基于STM32的嵌入式銀行排隊(duì)系統(tǒng)智能叫號終端設(shè)計(jì)

鄭海成 謝云

（廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院）

1 引言

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，長時(shí)間的站立排隊(duì)已成為金融機(jī)構(gòu)、電信、醫(yī)院、政府辦事大廳等場所的常見現(xiàn)象，以通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的智能排隊(duì)管理系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。而傳統(tǒng)的排隊(duì)系統(tǒng)中采用有線叫號終端，并且只有基本的呼叫票號功能，無法應(yīng)對日益提升的客戶功能需求。同時(shí)，由于傳統(tǒng)叫號器采用都是較為落后的8位單片機(jī)處理器，無法應(yīng)付大客戶量、大通信量及復(fù)雜的任務(wù)調(diào)度的需求[1]。

因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式技術(shù)智能排隊(duì)叫號終端，由32位處理器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的8位處理器，并通過ZIGBEE通信模塊實(shí)現(xiàn)無線叫號功能。相對傳統(tǒng)叫號器增加票號轉(zhuǎn)移、客戶評價(jià)、VIP客戶特呼等功能，較好的解決了排隊(duì)系統(tǒng)中存在的幾個(gè)實(shí)際問題。并通過嵌入式操作系統(tǒng)uC/OS-II進(jìn)行銀行任務(wù)調(diào)度，更好地進(jìn)行復(fù)雜業(yè)務(wù)的管理。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 叫號終端與主控系統(tǒng)關(guān)系

每個(gè)叫號終端作為一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，通過ZIGBEE模塊設(shè)置其節(jié)點(diǎn)地址，每個(gè)叫號終端有自己特定的物理 ID地址（UID、PID、GID、TID）。在主控系統(tǒng)中應(yīng)用的通信模塊選用中心節(jié)點(diǎn)模式，有自己唯一的中心節(jié)點(diǎn)地址。各個(gè)叫號終端通過主從模式與主控系統(tǒng)進(jìn)行叫號業(yè)務(wù)通信[2]，主控系統(tǒng)通過接收的數(shù)據(jù)體區(qū)分每個(gè)叫號終端的物理 ID，從而區(qū)分不同窗口發(fā)過來的請求信息，叫號終端與主控系統(tǒng)關(guān)系圖如圖1所示。

圖1 叫號終端與主控系統(tǒng)關(guān)系圖

2.2 叫號終端的硬件結(jié)構(gòu)

叫號終端與外圍設(shè)備連接框圖如圖2 所示。智能叫號終端主要包括處理器主控模塊、鍵盤掃描模塊、EEPROM存儲模塊、ZIGBEE通信模塊和液晶顯示模塊等。

圖2 叫號終端與外圍設(shè)備連接框圖

處理器通過UART0接口與ZIGBEE模塊連接，與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并通過UART1接口與評價(jià)器連接，實(shí)現(xiàn)每次叫號服務(wù)后的評價(jià)服務(wù)。此外，本設(shè)計(jì)通過EEPROM的掉電存儲功能，給每個(gè)叫號終端標(biāo)識一個(gè)唯一的物理ID，每次上電前進(jìn)行ID驗(yàn)證，此ID地址也在后續(xù)的通信格式上作為終端節(jié)點(diǎn)的區(qū)分地址，從而使主控系統(tǒng)能很好地識別不同窗口的叫號終端發(fā)過來的票號申請信息，從而更好地進(jìn)行票號管理和調(diào)度。

2.3 主處理器與外圍設(shè)備通信電路設(shè)計(jì)

如圖 3所示，本文的主處理器選用 ST公司的STM32F103VBH6芯片，該芯片基于ARM Cortex-M3 32位的 RISC內(nèi)核，工作頻率最高可達(dá) 72MHz[3]。ZIGBEE通信模塊選用順舟科技的SZ05模塊，處理器與通信模塊通過USART1_TX和USART1_RX引腳連接，在叫號終端中應(yīng)用的通信模塊選用終端節(jié)點(diǎn)工作模式（即把通信模塊上的DS引腳接地）。

