基于ARM的上下料控制系統設計

謝軍喜，高 怡

（西安石油大學 電子工程學院，陜西 西安 710065）

0 引言

隨著信息技術的發展與物聯網技術的興起，人們對于監測系統的需求不僅體現在實驗室，也體現在工廠里。伴隨全自動生產線和無人工廠的出現，開發一個實時遠程數據采集和過程監控系統更能回應當下對監測系統的需求，更好地提供溫度、壓力、輸出和故障狀態等多種信息。

沈巍等人[1]針對傳統物聯網控制系統中指令執行時滯較長的問題，設計了基于ZigBee 的生產線監測節點，按照ZigBee 原理建立傳感器路由，利用CC2591 功率放大芯片來提高監測節點的射頻功率；所設計的監測節點不僅擴大了ZigBee 的覆蓋范圍，也改善了實時性差、布線困難的問題。楊江等人[2]以STC89C52 單片機為微控制器，采用短距離無線收發nRF24L01 芯片、溫濕度傳感器DHT11，設計出一套針對室內環境的網絡監測系統，該系統只需對終端節點進行擴展就可應用于不同場合。邱鵬[3]設計了一種基于物聯網（IoT）技術的智能生產線系統，在此生產線系統上引入了實時遠程監控；通過三層遠程監控系統結構在線實時監測和遠程操作，實現了生產線的遠程監測與實時控制。駱東松等人[4]針對旋轉機械設備中的振動問題，利用嵌入式STM32 芯片、振動傳感器以及溫度傳感器作為采集工具，通過對上位子系統進行開發，實現PC 與云數據庫的交互過程以及對機械設備的遠程監控。鄧靜等人[5]以沖壓自動化生產線為智能監控系統的研究背景，采用Linux 操作系統，監控終端作為服務器、中央監控系統作為客戶端，采用套接字編程的方法，實現監控終端與中央監控系統之間的網絡通信。

基于上述監控系統中的問題與改進方案，設計一套基于ARM 的上下料監測系統，該系統利用物聯網技術，使用基于CortexA9 的Tiny4412 開發板，結合TCP/IP 網絡通信協議和HTTP 超文本傳輸協議，通過HC-SR04 超聲波傳感器和E18-D80NK 紅外計數器采集數據，能夠實現較小設備體積對智能上下料的控制監測。該系統運用攝像頭采集物料運輸實時畫面，提高實時性和安全性。經測試，運行穩定，滿足對上下料系統監測的需求。

1 系統設計總體方案

上下料控制系統總體設計方案如圖1所示。總體分為3 個模塊：數據采集模塊、服務器模塊和客戶端模塊。數據采集模塊分為Tiny4412 數據采集模塊和單片機數據采集模塊，Tiny4412 數據采集模塊通過HC-SR04 超聲波測距模塊監測物料運輸位置情況；單片機數據采集模塊通過紅外計數傳感器采集數據，得到計數值數據后，單片機進行初次判定，如果超過計數閾值范圍則進行聲光報警，同時給Tiny4412 數據采集模塊發送報警信息[6]。服務器模塊實時接收數據采集模塊與客戶端模塊發送的數據，當服務器模塊接收到客戶端的請求后，會做出相應響應。服務器模塊使用SQLite3 數據庫存儲物料傳送信息。圖1所示為系統總體設計方案。

圖1 系統總體設計方案

2 系統硬件設計

2.1 通信同步電路

同步問題是嵌入式系統在通信時所需注意的。由于接收和發送方異地，要使兩者能同頻率地協調工作，前提是有同步系統提供支持。嵌入式系統平臺采用Tiny4412 開發板，板上的UART 提供四個獨立的異步I/O 口，每一個I/O 口均可運行于DMA 模式或中斷模式；可支持5、6、7、8 位的串行數據收發、1 位或2 位停止位、奇/偶校驗位、可修改的波特率。

通過產生外部中斷或DMA 請求兩種方式，UART 可以將數據在CPU 和外設之間傳輸。每個UART 通道含有兩個64 字節的FIF0。通過數據總線將內部數據發送到FIFO 隊列，然后再通過移相器的TXDn 引腳發送出去。數據接收過程是將外部信號通過RXDn 移入接收移相器，然后進入接收FIFO 隊列，最后到達數據總線，利用CPU 對其處理，或在DMA 方式下直接存入存儲器中。

本文采用的是RS 232 連接方式。RS 232 標準采用的接口是9 芯的D 型插頭，只需要RXD、TXD 和GND 三個引腳就可進行串行通信，但由于RS 232 標準定義的高、低電平信號與Tiny4412 系統中的TTL 電路所定義的不同，TTL的標準邏輯“l”對應2～3.3 V 電平，標準邏輯“0”對應0～0.4 V 電平；而RS 232 的標準邏輯“1”對應-3～-15 V 電平，標準邏輯“0”對應3～15 V 電平，兩者間要進行通信必須經過電平信號的轉換，在此選用MAX232 電平轉換芯片實現這種變換[7]。

