基于藏文物聯網技術物流管理系統的設計與實現

普 頓， 蔣 林， 劉嚴亮， 索朗邊巴， 肖 偉

（1.西藏大學 教務處，西藏 拉薩 850000；2.西藏大學 工學院電子信息系，西藏 拉薩 850000）

中國物流行業起步較晚，隨著國民經濟的飛速發展，物流業的市場需求持續擴大。進入21世紀以來，在國家繼續加強和改善宏觀調控政策的影響下，中國物流行業保持較快增長速度，物流體系不斷完善，行業運行日益成熟和規范。目前國內外的物聯網技術[1-2]已經有了一定的成果，技術相對比較成熟，但是，結合藏文信息和物聯網技術的物流系統很少受到關注。一方面，是由于其市場受到較大的限制，企業的觀注度自然下降；另一方面，藏文物聯網技術目前還處于萌芽狀態，投入這方面的項目和資金也很少。這就導致在西藏地區物流公司的信息化建設發展緩慢，使用人力進行貨物的清點和接收仍然是主要的運作方式，極大地浪費了人力資源。

本系統把藏文信息技術和當今最前沿的物聯網技術結合起來，為西藏物流系統的信息化和自動化提供了解決方案。同時采用MSP430F2101作為主控芯片，應用nRF24L01作為無線射頻芯片[3]，其有效距離為10 m，物流中心的貨物都標識上唯一的貨物ID，ID號中包含物品的發送公司，其負責人的聯系方式；貨物接收公司，其負責人的聯系方式；負責托運公司信息、聯系方式；物品運輸的注意事項等內容，該系統融合了藏文信息技術和物聯網技術，上位機采用藏漢雙語界面，能夠全自動實現物品的入庫和出庫管理，極大地節省了人力成本。

1 系統硬件設計

1.1 硬件整體設計

根據本系統各功能的需求，其硬件框圖主要由MSP430主控芯片、攝像頭模組、nRF24L01無線收發模塊、天線模塊、系統上位機（物流管理系統）及物聯網數據庫組成。本設計所選用的主控芯片是MSP430F2101，它是一種16位超低功耗的混合信號處理器，在活躍模式下最大電流為350 μA，RAM數據保持方式下耗電僅0.1 μA；攝像頭模組主要用于監控整個物流中心貨物的進出情況；nRF24L01無線接收模塊主要用于發射和接收射頻信號，進行識別貨物的ID號。物聯網數據庫主要是作為本系統的相關信息的存儲單元，將每個ID號相對應的具體信息都存儲在內，再通過聯網，就能實現異地查詢貨物的相關信息；天線模組主要是收發信號時所用；系統上位機主要是利用一臺安裝有SQL server2005、VB軟件及該物流管理系統的PC機組成；其硬件整體框圖如圖1所示。

圖1 硬件整體框圖Fig.1 Block diagram of overall hardware

本系統硬件主要由nRF24L01模塊和控制單片機MSP430構成。nRF24L01模塊與單片機的SPI總線直接相連，在簡化接口設計的同時也提高了系統的可靠度。nRF24L01無線射頻芯片具有高達2 Mb/s的傳輸速度；內置CRC校驗和出錯重傳機制；以及在2 Mb/s速度下接收電流為12.3 mA，0 dBm發送電流為11.3 mA的低功耗等特點。

上位機通過串口將數據和參數傳送給發射端/接收端的控制單片機。發射端在脈沖輸入的上升沿將數據發射出去，其發射原理框圖如圖2所示；接收端接收到數據時利用中斷提醒接收端單片機進行數據接收，解碼正確后進行脈沖輸出和數據傳送。對接收端脈沖輸出信號與發射端的脈沖輸入信號進行時間延時測量，便可獲得同步信號無線傳輸的時延值。

圖2 無線發射的系統框圖Fig.2 Block diagram of wireless transmitter system

1.2 硬件電路原理圖

1.2.1 nRF24L01硬件電路原理圖

1）nRF24L01的性能及應用電路

nRF24L01是一款新型單片射頻收發器件，工作于2.4～2.5 GHz ISM頻段，工作電壓1.9～3.6 V。可通過SPI寫入數據，最高可達10 Mbit/s，數據傳輸速率最快可達2 Mbit/s，并且具有自動應答和自動再發射功能。芯片融進了增強式ShockBurst技術，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。 其應用原理結構圖[4]如圖3所示。

