倉儲物聯網數據采集終端的設計

張源偉+閆俊+雷軍+黃恒一

摘 要：介紹了一種以S5PC100為硬件平臺和嵌入式Linux為軟件平臺的倉儲物聯網數據采集終端的設計方案。該終端以基于Cortex-M0 內核的LPC11C14芯片為主控制單元，通過倉儲環境信息采集模塊將采集到的信息上傳給控制設備，并對控制設備發出的指令進行及時響應。此方案還集合了RFID技術和ZigBee技術的優勢，為物聯網技術提供了一種有效的解決方案，在現代倉儲管理中具有明顯的優勢。

關鍵詞：LPC11C14；RFID；ZigBee；環境信息采集；信息上傳

中圖分類號：TN915 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2014）02-0032-02

0 引 言

傳統的倉庫管理，一般依賴于一個非自動化的、以紙張文件為基礎的系統，完全由人工實施倉庫內部的管理，因此倉庫管理的效率極其低下[1]。基于此，本文利用目前主要的物聯網技術，全方位考慮倉儲管理研究范圍，以技術集成和運用范圍擴展為出發點，設計智能物聯網倉儲管理系統。我們利用Linux操作系統，ZigBee和RFID技術搭建倉庫智能管理系統，該系統能夠增強庫房作業的準確性和快捷性、減少整個倉庫物資出入庫中由于管理不到位造成的非法出入庫、誤置、偷竊和庫存、出貨錯誤等損失，并最大限度地減少儲存成本和保障了倉庫物資的安全。

1 終端總體設計

本設計終端采用的Cortex-M0平臺終端整體方案如圖1所示。

圖1 Cortex-M0終端整體方案

此平臺處理器是市場上現有的尺寸最小、 能耗最低、最節能的ARM處理器[2]。該終端負責對當前環境信息進行采集，初步對數據進行處理打包并通過無線通信設備ZigBee發送給S5PC100為核心的Cortex-A8端，Cortex-A8服務器對數據二次處理后給M0終端發送指令并實時響應各種操作。倉庫管理系統的相關信息主要包括溫濕度、光感度、三軸加速度、風扇、蜂鳴器、LED燈、數碼管顯示、M0終端液晶屏顯示以及進出庫的商品刷卡信息。

2 終端硬件設計

2.1 數據采集端硬件設計

該倉儲物聯網采集終端采用的是LPC11C14主控芯片，它是ARM Cortex-M0系列低功耗、低成本的32位處理器。最高主頻可以工作到50 MHz，片上內部擁有32 KB FLASH和8 KB的RAM，并且內置多個UART接口，分別用于RFID讀卡模塊連接和ZigBee的通信。無論在處理數據的速度上還是在功耗上，亦或是抗干擾能力上，它完全能夠勝任終端數據采集的重任。

RFID模塊采用CY-14443A系列射頻讀寫模塊，它是基于ISO14443標準的非接觸卡讀卡機專用芯片，采用0.6微米CMOS EEPROM工藝，支持ISO14443 typeA協議，支持MIFARE標準的加密算法。RFID讀卡模塊通過SPI接口與M0進行連接，它的中斷引腳與M0的IO口相連，在主程序中，只要判斷該IO口的電平高低，即可判斷是否有卡，如果有卡，則進行相應的讀卡操作。

2.2 ZigBee無線通信模塊硬件設計

ZigBee是近年來發展迅速的基于無線傳感器網絡的近距離、低功耗、低成本、低復雜度的無線通信技術[3]。ZigBee協議基于IEEE 802.15.4無線標準制定，包括應用層、網絡層、安全層等，可以實現網絡的自組織和自維護功能[4，5]。我們在此采用了ZICM2410無線通信模塊，它是集成CPU的單片ZigBee芯片，為ZigBee網絡提供一個高性能、低成本的射頻收發方案。

3 終端軟件設計

3.1 數據采集終端軟件設計

本系統采集終端軟件流程如圖2所示。系統上電初始化M0終端上的各個設備包括系統定時器、GPIO口、SPI、UART、I2C等設備，然后配置系統滴答定時器，設置其終端為1 ms，進而設置中斷處理函數，精確到1 s。最后將第一次采集的信息顯示在M0終端的液晶屏上。