MAX232 是由德州儀器公司推出的一款兼容RS 232 標準的芯片。MAX232 內部具有驅動器、接收器、電壓發生器電路和轉換電路。Tiny4412 UART 與MAX232 的連接方式如圖2所示。

圖2 Tiny4412 與MAX232 的連接電路

單片機AT89C52 的RXD 和TXD 端與嵌入式系統通信接口電路相連，它們之間采用的是全雙工串行通信。接口電路主要由MAX232 及其外圍電路來完成。AT89C52 的串行輸入口引腳TXD 與MAX232 的T1 IN 引腳相連，串行輸入口引腳RXD 與MAX232 的R1 OUT 引腳相連，MAX232的T1 OUT、R1 IN 分別與RS 232 的2、3 引腳相連，如圖3所示。

圖3 AT89C52 與MAX232 的連接

2.2 數據采集模塊硬件平臺

硬件平臺結構如圖4所示。采用ARM 平臺Tiny4412 開發板和STC89C52 單片機作為系統的數據采集模塊。其中嵌入式Tiny4412 平臺負責分析處理、采集和傳輸數據，搭建網絡通道，其主處理器為Exynos4412，運行主頻最高速率可以達到1.5 GHz，可以及時對采集和傳輸接收到的數據進行分析處理。STC89C52 單片機與Tiny4412 之間通過UART 進行串口通信，滿足系統的數據傳輸要求[8-10]。

圖4 硬件平臺結構

2.2.1 液晶顯示模塊

液晶顯示子模塊在本次設計中需要顯示管理人員預設的計數閾值，同時也要實時顯示當前計數個數。LCD1602 可以顯示物料計數值，且操作簡單，能夠完整顯示物料運輸信息。在單片機數據采集模塊上電后，液晶顯示子模塊顯示初始值，實時顯示當前已經傳送的物料數目，按下按鍵K3 顯示管理員預設的物料運輸上限閾值[11-12]。

2.2.2 聲光報警模塊

燈光報警采用普中A2 開發板自帶的LED 燈，聲音報警采用有源蜂鳴器。如果當前物料運輸計數信息超出設定的計數閾值，則LED 燈紅燈閃爍，蜂鳴器報警[13]。

2.2.3 按鍵管理模塊

按鍵管理模塊共有3 個按鍵，分別為K1、K2、K3；K1為減鍵，K2 為加鍵，K3 為設置鍵。

2.3 傳感器模塊

使用HR-SC04 超聲波傳感器對物料運輸位置數據進行采集。Tiny4412 開發板通過字符設備驅動對超聲波傳感器進行數據采集，通過GPIO 串口接收距離數據，再通過三點定位法實現具體位置定位。內核加載超聲波驅動如圖5所示，得到的距離結果如圖6所示。使用E18-D80NK 紅外計數器采集計數值，若紅外探頭檢測到物體，則計數值加1，并實時顯示在LCD1602 液晶屏上。

圖5 內核加載超聲波驅動

圖6 兩組超聲波測距傳感器測量的距離

3 系統軟件設計

Tiny4412 開發板可支持多種操作系統，本文采用Linux嵌入式操作系統，使用SQlite3 數據庫來存儲采集的數據，采用SMTP 機制實現郵件子模塊報警，使用TCP/IP 網絡協議模型和B/S 架構實現服務器端和客戶端之間的通信[14-15]。

3.1 服務器和客戶端模塊

服務器模塊使用TCP/IP 網絡協議模型，使用HTTP 網絡傳輸協議與客戶端進行通信[16]。整個服務器的搭建致力于對數據采集模塊的數據進行分析，同時對客戶端發送的HTTP請求報文進行解析，并通過發送HTML 網頁響應其請求。

客戶端模塊使用B/S 模型，當服務器端建立連接后，通過Web 網頁訪問的方式對服務器進行訪問，登錄服務器只需要利用PC 機的網絡IP 地址即可訪問服務器，登錄成功后對服務器發送不同的請求，獲取到上下料出庫信息[17-18]。

3.2 超聲波測距模塊

超聲波測距的流程如圖7所示，首先需要一個10 μs 的脈沖觸發信號，該模塊內部將發出8 個40 kHz 的周期電平，并由超聲波傳感器自動檢測回波。一旦檢測到有回波信號則輸出回響信號。回響信號的脈沖寬度與所測的距離成正比。