圖3 主處理器與外圍設(shè)備通信電路設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括3部分：叫號終端任務(wù)狀態(tài)優(yōu)先級設(shè)計(jì)、叫號業(yè)務(wù)狀態(tài)流程設(shè)計(jì)和叫號終端通信業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)格式設(shè)計(jì)。

3.1 叫號終端任務(wù)狀態(tài)優(yōu)先級設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中，基于uC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)的系統(tǒng)任務(wù)優(yōu)先級劃分如表1所示[4]。

表1 叫號終端系統(tǒng)任務(wù)優(yōu)先級劃分

由于在uC/OS-II中最多可以支持64個(gè)任務(wù)，分別對應(yīng)優(yōu)先級0～63，其中0為最高優(yōu)先級，63為最低級。系統(tǒng)保留了4個(gè)最高優(yōu)先級的任務(wù)和4個(gè)最低優(yōu)先級的任務(wù)，所有用戶可以使用的任務(wù)數(shù)有56個(gè)，所以最高優(yōu)先級任務(wù)從5開始。

本設(shè)計(jì)中，除了Task_Init和Task_Idle任務(wù)為系統(tǒng)自帶，其他9個(gè)任務(wù)均由用戶創(chuàng)建。Task_Init是系統(tǒng)的第一個(gè)任務(wù)，對系統(tǒng)時(shí)鐘和底層設(shè)備進(jìn)行初始化，創(chuàng)建所有事件和其他各項(xiàng)用戶任務(wù)，并對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測；Task_Login任務(wù)主要完成銀行柜臺員工的身份登錄和發(fā)送信息驗(yàn)證，當(dāng)用戶登錄后，此任務(wù)將一直被掛起，直到有用戶退出登錄為止；Task_Uart1任務(wù)是叫號終端與主控系統(tǒng)進(jìn)行業(yè)務(wù)通信，包括叫號、棄號、轉(zhuǎn)移、VIP特呼等業(yè)務(wù)狀態(tài)的申請；Task_Uart0相對Task_Uart1優(yōu)先級略低，是因?yàn)榇巳蝿?wù)是有條件性的，在每次完成辦理之后，才調(diào)用此任務(wù)把通信對象切換成叫號終端與評價(jià)器，客戶通過評價(jià)器進(jìn)行評價(jià)，完成最終業(yè)務(wù)辦理。評價(jià)完畢后，此任務(wù)將一直被掛起直到下一次業(yè)務(wù)的辦理結(jié)束；Task_Timer_QueNum任務(wù)主要是通過定時(shí)器，每隔十秒定時(shí)中斷向主控系統(tǒng)發(fā)出申請更新排隊(duì)人數(shù)；Task_Timer_Timout任務(wù)是在每次由叫號終端向主控系統(tǒng)發(fā)送命令申請時(shí)，若超過三秒未收到應(yīng)答，則自動跳轉(zhuǎn)到上一個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)；Task_Keyscan任務(wù)是整個(gè)叫號終端的核心，主要是進(jìn)行鍵盤掃描和具體業(yè)務(wù)流程辦理，此任務(wù)的具體功能實(shí)現(xiàn)將在下一節(jié)的業(yè)務(wù)狀態(tài)流程進(jìn)行詳細(xì)分析；Task_LCD_Dis任務(wù)主要負(fù)責(zé)驅(qū)動 LCD16032進(jìn)行排隊(duì)人數(shù)和工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)更新；Task_LED任務(wù)主要是負(fù)責(zé)驅(qū)動4個(gè)LED（分別代表連接或未連接、已連上、通信中、通信完畢）進(jìn)行當(dāng)前工作狀態(tài)的顯示；Task_Stat主要負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)信息的通信，包括客戶的評價(jià)結(jié)果信息等。

