文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
文章編號: 0258-7998(2011)02-0120-03
在傳統(tǒng)的倉庫管理中,利用手工錄入信息的方法存在效率低下、易出差錯、更新及維護(hù)困難、缺少基于WSN網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)采集手段等缺點。隨著我國物流倉儲技術(shù)的發(fā)展,條碼技術(shù)作為一種自動識別技術(shù),具有輸入速度快、準(zhǔn)確度高、成本低、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點,在倉儲管理中得到了廣泛的應(yīng)用。目前,在二維條碼設(shè)備開發(fā)研制生產(chǎn)方面,美國、日本等國的設(shè)備制造商生產(chǎn)的條碼識讀設(shè)備和條碼生成設(shè)備,已廣泛應(yīng)用于各類二維條碼應(yīng)用系統(tǒng)[1],而國內(nèi)也主要使用國外產(chǎn)品。這些產(chǎn)品識讀的碼制大多是國外研發(fā)的,并且其中的無線產(chǎn)品大多采用藍(lán)牙傳輸協(xié)議,存在技術(shù)復(fù)雜、成本高、功耗大、傳輸距離短及組網(wǎng)節(jié)點少等問題。國內(nèi)也有一些條碼識讀器,但是大多采用有線方式,現(xiàn)場操作很不方便。將條碼識別技術(shù)與無線通信技術(shù)相結(jié)合,可以實現(xiàn)對物品信息快速、準(zhǔn)確、實時錄入,并且能夠在一定程度上降低設(shè)備成本,加快倉庫管理信息化。
1 系統(tǒng)功能和總體結(jié)構(gòu)
1.1 系統(tǒng)功能
本文所設(shè)計的無線條碼數(shù)據(jù)采集器具有現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)采集、傳輸、自動存儲、即時顯示、即時反饋、自動處理等功能。操作人員可以根據(jù)實際需求選擇標(biāo)準(zhǔn)模式、快速模式或批量模式完成對物品的入庫、出庫、點驗等操作。
1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
由于嵌入式系統(tǒng)在功能、可靠性、成本、體積以及功耗等方面都具有優(yōu)勢,可真正實現(xiàn)對產(chǎn)品的“量身定做”和便攜化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計。
本系統(tǒng)應(yīng)用嵌入式技術(shù),采用模塊化設(shè)計思想,結(jié)構(gòu)模型主要由條碼識別模塊、微處理器和無線數(shù)傳模塊三大模塊構(gòu)成,如圖1所示。微處理器作為主控制器,控制條碼識別模塊和無線傳輸模塊分別對二維條碼數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和發(fā)送。各功能模塊相互獨立,便于維護(hù)。除了上述主要構(gòu)成模塊之外,整個系統(tǒng)還需要其他必備的外圍模塊電路,包括電源模塊、存儲器擴(kuò)展模塊、鍵盤掃描模塊、顯示模塊,本文中不做重點闡述。
1.2.1 條碼識別模塊
二維條碼識讀是通過獲取二維條碼符號上的圖像信息,譯碼得到符號承載信息的過程。二維條碼識讀主要采用攝像式識讀方式。其識讀過程:首先由光源發(fā)光對條碼照明,二維條碼圖像通過光學(xué)透鏡成像在CMOS半導(dǎo)體傳感器上,再通過直接數(shù)字化(CMOS技術(shù))輸出圖像數(shù)據(jù),由外部擴(kuò)展存儲器存儲該數(shù)據(jù),再送到處理器芯片進(jìn)行碼字分割、碼字識別、信號糾錯等處理;譯碼后的二維條碼數(shù)據(jù)通過接口電路傳送到主控制器,由主控制器控制其顯示和無線傳輸。
本系統(tǒng)選用國內(nèi)自主知識產(chǎn)權(quán)的EM3000二維條碼掃描引擎,它集成了光學(xué)系統(tǒng)、圖形數(shù)字化、圖形處理和解碼軟件及相關(guān)電路,采用600 MHz的微處理器,能快速識別目前市場上所有主流應(yīng)用的、符合國際標(biāo)準(zhǔn)的一維及二維條碼,如PDF417、QR Code、Datamatrix、Aztec、漢信碼等。EM3000由主板電路、CMOS 板電路、光源板電路組成,如圖2所示。EM3000不僅提供串口與外界通信,同時還提供相應(yīng)接口用來觸發(fā)蜂鳴器和LED。
EM3000工作流程:掃描引擎初始化、攝取圖像、圖像預(yù)處理、圖像二值化、符號定位或?qū)は?、提取校正網(wǎng)格信息、符號采樣、碼圖譯碼、糾錯譯碼和信息譯碼。
1.2.2 無線通信模塊
ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用于無線監(jiān)測與控制的全球性無線通信標(biāo)準(zhǔn),具有低成本、低速率、近距離、短延時、高容量、高安全、免執(zhí)照頻段等特點,可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、家庭自動化、醫(yī)療護(hù)理、智能農(nóng)業(yè)、消費類電子和遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域[2]。因為ZigBee大多數(shù)時間都處于睡眠模式,所以特別適合用在功耗要求嚴(yán)格的場合,如電池供電設(shè)備。