圖7 超聲波數據采集流程

3.3 傳送視頻數據采集模塊

采用Linux 系統中常用的V4L2 視頻采集框架，使用帶有USB 驅動的ZC301 攝像頭來進行視頻數據采集[19]，如圖8所示。

圖8 視頻采集流程

3.4 SQlite3 數據庫模塊

SQLite3 數據庫是一種比較常見的文件型數據庫，占用資源非常小，在Linux 系統上僅需1.56 MB。與其他數據庫比較，SQLite3 具有數據分享方便、數據類型沒有限制、操作簡單等優點[20]。設置SQlite3 數據庫的存儲格式包括序號、傳送個數、總計、操作時間等參數。

3.5 SMTP 郵件報警子模塊

在數據處理子模塊解析Tiny4412 數據采集模塊采集的數據后，如果發現物料運輸個數超過預先設置的閾值，就會激活SMTP 報警子模塊發送郵件通知管理員。系統采用的是SMTP 郵件方式，使用EHLO 命令向服務器表明用戶身份，使用AUTH LOGIN 命令用于郵箱認證，發送該命令后依次向服務器發送郵箱賬號和登錄密碼。使用MAIL FROM 命令寫入發件人地址，使用RCPT TO 命令寫入收件人地址，在DATA 里寫入所發送的郵件主題和內容[21]。SMTP 報警子模塊主要是通過TCP/IP 協議連接郵箱服務器，該模塊操作比較簡單，通過TCP/IP 協議向郵箱服務器發送指令操作[22]。

4 系統測試

系統上電后，啟動視頻采集子模塊，通過ZC301 攝像頭采集視頻數據，此后將得到的視頻數據通過V4L2 架構傳輸顯示在Tiny4412 平臺的OLED 屏幕上。同時當單片機數據采集模塊采集得到的計數值超出閾值時，會通過UART 串口通信給Tiny4412 數據采集模塊發送報警信息，并通過SMTP郵件報警子模塊給管理人員發送郵件進行報警。在獲得報警信息后，Tiny412 數據采集模塊給服務器發送警示，并判斷單片機數據采集模塊中的聲光報警子模塊是否處于工作狀態。拍攝到的正在移動的人手圖像如圖9所示。紅外計數器模塊和聲光報警模塊分別如圖10 和圖11所示。

圖9 拍攝到的正在移動的人手圖像

圖10 紅外計數器模塊

圖11 聲光報警模塊

傳感器節點采集到計數值之后，將數據發送給單片機數據采集模塊，單片機對采集得到的環境溫度數據進行初次判斷。若采集得到的當前計數值超出上限閾值，則LED 燈亮，并且伴有蜂鳴器報警[23]。

傳感器節點得到物料掃描信息，將數據發送給單片機數據采集模塊，單片機數據采集模塊將得到的數據顯示在LCD上。紅外計數器未被遮擋時，LCD 顯示屏上不加1；當有物體通過紅外計數器前方時，紅外計數器加1。對采集的計數信息進行初次判斷時，若采集得到的計數值超過上限閾值，則啟動GSM 短信報警。

Tiny4412 開發板數據采集模塊接收到報警信息后，觸發郵件報警子模塊開始工作，此時服務器調用郵件子模塊線程，通過郵件給管理人員發送報警信息，如圖12所示；如果管理人員距離較遠，可進行GSM 短信報警，如圖13所示。

圖13 GSM 短信報警

管理人員可通過Web 網頁對服務器進行訪問。管理人員需要通過姓名、工號以及密碼登錄客戶端。管理人員在登錄成功之后，可進行上下料操作查詢。每次掃描到物料發生變化后，系統會自動記錄上次操作的時間供物料管理人員查看。如圖14所示，當服務器模塊接收到客戶端模塊通過TCP/IP網絡協議發送的HTTP 請求報文時，會對接收到的請求報文進行解析，并將結果以HTML 文件格式返回給客戶端模塊。管理人員在登錄時會向服務器發送請求報文，服務器解析請求報文判斷客戶端管理人員的具體請求，解析后編寫HTML網頁來對管理人員的請求進行訪問。管理人員登錄查詢界面如圖15所示。當管理人員查看物料運輸情況時，需要填寫本次掃描的物料數目以及操作人員的工號。流水線掃描操作界面以及庫存詳情信息分別如圖16 和圖17所示。

圖14 客戶端登錄請求報文

圖15 登錄界面

圖16 流水線掃描操作界面

圖17 庫存詳情信息

5 結語

本文采用Tiny4412 開發板和STC89C52 單片機作為主控平臺，選擇LCD1602 液晶屏作為顯示單元；使用HCSR04 超聲波傳感器和E18-D80NK 紅外線傳感器作為數據采集模塊，對采集的數據進行判斷分析，能夠及時進行聲光、郵件和短信報警。系統成功完成了對多種傳感器技術的融合，滿足上下料系統監測的需求，論證了此系統體系架構的可行性。