該芯片功耗低，－6 dBm功率發射時，工作電流9 mA，接收時工作電流只有12.3 mA，可選擇的掉電模式和空閑模式使其應用設計更為方便。nRF24L01功耗低，在以－6 dBm的功率發射時，工作電流也只有9 mA；接收時工作電流只有12.3 mA，多種低功率工作模式（掉電模式和空閑模式）使節能設計更方便。模塊中nRF24L01和 MSP430通過MOSI、MISO和SCK組成SPI接口，單片機接32.768 kHz的低頻晶振工作，nRF24L01外接晶振為16 MHz，由低速的單片機控制高速收發的射頻芯片，內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊，并融合了增強型ShockBurst技術，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。

nRF24L01模塊與單片機的SPI總線直接相連，該模塊主要由發射端和接收端兩個模塊組成，每個模塊只可進行單向數據的高速傳輸和控制，該系統包涵2個無線高速多頻道，通過控制字實現不同的功能（發送和接收），用戶還可以更改源程序進行多頻無線通訊。

圖3 nRF24L01模塊原理圖Fig.3 Block diagram of nRF24L01

SPI口為同步串行通信接口，最大傳輸速率為10 Mb/s，傳輸時先傳送低位字節，再傳送高位字節。但針對單個字節而言，要先送高位再送低位。與SPI相關的指令共有8個，使用時這些控制指令由nRF24L01的MOSI輸入。相應的狀態和數據信息是從MISO輸出給MCU。 nRF24L0l所有的配置字都由配置寄存器定義，這些配置寄存器可通過SPI口訪問。nRF24L01的配置寄存器共有25個，常用的配置寄存器如表1所示。

表1 寄存器配置表Tab.1 Register configuration table

2）nRF24L01的引腳功能及工作模式

nRF24L01各引腳功能如表2所示。

通過配置寄存器可將nRF241L01配置為發射、接收、空閑及掉電4種工作模式，如表3所示：

待機模式1主要用于降低電流損耗，在該模式下晶體振蕩器仍然是工作的；

表2 nRF24L01引腳功能表Tab.2 nRF24L01 pin menu

表3 nRF24L01的工作模式表Tab.3 nRF24L01 operating mode table

待機模式2則是在當FIFO寄存器為空且CE=1時進入此沒收；

待機模式下，所有配置字仍然保留。

在掉電模式下電流損耗最小，同時nRF24L01也不工作，但其所有配置寄存器的值仍然保留。

1.2.2 MSP430F2101芯片電路原理圖

本物流管理系統采用MSP430F2101芯片作為主控芯片，該芯片具有超低功耗的優點:活動模式 280 μA，1 MHz，2.2 V；待機模式1.1 μA；掉電模式（RAM 數據保持）0.1 μA。 并且有12位A/D轉換器，帶有內部參考源、采樣保持、自動掃描特性等。串行通信時可軟件選擇UART/SPI模式，驅動液晶能力最多可達160段。

MSP430F2101芯片的CPU集成了16個寄存器，極大地縮短了指令執行周期，寄存器到寄存器的指令只需一個機器周期。其中R0～R3寄存器有特殊用途，分別用作程序計數器、堆棧指針、狀態寄存器和常數發生器。其他寄存器可作為通用寄存器使用，外圍模塊通過數據，地址和控制總線與CPU相連，CPU通過操作指令可以方便對它們進行控制。其內部結構框圖如圖4所示。

圖4 MSP430F2101的內部結構框圖Fig.4 MSP430F2101 block diagram of the internal structure

主控板MSP430F2101主要由：基本時鐘模塊結構（內部頻率高達16 MHz，外部32 kHz晶振，外部16 MHz高頻晶振，外部時鐘信號），帶3個捕獲/比較寄存器的16位定時器Timer_A，片內比較器，用于模擬信號比較或作斜邊A/D轉換，具有Bootstrap程序裝載器，1 kB＋256B Flash存儲器128 B RAM。

MSP430有一個活動模式和5個可軟件設置的低功耗模式.中斷事件可把系統從任何低功耗模式喚醒，并且在執行完中斷服務例程后可返回到中斷前的工作狀態。

MSP430支持如下6種運行模式，可軟件設置：

2 系統軟件設計

本系統的最終用戶為全國各地物流公司，同時為了在少數民族地區得于大面積推廣，還采用了藏漢雙語界面，使少數民族地區的物流公司更加的方便，為了推動物流行業的發展及智能化，設計了基于藏文物聯網的物流管理系統，主要用于西藏地區的物流中心，為了更好的服務于西藏人民、為了在西藏地區得到更進一步的應用推廣，本項目設計了藏漢雙語的界面，方便其操作。

本項目基于RFID技術[5]，設計了基于藏文[6]物聯網技術的物流系統解決方案，該方案可以用于物流中心的貨物收發及信息的存儲、查詢等功能。本項目可用于那曲物流中心進行物品收發的管理，具有方便快捷，效率高的特點，上位機采用藏文、漢文界面，方便用戶操作。

