基于ARM的智能儲物系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文提出的智能儲物系統(tǒng)是一種新型的應(yīng)用于家庭及辦公領(lǐng)域的小型自動化儲物裝置，主要用于存儲現(xiàn)金、存折、印章、證件、機(jī)要文件等重要物品。該智能儲物系統(tǒng)具有自動存取物品及安全防范功能，能夠節(jié)省室內(nèi)空間以及對裝置中存儲物品實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理和檢索。
    智能儲物系統(tǒng)由上位機(jī)、物品存取軟件和以下位機(jī)為核心的自動控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。上位機(jī)為一臺內(nèi)部安裝了物品存取軟件的PC機(jī)，它為智能儲物系統(tǒng)提供人機(jī)交互平臺，實(shí)現(xiàn)智能儲物系統(tǒng)的用戶驗(yàn)證功能、物品存取界面顯示、存儲物品的管理和檢索功能。以基于ARM LPC2210的下位機(jī)為核心的自動控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收上位機(jī)發(fā)送的控制指令，通過自動控制使被選中的儲物箱體到達(dá)預(yù)定的位置來實(shí)現(xiàn)物品的自動存取和異常情況下的快速報(bào)警功能。整個(gè)儲物系統(tǒng)被安裝在一個(gè)堅(jiān)固、密封的金屬箱體中。該金屬箱體可以被嵌入到非承重墻體中或者作為房屋隔斷使用，其大小可根據(jù)用戶需要做成整面墻或?yàn)閴w的一部分。與傳統(tǒng)保險(xiǎn)柜相比，它非常隱蔽，而且合理、有效地利用了室內(nèi)空間。儲物系統(tǒng)存取物品的窗口可以根據(jù)用戶的愿望開在箱體表面的任何位置，門內(nèi)安裝有電磁鎖。存儲物品用的箱體由多個(gè)小箱體組成，數(shù)量和內(nèi)部結(jié)構(gòu)根據(jù)用戶需要確定，這些小箱體通過懸掛裝置懸掛于機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)上。
    智能儲物系統(tǒng)的操作簡單、方便。首先打開PC機(jī)，啟動物品存取軟件，軟件顯示用戶登錄界面，用戶輸入用戶名、密碼，進(jìn)行用戶身份驗(yàn)證。驗(yàn)證通過后，方可進(jìn)入物品存取界面；在該界面中用戶選擇對物品進(jìn)行操作的類型，是存物品還是取物品。選擇完成后，進(jìn)入下一步的具體物品選擇界面，用戶選擇需要存或取的物品。選擇確定后，上位機(jī)通過PC機(jī)的串行通訊口發(fā)送控制指令至下位機(jī)的LPC2210。LPC2210接到指令，進(jìn)行解讀、轉(zhuǎn)譯，生成新的控制信號發(fā)送到步進(jìn)電機(jī)。與此同時(shí)，位置傳感器對儲物小箱體的位置進(jìn)行檢測，檢測到的位置反饋信號與位置給定信號進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)運(yùn)動, 控制被選擇的儲物小箱體準(zhǔn)確地停放在取物窗口，同時(shí)，取物窗門內(nèi)的電磁鎖自動打開，用戶進(jìn)行物品存取操作。操作完成后，用戶可通過計(jì)算機(jī)上顯示的修改物品記錄界面增、刪物品記錄，實(shí)現(xiàn)物品清單的更新，以備檢索時(shí)使用。如果裝置窗口門或裝置外殼遭到破壞被強(qiáng)行打開，報(bào)警系統(tǒng)將自動啟動，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場報(bào)警或遠(yuǎn)程撥號報(bào)警，遠(yuǎn)程撥號號碼可由用戶通過人機(jī)交互界面預(yù)先輸入。
    智能儲物系統(tǒng)不但具有儲物功能，而且還具有保險(xiǎn)柜功能。與傳統(tǒng)的儲物櫥柜、保險(xiǎn)柜相比，它省去了人工爬上、爬下的存取，對物品的存取實(shí)現(xiàn)了自動化，省時(shí)、省力。智能儲物系統(tǒng)還可以根據(jù)用戶的不同需求進(jìn)行個(gè)性化的設(shè)計(jì)。儲存的物品能夠通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)管理，它具有的檢索功能可以使你在眾多的儲存物品中方便、快捷地找到所需要的物品。智能儲物系統(tǒng)所具有的快速報(bào)警功能能夠提供快速的現(xiàn)場與遠(yuǎn)程報(bào)警，這使它的安全防范性能大大提高。與傳統(tǒng)儲物裝置相比，智能儲物系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景。
1 智能儲物系統(tǒng)的構(gòu)成與實(shí)現(xiàn)
    基于LPC2210的智能儲物系統(tǒng)由上位機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)(包括步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器和機(jī)械傳動機(jī)構(gòu))、位置檢測器、報(bào)警器以及以LPC2210為核心的下位機(jī)控制器組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