主程序進行輪詢判斷，在沒有外部中斷的情況下主要執行環境數據的采集和M0終端液晶屏的數據顯示，并將數據打包發送給A8服務器。

當有外部RFID刷卡時，其他數據正常采集，RFID中斷函數同時對磁卡數據進行采集和校驗數據有效性，并發送給A8服務器；

當有ZigBee接收數據的中斷產生時，其他數據正常采集，ZigBee接收數據的中斷處理函數接收A8服務器發送過來的指令，執行不同的設備。

圖2 數據采集終端軟件設計流程圖

3.2 ZigBee無線通信模塊軟件設計

3.2.1 ZigBee路由算法

ZigBee路由算法的任務是在節點和節點之間建立路由，實現可靠地數據傳遞。一個完整的ZigBee路由算法應包括路由方式、路由發現和路由維護等內容[7]。而ZigBee常見的路由算法有三種：AODVjr算法，Cluster-tree算法，Cluster-tree+AODVjr算法，而ZigBee網絡目前采用的是第三種算法。該算法結合Cluster-tree和AODVjr 兩種路由算法的優點，它把網絡中的節點細分為4類， 分別是：Coordinator、RN + 、RN-、RFD。其中Coordinator、RN+、RN-都是全功能節點，但前兩者具有路由發現和消息轉發功能， 在轉發消息時啟動AODVjr算法主動查找最佳路徑；RN-沒有路由發現功能，在轉發數據時啟動Cluster-tree算法并通過自身的計算能力作出判斷，將消息轉發給父節點或者其中一個子節點；RFD是精簡功能設備，只能充當葉子節點，即只能將消息傳送給父節點， 請其轉發[6]。

3.2.2 ZigBee通信模塊的收發數據流程

本文設計的ZigBee無線通信模塊收發數據的主要流程有：初始化各個引腳和寄存器，對功能寄存器賦值，初始化SPI752等。其流程圖如圖3所示。

圖3 ZigBee通信模塊收發數據流程

4 結 語

物聯網數據采集終端是倉儲物聯網應用系統中極為重要的組成部分，極大地減少了倉儲管理的難度，并且增強了管理系統的準確性和快捷性。本文設計了一種基于LPC11C14微控制器的采集終端，能夠實現將溫濕度、光感度、三軸加速度、電壓信息以及進出倉庫的刷卡信息通過ZigBee模塊發送到Cortex-A8控制端。該終端將RFID模塊和ZigBee模塊結合，構成無線閱讀器終端，最大化地發揮各自優勢。既能完成倉庫的貨物盤點又可以實現倉庫管理的智能化。更能夠廣泛地應用于智能家居、工業監控、智能電網、環境監測等物聯網應用領域。隨著物聯網的發展，該倉儲物聯網數據采集終端必定有著廣闊的應用前景.

參 考 文 獻

[1]陳遙，吳曉波，周文.基于融合ZigBee與RFID技術的物聯網倉儲管理系統設計[J].中國物流，2012（3）：128-130.

[2]范云龍.Cortex-M0處理器初探[J].單片機與嵌入式系統的應用，2010（6）：78-81.

[3]詹杰，周仁龍，吳伶錫.基于ZigBee的公交自動報站系統的設計[J].湘潭師范學院學報，2007，29（4）：76-79.

[4]曹越，胡方明，黨妮.ZigBee網絡Cluster-Tree優化路由算法研究[J].單片機與嵌入式系統的應用，2012（10）：4-7.

[5]CUOMO F， CIPOLLONE E， ABBAGNALE A. Performance analysis of IEEE 802.15.4 wireless sensor net-works： an insight into the topology formation process [J]. Computer Networks， 2009， 53（18）： 3057-3075.

[6]郭瑞星，王慶生.ZigBee 路由算法的研究與改進[J]. 電腦開發與應用，2011（5）：32-34.