本系統(tǒng)的ZigBee無線傳輸模塊主要由CC2430構(gòu)成,CC2430是Chipcon公司生產(chǎn)的符合ZigBee技術(shù)的 2.4 GHz 射頻系統(tǒng)單芯片。 該芯片具有從休眠模式轉(zhuǎn)換到主動模式用時短的特性,特別適合要求電池壽命非常長的應(yīng)用場合[3]。CC2430芯片在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器,使用一個8 bit MCU(8051),具有32/64/128 KB可編程Flash和8 KB的RAM,還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、定時器(Timer)、AES128 協(xié)同處理器、看門狗定時器、32 kHz 晶振的休眠模式定時器、上電復(fù)位電路(Power On Reset)、掉電檢測電路(Brown Out Detection)以及21 個可編程 I/O 引腳。CC2430/CC2431芯片采用 0.18 μm CMOS 工藝生產(chǎn),工作時的電流損耗為27 mA;在接收和發(fā)射模式下,電流損耗分別低于27 mA或25 mA[4]。
無線模塊的構(gòu)成如圖3所示,該模塊將采集器采集到的二維條碼信息以無線方式傳送到服務(wù)器。
1.2.3 主控制器模塊
在條碼數(shù)據(jù)采集方面,有的方案采用S3C2410X作為系統(tǒng)核心處理器[5],該芯片集成度高、價格低,但是它屬于商用級芯片,環(huán)境適應(yīng)能力和可靠性方面有所欠缺。根據(jù)系統(tǒng)要求,對于處理器的選擇,除了要具備接口豐富、可靠性好和性價比高的特點之外,還要具有低功耗特性。因此本采集器核心控制模塊選用在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的MOTOROLA芯片MCF5249。MCF5249是以ColdFire 32 bit微處理器為基礎(chǔ)的高性能處理器,最高工作頻率為140 MHz,性能可達(dá)125Dhrystone 2.1 MIPS,而功耗僅為1.3 mW/MHz。本系統(tǒng)中,MCF5249通過串口TTL電平方式與條碼掃描模塊和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊相連,控制整個采集器內(nèi)部數(shù)據(jù)的傳輸。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1 無線傳輸模塊與主控芯片的連接電路
控制器MCF5249既要與條碼掃描引擎EM3000進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,又要與ZigBee無線傳輸模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。為了實現(xiàn)在一個信道中同時處理這兩路信號,系統(tǒng)采用了多路復(fù)用芯片MAX4052ACEE將一路UART信號分成多路,分別接EM3000和ZigBee無線傳輸模塊,其中引腳TX1和RX1用于連接無線模塊。無線傳輸模塊與 MCF5249連接電路如圖4所示。
服務(wù)器采用RS232接口與ZigBee協(xié)調(diào)器連接。采集器通過無線傳輸模塊將采集到的條碼信息上傳到服務(wù)器。
2.2 EM3000與主控芯片的連接電路
本系統(tǒng)中EM3000與主控制器MCF5429之間通過串口進(jìn)行通信,操作人員通過按鍵觸發(fā)EM3000掃描條碼,并將掃描到的條碼信息通過串口傳送到控制器。掃描模塊在掃描失敗時會給主控制器發(fā)送錯誤提示,在一個工作循環(huán)結(jié)束后,掃描模塊會自動轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài),以減少功耗。EM3000與MCF5249硬件接口電路如圖5所示。EM3000左邊接相應(yīng)的蜂鳴器和LED驅(qū)動電路[6]。
EM3000首先通過CMOS圖像傳感器攝取條碼圖像,并對條碼圖像進(jìn)行預(yù)處理,再對預(yù)處理后的圖像進(jìn)行二值化、尋像定位、采樣、信息譯碼和糾錯譯碼等處理后,將條碼信息還原成原始信息,并將數(shù)據(jù)傳送到主控制器。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
整個條碼采集系統(tǒng)由POS端和PC端構(gòu)成。條碼識別模塊獲取條碼數(shù)據(jù)后,通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)以無線通信方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器。
根據(jù)倉庫管理的需求,POS端可對條碼信息進(jìn)行入庫、出庫和點驗等相關(guān)操作,并有標(biāo)準(zhǔn)模式、快速模式及批量模式三種工作模式可供操作人員根據(jù)實際需求進(jìn)行選擇。
POS端與服務(wù)器聯(lián)網(wǎng)成功后,即可登錄到采集器工作界面;操作員根據(jù)實際需求選定工作模式并確定操作類別,此時便可以開始掃描、采集條碼數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)通過ZigBee無線傳輸給服務(wù)器。根據(jù)不同的工作模式,POS端會有不同的處理方式。