 

                  

1.1 主控制器（下位機(jī)）
    本系統(tǒng)采用基于ARM7TDMI(-S)的LPC2210作為下位機(jī)主控制器。該控制器具有如下特點(diǎn)：
    (1)集成了ARM7TDMI(-S)處理器核，具有高性能的32位RISC體系結(jié)構(gòu)，片內(nèi)128位寬度的存儲器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘頻率下運(yùn)行。
    (2)具有16KB片內(nèi)SRAM，32位數(shù)據(jù)總線寬度，系統(tǒng)最大可擴(kuò)展64MB存儲器。
    (3)芯片內(nèi)部具有UART、硬件I2C、SPI、PWM、ADC和定時(shí)器外圍部件，功能強(qiáng)大。
    LPC2210豐富的片內(nèi)外資源、快速的響應(yīng)性和較高的性價(jià)比都很適于作為智能儲物系統(tǒng)下位機(jī)的主控制器。圖2是主控制器的硬件結(jié)構(gòu)。LPC2210控制芯片接收來自上位機(jī)的控制指令和位置檢測傳感器反饋的被選擇箱體的位置信號，通過控制算法運(yùn)算，直接輸出PWM控制信號，經(jīng)光電隔離和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的功率放大后，控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。當(dāng)智能儲物系統(tǒng)遭到破壞時(shí)，LPC2210接收到報(bào)警信號后對報(bào)警器發(fā)送控制指令，使報(bào)警系統(tǒng)迅速啟動，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場報(bào)警或遠(yuǎn)程撥號報(bào)警。遠(yuǎn)程撥號電話號碼可由用戶通過上位機(jī)人機(jī)交互界面預(yù)先設(shè)置。

 

                       

1.2 上位機(jī)
    上位機(jī)是一臺PC機(jī)，主要完成智能儲物系統(tǒng)的人機(jī)交互以及對下位機(jī)進(jìn)行指令控制。使用者可通過人機(jī)交互界面方便快捷地進(jìn)行儲物存取選擇和物品檢索。
1.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)
    執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)拖動機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)，進(jìn)而帶動儲物箱體運(yùn)動。LPC2210芯片是整個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制的核心部分，它接收來自上位機(jī)的箱體選擇指令，經(jīng)過ARM控制中心的解讀和轉(zhuǎn)譯，并與位置反饋信號進(jìn)行比較、運(yùn)算后，由LPC2210控制系統(tǒng)的PWM口送出步進(jìn)電機(jī)的方向和位移控制量。控制信號經(jīng)光電隔離和電機(jī)驅(qū)動部分的功率放大后，控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)運(yùn)動，以使被選擇儲物箱體到達(dá)預(yù)定位置。
    為保護(hù)ARM控制系統(tǒng),減小外界信號干擾,各傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)與LPC2210之間均采用光電耦合器進(jìn)行信號隔離。
1.4 位置檢測器
    以此次研制的實(shí)驗(yàn)型儲物系統(tǒng)為例，該裝置共有六只儲物箱體，儲物箱體位置信號的檢測采用了3只LJ18A33-8-Z/BX型電感式接近開關(guān)。這種接近開關(guān)由LC高頻振蕩器和放大處理電路組成，它利用金屬物體在接近傳感器感應(yīng)頭時(shí)產(chǎn)生的渦流效應(yīng)而達(dá)到控制開關(guān)通或斷的目的。當(dāng)有金屬物體接近傳感器的感應(yīng)頭時(shí)，傳感器的輸出信號則會由高電平轉(zhuǎn)化為低電平。這種接近開關(guān)所能檢測的物體必須是金屬物體。
    根據(jù)LJ18A33-8-Z/BX型電感式接近開關(guān)的工作原理，在六只儲物箱體背面的3個(gè)豎直方向上粘貼金屬片，粘貼的位置與安裝傳感器感應(yīng)頭的位置垂直對應(yīng)。依據(jù)儲物箱體上金屬片粘貼的位置對箱體編號為：001、010、011、100、101、110。當(dāng)儲物箱體經(jīng)過傳感器的感應(yīng)頭時(shí)，有金屬片經(jīng)過的傳感器輸出為低電平，而沒有金屬片經(jīng)過的傳感器輸出為高電平。為保護(hù)LPC2210系統(tǒng),減小外界信號干擾, 傳感器的輸出信號經(jīng)過光電耦合器進(jìn)行信號隔離后由LPC2210的GPIO接口輸入LPC2210控制系統(tǒng)。圖3為位置檢測電路。