[7]周斌斌.ZigBee無線組網技術的研究[D].長沙：中南大學，2009.

摘 要：介紹了一種以S5PC100為硬件平臺和嵌入式Linux為軟件平臺的倉儲物聯網數據采集終端的設計方案。該終端以基于Cortex-M0 內核的LPC11C14芯片為主控制單元，通過倉儲環境信息采集模塊將采集到的信息上傳給控制設備，并對控制設備發出的指令進行及時響應。此方案還集合了RFID技術和ZigBee技術的優勢，為物聯網技術提供了一種有效的解決方案，在現代倉儲管理中具有明顯的優勢。

關鍵詞：LPC11C14；RFID；ZigBee；環境信息采集；信息上傳

中圖分類號：TN915 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2014）02-0032-02

0 引 言

傳統的倉庫管理，一般依賴于一個非自動化的、以紙張文件為基礎的系統，完全由人工實施倉庫內部的管理，因此倉庫管理的效率極其低下[1]。基于此，本文利用目前主要的物聯網技術，全方位考慮倉儲管理研究范圍，以技術集成和運用范圍擴展為出發點，設計智能物聯網倉儲管理系統。我們利用Linux操作系統，ZigBee和RFID技術搭建倉庫智能管理系統，該系統能夠增強庫房作業的準確性和快捷性、減少整個倉庫物資出入庫中由于管理不到位造成的非法出入庫、誤置、偷竊和庫存、出貨錯誤等損失，并最大限度地減少儲存成本和保障了倉庫物資的安全。

1 終端總體設計

本設計終端采用的Cortex-M0平臺終端整體方案如圖1所示。

圖1 Cortex-M0終端整體方案

此平臺處理器是市場上現有的尺寸最小、 能耗最低、最節能的ARM處理器[2]。該終端負責對當前環境信息進行采集，初步對數據進行處理打包并通過無線通信設備ZigBee發送給S5PC100為核心的Cortex-A8端，Cortex-A8服務器對數據二次處理后給M0終端發送指令并實時響應各種操作。倉庫管理系統的相關信息主要包括溫濕度、光感度、三軸加速度、風扇、蜂鳴器、LED燈、數碼管顯示、M0終端液晶屏顯示以及進出庫的商品刷卡信息。

2 終端硬件設計

2.1 數據采集端硬件設計

該倉儲物聯網采集終端采用的是LPC11C14主控芯片，它是ARM Cortex-M0系列低功耗、低成本的32位處理器。最高主頻可以工作到50 MHz，片上內部擁有32 KB FLASH和8 KB的RAM，并且內置多個UART接口，分別用于RFID讀卡模塊連接和ZigBee的通信。無論在處理數據的速度上還是在功耗上，亦或是抗干擾能力上，它完全能夠勝任終端數據采集的重任。

RFID模塊采用CY-14443A系列射頻讀寫模塊，它是基于ISO14443標準的非接觸卡讀卡機專用芯片，采用0.6微米CMOS EEPROM工藝，支持ISO14443 typeA協議，支持MIFARE標準的加密算法。RFID讀卡模塊通過SPI接口與M0進行連接，它的中斷引腳與M0的IO口相連，在主程序中，只要判斷該IO口的電平高低，即可判斷是否有卡，如果有卡，則進行相應的讀卡操作。

2.2 ZigBee無線通信模塊硬件設計

ZigBee是近年來發展迅速的基于無線傳感器網絡的近距離、低功耗、低成本、低復雜度的無線通信技術[3]。ZigBee協議基于IEEE 802.15.4無線標準制定，包括應用層、網絡層、安全層等，可以實現網絡的自組織和自維護功能[4，5]。我們在此采用了ZICM2410無線通信模塊，它是集成CPU的單片ZigBee芯片，為ZigBee網絡提供一個高性能、低成本的射頻收發方案。

3 終端軟件設計

3.1 數據采集終端軟件設計

本系統采集終端軟件流程如圖2所示。系統上電初始化M0終端上的各個設備包括系統定時器、GPIO口、SPI、UART、I2C等設備，然后配置系統滴答定時器，設置其終端為1 ms，進而設置中斷處理函數，精確到1 s。最后將第一次采集的信息顯示在M0終端的液晶屏上。