3.1 無線模塊的軟件設(shè)計
為了實現(xiàn)多人同時操作POS機(jī),本系統(tǒng)利用ZigBee技術(shù)將多個數(shù)據(jù)采集器組網(wǎng),形成一個無線傳感器采集網(wǎng)絡(luò),通過ZigBee無線通信方式與服務(wù)器通信,從而實現(xiàn)快速、方便、準(zhǔn)確采集條碼信息。本系統(tǒng)所采用的ZigBee網(wǎng)絡(luò)由一個ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點與多個ZigBee終端節(jié)點組成,構(gòu)成點對多點的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),以點對多點的形式對信息收發(fā)進(jìn)行控制。整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由采集器終端、服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫以及管理器組成。
3.1.1 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計
首先對協(xié)調(diào)器上電,進(jìn)行初始化,然后啟動ZigBee網(wǎng)絡(luò),當(dāng)有POS機(jī)節(jié)點加入時,分別給每一個POS機(jī)節(jié)點分配地址,POS機(jī)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。然后啟動按鍵進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,并由POS機(jī)節(jié)點發(fā)送請求,等待協(xié)調(diào)器接收采集到的數(shù)據(jù),如果接收到數(shù)據(jù),則將數(shù)據(jù)上傳給服務(wù)器。協(xié)調(diào)器的工作流程圖如圖6所示。
3.1.2 采集器節(jié)點軟件設(shè)計
POS端開機(jī)后,首先進(jìn)行設(shè)備初始化,尋找網(wǎng)絡(luò);與服務(wù)器聯(lián)網(wǎng)成功后,即可登錄到采集器工作界面;操作人員通過按鍵觸發(fā)采集器進(jìn)行條碼信息采集,并根根據(jù)所選擇的工作模式將采集到的信息通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)無線上傳給服務(wù)器。采集器節(jié)點工作流程如圖7所示。
由于POS機(jī)由電池供電,能量受限,除加入網(wǎng)絡(luò)請求和發(fā)送數(shù)據(jù)外,節(jié)點大部分時間處于休眠狀態(tài)。平時無線模塊處于休眠狀態(tài),當(dāng)有無線傳送請求時,控制器用一個I/O信號將其激活,響應(yīng)無線傳送請求,然后又進(jìn)入休眠狀態(tài)。處于休眠狀態(tài)時大部分電路處于關(guān)閉狀態(tài),芯片內(nèi)含的許多模塊也都關(guān)閉,只留下中斷,從而節(jié)省了POS機(jī)的功耗。
3.2 遠(yuǎn)程PC機(jī)管理系統(tǒng)
PC端軟件主要實現(xiàn)串口通信、顯示采集到的條碼數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫的訪問。打開管理系統(tǒng)后,顯示條碼編號、類型編號、姓名、類型名稱、型號、材質(zhì)、生產(chǎn)廠家等信息。采集到的條碼數(shù)據(jù)能實時顯示和存儲在數(shù)據(jù)庫中,并能夠顯示條碼對應(yīng)物品的入庫時間、出庫時間、點驗時間、入庫POS機(jī)號、出庫POS機(jī)號、點驗POS機(jī)號,從而可以實施對倉庫的信息化管理。
系統(tǒng)軟硬件裝配完畢后,對數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行了功能測試,針對其標(biāo)準(zhǔn)、快速、批量三種不同操作模式分別測試了其入庫、出庫以及點驗的數(shù)據(jù)錄入和實時傳輸性能,測試結(jié)果如圖8所示。數(shù)據(jù)庫接收到的數(shù)據(jù)與實際條碼數(shù)據(jù)完全一致,表明該采集器數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確,實現(xiàn)了對二維條碼信息的實時傳輸及自動管理,滿足了系統(tǒng)設(shè)計要求。
本系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù),利用CC2430芯片完成采集器和服務(wù)器的實時無線數(shù)據(jù)通信,功能測試表明,該無線條碼數(shù)據(jù)采集器實現(xiàn)了對物品二維條碼的快速、準(zhǔn)確采集,實時傳輸及自動管理,有效地提高了倉庫管理的可靠性與有效性,能夠滿足典型倉庫信息化管理的需求。使倉庫管理模式實現(xiàn)了兩個轉(zhuǎn)變:(1)從傳統(tǒng)的依靠經(jīng)驗管理轉(zhuǎn)變?yōu)橐揽烤_的數(shù)字分析管理。(2)從事后管理(隔一段時間進(jìn)行結(jié)算、盤點)轉(zhuǎn)變?yōu)閷崟r管理,大大提高了倉庫管理的信息化水平。
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