2.1 主程序流程框圖

主程序是一個封閉的循環，登陸工程主界面后，通過界面及各種芯片的初始化后，接收貨物的ID號，更新數據庫，實現貨物統計的功能。本設計以MSP430為主控板、以nRF24L01為核心構建無線收發模塊，單片機MSP430與nRF24L01收發模塊通過SPI總線通信；單片機MSP430與PC機端主要以UART協議進行串口通信，串行通信選擇UART/SPI模式，驅動液晶能力最多可達160段，其串口速率設定為“9 600，8，N，1”。 其主程序流程框圖如圖5所示。

圖5 主程序流程框圖Fig.5 Flow chart of main program

2.2 主界面程序設計

本系統利用VB語言[7]作出主程序界面，實現視頻監控、拍照、接收貨物的ID號并調用后臺數據庫顯示貨物相關信息及其圖片。界面對象中包含若干控件如命令按鈕、文本框及相關控件實現信息顯示及相關功能。數據庫是一種存儲數據并對數據進行操作的工具，數據庫的作用在于組織和表達信息。計算機的數據庫可以分為兩類：非關系數據庫（flat-file）和關系數據庫（relational）。關系數據庫中包含了多個數據表的信息，數據庫含有各個不同部分的術語，象記錄、域等。 利用關系數據庫存儲貨物的相關信息，該數據庫實現物聯網系統聯網且可以實現添加、查詢、編輯、刪除記錄及更新的功能。這幾種操作均可由Visual Basic創建的程序來完成。

2.3 無線收發程序設計

發射數據時，首先將nRF24L01配置為發射模式：接著把接收節點地址TX_ADDR和有效數據TX_PLD按照時序由SPI口寫入nRF24L01緩存區，TX_PLD必須在CSN為低時連續寫入，而TX_ADDR在發射時寫入一次即可，然后CE置為高電平并保持至少 10 μs，延遲 130 μs后發射數據；若自動應答開啟，那么nRF24L01在發射數據后立即進入接收模式，接收應答信號 （自動應答接收地址應該與接收節點地址TX_ADDR一致）。如果收到應答，則認為此次通信成功，TX_DS置高，同時TX_PLD從TX FIFO中清除；若未收到應答，則自動重新發射該數據（自動重發已開啟），若重發次數（ARC）達到上限，MAX_RT置高，TX FIFO中數據保留以便在次重發；MAX_RT或TX_DS置高時，使IRQ變低，產生中斷，通知MCU。最后發射成功時，若CE為低則nRF24L01進入空閑模式1；若發送堆棧中有數據且CE為高，則進入下一次發射；若發送堆棧中無數據且CE為高，則進入空閑模式2。其發射程序流程圖如圖6所示。

圖6 無線發射程序流程圖Fig.6 Flow chart of wireless transmitter

接收數據時，首先將nRF24L01配置為接收模式，接著延遲130 μs進入接收狀態等待數據的到來。當接收方檢測到有效的地址和CRC時，就將數據包存儲在RX FIFO中，同時中斷標志位RX_DR置高，IRQ變低，產生中斷，通知MCU去取數據。若此時自動應答開啟，接收方則同時進入發射狀態回傳應答信號。最后接收成功時，若CE變低，則nRF24L01進入空閑模式1。

3 系統整體測試效果

用戶登陸界面如圖7所示。經過實際測試，本項目的主界面友好，操作簡便，而且本藏文物流系統的相關控件、菜單功能正常。測試顯示數據庫連接正常，能夠方便快捷的調用貨物的相關信息。無線發射模塊通過天線發射射頻信號功能良好，在12 m以內其接收模塊能夠無差錯的接收貨物ID號及相關信息，并能更新數據庫信息。收發功能及界面操作良好，接收模塊收到相關信息后，整合處理交PC機處理并更新數據庫，而且數據庫能夠達到聯網的效果。總之，能實現基本功能且操作簡便。

圖7 用戶登陸界面Fig.7 User login screen

使用者要通過正確登陸用戶界面才能進入該藏文物流系統，該界面是用藏漢雙語制作的，方便少數民族地區的物流公司使用，其主要保證物流公司及用戶的安全性，當密碼被盜或出現其他異常時可以修改其密碼。

工程主界面展示圖如圖8所示。

工程的主界面包含藏漢雙語，便于藏族地區的物流中心使用。圖8所示的工程主界面主要實現該系統的基本操作，使功能的實現更加容易，通過上圖可以看出該系統能夠顯示進出貨物的ID號、貨物的發送公司、發送負責人及個公司的聯系方式等貨物的相關信息，并能更新物聯網數據庫。

圖8 工程的主界面效果圖Fig.8 Main interface rendering works

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