

充电控制任务主要完成机器人无线充电的过程控制[12]，当用户确认开始给机器人进行充电时，系统控制任务根据通信任务提交的电池参数，计算需要充电电流的大小并设置充电电流，然后闭合交流接触器开始充电。充电控制任务流程如图5所示。

图5 充电控制任务流程Fig.5 The flow chart of Charge control task

2.7 数据存储任务

数据存储任务主要实现充电参数存储，实时存储在充电桩上充电情况，如充电机器人编号、充电电量、分时电量、分时电价、充电金额、充电时间、充电电压和充电电流信息。方便用户对机器人充电情况的统计分析，优化生产调配。

数据存储任务中的参数保存程序如下：

void SaveParameter(char* Parmeter_TXT)

{

char result；

static FILTXTFile；

OS_ERR err；

u32wcnt；

OSSchedLock(&err)；

result = f_open(&TXTFile，"2：/Parameter.txt"，FA_CREATE_ALWAYS|FA_WRITE)；

if(result == FR_OK)

{

do

{

result =f_write(&TXTFile，(void*)Parmeter_TXT，

strlen(Parmeter_TXT)，&wcnt)；

if(result) break；

}while(wcnt

}

f_close(&TXTFile)；

OSSchedUnlock(&err)；

}

3 结束语

该设计采用emWin进行仓储物流机器人的无线充电管理系统设计，能提供友好的充电管理开发人机交互界面，通过此界面完成查看和管理任务。设计成果证明，开发设计过程简捷高效，界面美观、工作稳定可靠，能对机器人进行实时调度充电、有效防止了机器人因无法及时充电而停工的情况发生。推而广之，emWin可以方便快速地嵌入到各类仪器仪表中，除了仓储物流部门，还可以在医疗技术、消费电子、汽车电子和工业自动化等嵌入式领域发挥巨大的作用。