基于CC2430的無線條碼數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)

摘 要：介紹了一種利用CC2430實(shí)現(xiàn)條碼數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用嵌入式技術(shù)、無線通信技術(shù)、條碼識(shí)別技術(shù)，以微處理器MCF5249、ZigBee無線傳輸模塊、條碼掃描引擎EM3000為核心，解決了以往倉庫管理中手工錄入信息效率低下的問題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)信息的自動(dòng)采集、實(shí)時(shí)傳輸及分析管理，并具有一體性、機(jī)動(dòng)性、體積小的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞： 無線傳輸； CC2430； 二維條碼； 數(shù)據(jù)采集

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(cuò)、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(diǎn)。隨著我國物流倉儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，條碼技術(shù)作為一種自動(dòng)識(shí)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(diǎn)，在倉儲(chǔ)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(shí)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(shí)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(diǎn)少等問題。國內(nèi)也有一些條碼識(shí)讀器，但是大多采用有線方式，現(xiàn)場(chǎng)操作很不方便。將條碼識(shí)別技術(shù)與無線通信技術(shù)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物品信息快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)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(jì)的無線條碼數(shù)據(jù)采集器具有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、傳輸、自動(dòng)存儲(chǔ)、即時(shí)顯示、即時(shí)反饋、自動(dòng)處理等功能。操作人員可以根據(jù)實(shí)際需求選擇標(biāo)準(zhǔn)模式、快速模式或批量模式完成對(duì)物品的入庫、出庫、點(diǎn)驗(yàn)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(shì)，可真正實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的“量身定做”和便攜化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)。
本系統(tǒng)應(yīng)用嵌入式技術(shù)，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，結(jié)構(gòu)模型主要由條碼識(shí)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(shí)別模塊和無線傳輸模塊分別對(duì)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(dú)立，便于維護(hù)。除了上述主要構(gòu)成模塊之外，整個(gè)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(chǔ)器擴(kuò)展模塊、鍵盤掃描模塊、顯示模塊，本文中不做重點(diǎn)闡述。

1.2.1 條碼識(shí)別模塊
二維條碼識(shí)讀是通過獲取二維條碼符號(hào)上的圖像信息，譯碼得到符號(hào)承載信息的過程。二維條碼識(shí)讀主要采用攝像式識(shí)讀方式。其識(shí)讀過程：首先由光源發(fā)光對(duì)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(chǔ)器存儲(chǔ)該數(shù)據(jù)，再送到處理器芯片進(jìn)行碼字分割、碼字識(shí)別、信號(hào)糾錯(cuò)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(shí)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(shí)別目前市場(chǎng)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(shí)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(hào)定位或?qū)は?、提取校正網(wǎng)格信息、符號(hào)采樣、碼圖譯碼、糾錯(cuò)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(cè)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(shí)、高容量、高安全、免執(zhí)照頻段等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、家庭自動(dòng)化、醫(yī)療護(hù)理、智能農(nóng)業(yè)、消費(fèi)類電子和遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域[2]。因?yàn)閆igBee大多數(shù)時(shí)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(chǎng)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(dòng)模式用時(shí)短的特性，特別適合要求電池壽命非常長的應(yīng)用場(chǎng)合[3]。CC2430芯片在單個(gè)芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器,使用一個(gè)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(shí)器（Timer）、AES128 協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器、32 kHz 晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路(Power On Reset)、掉電檢測(cè)電路(Brown Out Detection)以及21 個(gè)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(shí)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(jià)格低，但是它屬于商用級(jí)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(duì)于處理器的選擇，除了要具備接口豐富、可靠性好和性價(jià)比高的特點(diǎn)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(gè)采集器內(nèi)部數(shù)據(jù)的傳輸。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
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(shí)現(xiàn)在一個(gè)信道中同時(shí)處理這兩路信號(hào)，系統(tǒng)采用了多路復(fù)用芯片MAX4052ACEE將一路UART信號(hào)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(shí)會(huì)給主控制器發(fā)送錯(cuò)誤提示，在一個(gè)工作循環(huán)結(jié)束后，掃描模塊會(huì)自動(dòng)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(dòng)電路[6]。

EM3000首先通過CMOS圖像傳感器攝取條碼圖像，并對(duì)條碼圖像進(jìn)行預(yù)處理，再對(duì)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(cuò)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(jì)
整個(gè)條碼采集系統(tǒng)由POS端和PC端構(gòu)成。條碼識(shí)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(duì)條碼信息進(jìn)行入庫、出庫和點(diǎn)驗(yàn)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(shí)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(shí)際需求選定工作模式并確定操作類別，此時(shí)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(huì)有不同的處理方式。
3.1 無線模塊的軟件設(shè)計(jì)
為了實(shí)現(xiàn)多人同時(shí)操作POS機(jī)，本系統(tǒng)利用ZigBee技術(shù)將多個(gè)數(shù)據(jù)采集器組網(wǎng)，形成一個(gè)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(shí)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(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與多個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)組成，構(gòu)成點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的形式對(duì)信息收發(fā)進(jìn)行控制。整個(gè)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(jì)
首先對(duì)協(xié)調(diào)器上電，進(jìn)行初始化，然后啟動(dòng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)有POS機(jī)節(jié)點(diǎn)加入時(shí)，分別給每一個(gè)POS機(jī)節(jié)點(diǎn)分配地址，POS機(jī)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。然后啟動(dòng)按鍵進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并由POS機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)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(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
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(diǎn)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(qǐng)求和發(fā)送數(shù)據(jù)外，節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)。平時(shí)無線模塊處于休眠狀態(tài)，當(dāng)有無線傳送請(qǐng)求時(shí)，控制器用一個(gè)I/O信號(hào)將其激活，響應(yīng)無線傳送請(qǐng)求，然后又進(jìn)入休眠狀態(tài)。處于休眠狀態(tài)時(shí)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(shí)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(hào)、類型編號(hào)、姓名、類型名稱、型號(hào)、材質(zhì)、生產(chǎn)廠家等信息。采集到的條碼數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，并能夠顯示條碼對(duì)應(yīng)物品的入庫時(shí)間、出庫時(shí)間、點(diǎn)驗(yàn)時(shí)間、入庫POS機(jī)號(hào)、出庫POS機(jī)號(hào)、點(diǎn)驗(yàn)POS機(jī)號(hào),從而可以實(shí)施對(duì)倉庫的信息化管理。
系統(tǒng)軟硬件裝配完畢后，對(duì)數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行了功能測(cè)試，針對(duì)其標(biāo)準(zhǔn)、快速、批量三種不同操作模式分別測(cè)試了其入庫、出庫以及點(diǎn)驗(yàn)的數(shù)據(jù)錄入和實(shí)時(shí)傳輸性能，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。數(shù)據(jù)庫接收到的數(shù)據(jù)與實(shí)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(shí)現(xiàn)了對(duì)二維條碼信息的實(shí)時(shí)傳輸及自動(dòng)管理，滿足了系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)無線數(shù)據(jù)通信，功能測(cè)試表明，該無線條碼數(shù)據(jù)采集器實(shí)現(xiàn)了對(duì)物品二維條碼的快速、準(zhǔn)確采集，實(shí)時(shí)傳輸及自動(dòng)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(shí)現(xiàn)了兩個(gè)轉(zhuǎn)變：(1)從傳統(tǒng)的依靠經(jīng)驗(yàn)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(shí)間進(jìn)行結(jié)算、盤點(diǎn))轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)時(shí)管理，大大提高了倉庫管理的信息化水平。
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