主程序進行輪詢判斷，在沒有外部中斷的情況下主要執行環境數據的采集和M0終端液晶屏的數據顯示，并將數據打包發送給A8服務器。

當有外部RFID刷卡時，其他數據正常采集，RFID中斷函數同時對磁卡數據進行采集和校驗數據有效性，并發送給A8服務器；

當有ZigBee接收數據的中斷產生時，其他數據正常采集，ZigBee接收數據的中斷處理函數接收A8服務器發送過來的指令，執行不同的設備。

圖2 數據采集終端軟件設計流程圖

3.2 ZigBee無線通信模塊軟件設計

3.2.1 ZigBee路由算法

ZigBee路由算法的任務是在節點和節點之間建立路由，實現可靠地數據傳遞。一個完整的ZigBee路由算法應包括路由方式、路由發現和路由維護等內容[7]。而ZigBee常見的路由算法有三種：AODVjr算法，Cluster-tree算法，Cluster-tree+AODVjr算法，而ZigBee網絡目前采用的是第三種算法。該算法結合Cluster-tree和AODVjr 兩種路由算法的優點，它把網絡中的節點細分為4類， 分別是：Coordinator、RN + 、RN-、RFD。其中Coordinator、RN+、RN-都是全功能節點，但前兩者具有路由發現和消息轉發功能， 在轉發消息時啟動AODVjr算法主動查找最佳路徑；RN-沒有路由發現功能，在轉發數據時啟動Cluster-tree算法并通過自身的計算能力作出判斷，將消息轉發給父節點或者其中一個子節點；RFD是精簡功能設備，只能充當葉子節點，即只能將消息傳送給父節點， 請其轉發[6]。

3.2.2 ZigBee通信模塊的收發數據流程

本文設計的ZigBee無線通信模塊收發數據的主要流程有：初始化各個引腳和寄存器，對功能寄存器賦值，初始化SPI752等。其流程圖如圖3所示。

圖3 ZigBee通信模塊收發數據流程

4 結 語

物聯網數據采集終端是倉儲物聯網應用系統中極為重要的組成部分，極大地減少了倉儲管理的難度，并且增強了管理系統的準確性和快捷性。本文設計了一種基于LPC11C14微控制器的采集終端，能夠實現將溫濕度、光感度、三軸加速度、電壓信息以及進出倉庫的刷卡信息通過ZigBee模塊發送到Cortex-A8控制端。該終端將RFID模塊和ZigBee模塊結合，構成無線閱讀器終端，最大化地發揮各自優勢。既能完成倉庫的貨物盤點又可以實現倉庫管理的智能化。更能夠廣泛地應用于智能家居、工業監控、智能電網、環境監測等物聯網應用領域。隨著物聯網的發展，該倉儲物聯網數據采集終端必定有著廣闊的應用前景.

參 考 文 獻

[1]陳遙，吳曉波，周文.基于融合ZigBee與RFID技術的物聯網倉儲管理系統設計[J].中國物流，2012（3）：128-130.

[2]范云龍.Cortex-M0處理器初探[J].單片機與嵌入式系統的應用，2010（6）：78-81.

[3]詹杰，周仁龍，吳伶錫.基于ZigBee的公交自動報站系統的設計[J].湘潭師范學院學報，2007，29（4）：76-79.

[4]曹越，胡方明，黨妮.ZigBee網絡Cluster-Tree優化路由算法研究[J].單片機與嵌入式系統的應用，2012（10）：4-7.

[5]CUOMO F， CIPOLLONE E， ABBAGNALE A. Performance analysis of IEEE 802.15.4 wireless sensor net-works： an insight into the topology formation process [J]. Computer Networks， 2009， 53（18）： 3057-3075.

[6]郭瑞星，王慶生.ZigBee 路由算法的研究與改進[J]. 電腦開發與應用，2011（5）：32-34.

[7]周斌斌.ZigBee無線組網技術的研究[D].長沙：中南大學，2009.