3.2 叫號業(yè)務(wù)狀態(tài)流程設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中，叫號終端的業(yè)務(wù)狀態(tài)流程如圖4所示。整個(gè)叫號業(yè)務(wù)共設(shè)定了14個(gè)全局系統(tǒng)狀態(tài)變量，此14個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)與上述的9個(gè)用戶任務(wù)嵌套運(yùn)用。而主要的系統(tǒng)狀態(tài)跳變都在 Task_Keyscan任務(wù)中進(jìn)行。以下是具體系統(tǒng)狀態(tài)在各任務(wù)中的劃分：

在 Task_Init任務(wù)下，主要包括 SYS_POWER_ON、SYS_WAITING_MODIFY_SIGN、SYS_LID_MODIFYING、SYS_LID_MODIFY_ END四個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)，主要完成系統(tǒng)時(shí)鐘、串口、定時(shí)器等初始化。并在此任務(wù)中等待三秒，若有任何按鍵按下，則跳入到修改硬件號中，此設(shè)計(jì)是為了直接修改不同叫號終端的物理ID，即通過對EEPROM存儲器的讀寫，進(jìn)行物理ID的更新。

在 Task_Login任務(wù)下，主要包括 SYS_CONNECTED_WAIT_LOGIN_UID、SYS_CONNECTED_WAIT_LOGIN_PSW和SYS_CONNECTED_LOGOUT_QUERY三個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)，主要負(fù)責(zé)員工的身份登錄和退出操作。

在 Task_Keyscan任務(wù)中，主要包括 SYS_CONNECTED_LOGINED_C_UNPROCESS、SYS_CONNECTED_LOGINED_P、SYS_CONNECTED_LOGINED_MOVESERV、SYS_CONNECTED_LOGINED_C_PROCESSING、SYS_CONNECTED_LOGINE-D_SPCALL五個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)。主要包括叫號流程中的順呼、重呼、VIP特呼、轉(zhuǎn)移等功能的具體實(shí)現(xiàn)。

圖4 叫號業(yè)務(wù)狀態(tài)流程圖

3.3 叫號終端通信業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)格式設(shè)計(jì)

叫號終端與主控系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù)格式如圖 5所示，其中UID為無線網(wǎng)絡(luò)中的入網(wǎng)設(shè)備唯一識別號；PID為端口號；GID為組編號，指明硬件所屬組；TID為硬件類型號，這4個(gè)ID已被固化到每個(gè)叫號終端的EEPROM存儲器中，作為不同叫號終端的區(qū)別標(biāo)識號。每次發(fā)送數(shù)據(jù)將直接從存儲器中進(jìn)行讀取[5]。

圖5 叫號終端與主控系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù)格式

而數(shù)據(jù)體部分則進(jìn)一步細(xì)分為四位的消息類型和若干參數(shù)，消息類型代表不同的業(yè)務(wù)流程，而后續(xù)的參數(shù)為特定業(yè)務(wù)流程下要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)體。例如在“用戶登錄驗(yàn)證”狀態(tài)下，發(fā)送的數(shù)據(jù)體為“1001 |UserID | Pwd”。以下為不同業(yè)務(wù)流程下的數(shù)據(jù)體部分的具體命令格式，如表2所示。

表2 不同業(yè)務(wù)流程下的數(shù)據(jù)體具體命令格式

通信中斷接收數(shù)據(jù)處理流程如圖6所示，在通信中斷接收部分，對收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行校驗(yàn)。首先檢測是否有緩沖區(qū)存儲數(shù)據(jù)包，若無，則說明上一次中斷接收數(shù)據(jù)未完成，不接收新數(shù)據(jù)；接著檢測包長度是否正確，如果不正確，則說明不是一個(gè)完整的數(shù)據(jù)包，拒絕接收。最后進(jìn)行幀頭幀尾校驗(yàn)，本設(shè)計(jì)中設(shè)置的幀頭為AA BB，幀尾為AA CC。經(jīng)過此校驗(yàn)后進(jìn)行四個(gè)ID的檢測，以驗(yàn)證接收對象身份。若以上條件均通過，則為有效數(shù)據(jù)包，進(jìn)行數(shù)據(jù)體存儲判斷。