                   

 

1.5 報(bào)警器
    報(bào)警器采用單片機(jī)芯片AT89S52作為中央處理器。AT89S52是一種低功耗、高性能的CMOS 8位微控制器，具有8KB可編程Flash存儲器、256B RAM、32 位I/O口、3個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和看門狗定時(shí)器、全雙工串行口、片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。該報(bào)警器以公用電話線作為信息傳輸媒體，具有現(xiàn)場聲報(bào)警和遠(yuǎn)程自動撥號報(bào)警功能。
    當(dāng)自動儲物系統(tǒng)的箱體外殼或是系統(tǒng)的電磁門遭到破壞，LPC2210系統(tǒng)在接收到報(bào)警信號后，通過GPIO接口向報(bào)警器的AT89S52芯片輸出控制信號，AT89S52接到信號后控制報(bào)警器中的雙音多頻發(fā)送/接收電路和語音報(bào)警電路實(shí)現(xiàn)報(bào)警控制。此時(shí)報(bào)警器除了可以提供現(xiàn)場120dB的高響度警笛外，還能夠快速啟動報(bào)警器的自動撥號程序。報(bào)警器將自動順序撥打用戶設(shè)置的6組報(bào)警電話號碼，并能依次循環(huán)撥打，直至得到回應(yīng)。報(bào)警電話號碼可由用戶預(yù)先進(jìn)行設(shè)置。報(bào)警器還可設(shè)置用戶密碼，并且安裝看門狗電路，故死機(jī)后能自動恢復(fù)正常運(yùn)行。
2 軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)程序流程如圖4所示。

                       

 

    主程序首先對用戶的身份進(jìn)行驗(yàn)證，密碼驗(yàn)證具有三次機(jī)會。驗(yàn)證通過后，用戶可以通過人機(jī)交互界面選擇物品的存取，確定后將箱體參數(shù)發(fā)送給LPC2210。LPC2210控制系統(tǒng)通過片上的PWM口輸出步進(jìn)電機(jī)的方向和位移控制量，控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行，從而拖動傳動機(jī)構(gòu)以使被選擇儲物箱體達(dá)到預(yù)定位置。存取完成后，用戶可根據(jù)計(jì)算機(jī)顯示的物品管理菜單對物品記錄進(jìn)行增刪，以備檢索。
    本文介紹了一種基于LPC2210的新型智能儲物系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念及實(shí)現(xiàn)的相關(guān)方法和技術(shù)。該智能儲物系統(tǒng)具有傳統(tǒng)存儲裝置無法比擬的方便快捷、安全、節(jié)省空間以及可實(shí)現(xiàn)智能管理的優(yōu)點(diǎn)。而通過采用ARM芯片對智能儲物系統(tǒng)進(jìn)行控制，使儲物系統(tǒng)具有很高的控制精度、實(shí)時(shí)性和可靠性。智能儲物系統(tǒng)作為一種新型的辦公、家用儲物裝置，在未來的智能樓宇系統(tǒng)中將具有良好的應(yīng)用前景。
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