摘 要：介紹了一種以S5PC100為硬件平臺和嵌入式Linux為軟件平臺的倉儲物聯網數據采集終端的設計方案。該終端以基于Cortex-M0 內核的LPC11C14芯片為主控制單元，通過倉儲環境信息采集模塊將采集到的信息上傳給控制設備，并對控制設備發出的指令進行及時響應。此方案還集合了RFID技術和ZigBee技術的優勢，為物聯網技術提供了一種有效的解決方案，在現代倉儲管理中具有明顯的優勢。

關鍵詞：LPC11C14；RFID；ZigBee；環境信息采集；信息上傳

中圖分類號：TN915 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2014）02-0032-02

0 引 言

傳統的倉庫管理，一般依賴于一個非自動化的、以紙張文件為基礎的系統，完全由人工實施倉庫內部的管理，因此倉庫管理的效率極其低下[1]。基于此，本文利用目前主要的物聯網技術，全方位考慮倉儲管理研究范圍，以技術集成和運用范圍擴展為出發點，設計智能物聯網倉儲管理系統。我們利用Linux操作系統，ZigBee和RFID技術搭建倉庫智能管理系統，該系統能夠增強庫房作業的準確性和快捷性、減少整個倉庫物資出入庫中由于管理不到位造成的非法出入庫、誤置、偷竊和庫存、出貨錯誤等損失，并最大限度地減少儲存成本和保障了倉庫物資的安全。

1 終端總體設計

本設計終端采用的Cortex-M0平臺終端整體方案如圖1所示。

圖1 Cortex-M0終端整體方案

此平臺處理器是市場上現有的尺寸最小、 能耗最低、最節能的ARM處理器[2]。該終端負責對當前環境信息進行采集，初步對數據進行處理打包并通過無線通信設備ZigBee發送給S5PC100為核心的Cortex-A8端，Cortex-A8服務器對數據二次處理后給M0終端發送指令并實時響應各種操作。倉庫管理系統的相關信息主要包括溫濕度、光感度、三軸加速度、風扇、蜂鳴器、LED燈、數碼管顯示、M0終端液晶屏顯示以及進出庫的商品刷卡信息。

2 終端硬件設計

2.1 數據采集端硬件設計

該倉儲物聯網采集終端采用的是LPC11C14主控芯片，它是ARM Cortex-M0系列低功耗、低成本的32位處理器。最高主頻可以工作到50 MHz，片上內部擁有32 KB FLASH和8 KB的RAM，并且內置多個UART接口，分別用于RFID讀卡模塊連接和ZigBee的通信。無論在處理數據的速度上還是在功耗上，亦或是抗干擾能力上，它完全能夠勝任終端數據采集的重任。

RFID模塊采用CY-14443A系列射頻讀寫模塊，它是基于ISO14443標準的非接觸卡讀卡機專用芯片，采用0.6微米CMOS EEPROM工藝，支持ISO14443 typeA協議，支持MIFARE標準的加密算法。RFID讀卡模塊通過SPI接口與M0進行連接，它的中斷引腳與M0的IO口相連，在主程序中，只要判斷該IO口的電平高低，即可判斷是否有卡，如果有卡，則進行相應的讀卡操作。

2.2 ZigBee無線通信模塊硬件設計

ZigBee是近年來發展迅速的基于無線傳感器網絡的近距離、低功耗、低成本、低復雜度的無線通信技術[3]。ZigBee協議基于IEEE 802.15.4無線標準制定，包括應用層、網絡層、安全層等，可以實現網絡的自組織和自維護功能[4，5]。我們在此采用了ZICM2410無線通信模塊，它是集成CPU的單片ZigBee芯片，為ZigBee網絡提供一個高性能、低成本的射頻收發方案。

3 終端軟件設計

3.1 數據采集終端軟件設計

本系統采集終端軟件流程如圖2所示。系統上電初始化M0終端上的各個設備包括系統定時器、GPIO口、SPI、UART、I2C等設備，然后配置系統滴答定時器，設置其終端為1 ms，進而設置中斷處理函數，精確到1 s。最后將第一次采集的信息顯示在M0終端的液晶屏上。