圖6 通信中斷接收數(shù)據(jù)處理流程

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

叫號終端所用的主控系統(tǒng)如圖7所示。PC機(jī)連接ZIGBEE PC終端，設(shè)置為中心節(jié)點(diǎn)模式；叫號終端接ZIGBEE模塊，設(shè)置為終端節(jié)點(diǎn)模式[6]。

圖7 主控系統(tǒng)軟件界面示意圖

4.1 具體步驟

（1）叫號終端根據(jù)不同的業(yè)務(wù)類型，以“消息類型+若干參數(shù)”的數(shù)據(jù)格式發(fā)送命令到主控系統(tǒng)；

（2）主控系統(tǒng)接收到叫號終端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)后，進(jìn)行消息類型分析和參數(shù)分析，并從數(shù)據(jù)庫調(diào)用相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送回叫號終端；

（3）叫號終端接收到主控系統(tǒng)的應(yīng)答信號后，分析數(shù)據(jù)體并進(jìn)行相應(yīng)的系統(tǒng)狀態(tài)跳變。

4.2 實(shí)例操作

（1）叫號終端向主控系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)體為：11 11 AA BB 05 00 00 00 01 00 02 00 01 00 01 00 01 00 01 00 15 31 30 30 31 7c 31 32 33 30 7c 31 32 33 30 00 AA CC。可分析消息類型為：1001 參數(shù)1：1230 參數(shù)2：1230。即在用戶登錄狀態(tài)下，發(fā)送工名為1230，密碼為1230的申請驗(yàn)證信息；

（2）主控系統(tǒng)接到數(shù)據(jù)后，給叫號終端返回應(yīng)答數(shù)據(jù)體，具體格式為：2001 | 1 | 員工名稱|窗口號|窗口名稱；

（3）叫號器接收到主控系統(tǒng)的應(yīng)答信號后，對數(shù)據(jù)體進(jìn)行分離分析，并在LCD上顯示員工名稱、窗口號和窗口名稱信息，如圖8所示。并把系統(tǒng)狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到“空閑”狀態(tài)，從而可以開始叫號業(yè)務(wù)辦理。

圖8 叫號終端收到登錄應(yīng)答后的顯示界面

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于STM32的嵌入式銀行排隊(duì)系統(tǒng)智能叫號終端，并對其硬件電路和軟件設(shè)計(jì)流程進(jìn)行詳細(xì)分析，經(jīng)過與實(shí)際主控系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試和數(shù)個(gè)銀行機(jī)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用表明：本文設(shè)計(jì)的智能叫號終端具有穩(wěn)定性好、實(shí)時(shí)性高、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，適用于對業(yè)務(wù)功能和復(fù)雜度要求較高的場所，此外也能廣泛應(yīng)用于火車站、證券中心、醫(yī)院等管理系統(tǒng)中。

[1]姜斯盈.嵌入式排隊(duì)抽號控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科學(xué)之友,2011,25(52):68-71.

[2]滕麗麗.基于單片機(jī)的銀行排隊(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].信息科技,2010,22(9).

[3]STMicroelectronic.STM32F103VB HandBook.[EB/OL].[2011-8].http://www.st.com/internet/mcu/product/164493.jsp

[4]邵貝貝.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uc/os-II(第二版)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007:39-47.

[5]劉軍.例說 STM32[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2011:220-265.

[6]ZIGBEE Alliance.ZIGBEE Home Automation Certified Products.[EB/OL].[2011-8].http://www.ZIGBEE.org/Products/CertifiedProducts/ZIGBEEHomeAutomation.aspx