主程序進行輪詢判斷，在沒有外部中斷的情況下主要執行環境數據的采集和M0終端液晶屏的數據顯示，并將數據打包發送給A8服務器。

當有外部RFID刷卡時，其他數據正常采集，RFID中斷函數同時對磁卡數據進行采集和校驗數據有效性，并發送給A8服務器；

當有ZigBee接收數據的中斷產生時，其他數據正常采集，ZigBee接收數據的中斷處理函數接收A8服務器發送過來的指令，執行不同的設備。

圖2 數據采集終端軟件設計流程圖

3.2 ZigBee無線通信模塊軟件設計

3.2.1 ZigBee路由算法

ZigBee路由算法的任務是在節點和節點之間建立路由，實現可靠地數據傳遞。一個完整的ZigBee路由算法應包括路由方式、路由發現和路由維護等內容[7]。而ZigBee常見的路由算法有三種：AODVjr算法，Cluster-tree算法，Cluster-tree+AODVjr算法，而ZigBee網絡目前采用的是第三種算法。該算法結合Cluster-tree和AODVjr 兩種路由算法的優點，它把網絡中的節點細分為4類， 分別是：Coordinator、RN + 、RN-、RFD。其中Coordinator、RN+、RN-都是全功能節點，但前兩者具有路由發現和消息轉發功能， 在轉發消息時啟動AODVjr算法主動查找最佳路徑；RN-沒有路由發現功能，在轉發數據時啟動Cluster-tree算法并通過自身的計算能力作出判斷，將消息轉發給父節點或者其中一個子節點；RFD是精簡功能設備，只能充當葉子節點，即只能將消息傳送給父節點， 請其轉發[6]。

3.2.2 ZigBee通信模塊的收發數據流程

本文設計的ZigBee無線通信模塊收發數據的主要流程有：初始化各個引腳和寄存器，對功能寄存器賦值，初始化SPI752等。其流程圖如圖3所示。

圖3 ZigBee通信模塊收發數據流程

4 結 語

物聯網數據采集終端是倉儲物聯網應用系統中極為重要的組成部分，極大地減少了倉儲管理的難度，并且增強了管理系統的準確性和快捷性。本文設計了一種基于LPC11C14微控制器的采集終端，能夠實現將溫濕度、光感度、三軸加速度、電壓信息以及進出倉庫的刷卡信息通過ZigBee模塊發送到Cortex-A8控制端。該終端將RFID模塊和ZigBee模塊結合，構成無線閱讀器終端，最大化地發揮各自優勢。既能完成倉庫的貨物盤點又可以實現倉庫管理的智能化。更能夠廣泛地應用于智能家居、工業監控、智能電網、環境監測等物聯網應用領域。隨著物聯網的發展，該倉儲物聯網數據采集終端必定有著廣闊的應用前景.

參 考 文 獻

[1]陳遙，吳曉波，周文.基于融合ZigBee與RFID技術的物聯網倉儲管理系統設計[J].中國物流，2012（3）：128-130.

[2]范云龍.Cortex-M0處理器初探[J].單片機與嵌入式系統的應用，2010（6）：78-81.

[3]詹杰，周仁龍，吳伶錫.基于ZigBee的公交自動報站系統的設計[J].湘潭師范學院學報，2007，29（4）：76-79.

[4]曹越，胡方明，黨妮.ZigBee網絡Cluster-Tree優化路由算法研究[J].單片機與嵌入式系統的應用，2012（10）：4-7.

[5]CUOMO F， CIPOLLONE E， ABBAGNALE A. Performance analysis of IEEE 802.15.4 wireless sensor net-works： an insight into the topology formation process [J]. Computer Networks， 2009， 53（18）： 3057-3075.

[6]郭瑞星，王慶生.ZigBee 路由算法的研究與改進[J]. 電腦開發與應用，2011（5）：32-34.

[7]周斌斌.ZigBee無線組網技術的研究[D].長沙：中南大學，2009.