基于CC2430的無線條碼數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計

摘 要：介紹了一種利用CC2430實現(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，實現(xiàn)了對信息的自動采集、實時傳輸及分析管理，并具有一體性、機動性、體積小的特點。
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、更新及維護困難、缺少基于WSN網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)采集手段等缺點。隨著我國物流倉儲技術(shù)的發(fā)展，條碼技術(shù)作為一種自動識別技術(shù)，具有輸入速度快、準確度高、成本低、可靠性強等優(yōu)點，在倉儲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)點少等問題。國內(nèi)也有一些條碼識讀器，但是大多采用有線方式，現(xiàn)場操作很不方便。將條碼識別技術(shù)與無線通信技術(shù)相結(jié)合，可以實現(xiàn)對物品信息快速、準確、實時錄入，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)計的無線條碼數(shù)據(jù)采集器具有現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)采集、傳輸、自動存儲、即時顯示、即時反饋、自動處理等功能。操作人員可以根據(jù)實際需求選擇標準模式、快速模式或批量模式完成對物品的入庫、出庫、點驗等操作。
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，可真正實現(xiàn)對產(chǎn)品的“量身定做”和便攜化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計。
本系統(tǒng)應(yīng)用嵌入式技術(shù)，采用模塊化設(shè)計思想，結(jié)構(gòu)模型主要由條碼識別模塊、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，控制條碼識別模塊和無線傳輸模塊分別對二維條碼數(shù)據(jù)進行采集和發(fā)送。各功能模塊相互獨立，便于維護。除了上述主要構(gòu)成模塊之外，整個系統(tǒng)還需要其他必備的外圍模塊電路，包括電源模塊、存儲器擴展模塊、鍵盤掃描模塊、顯示模塊，本文中不做重點闡述。

1.2.1 條碼識別模塊
二維條碼識讀是通過獲取二維條碼符號上的圖像信息，譯碼得到符號承載信息的過程。二維條碼識讀主要采用攝像式識讀方式。其識讀過程：首先由光源發(fā)光對條碼照明，二維條碼圖像通過光學透鏡成像在CMOS半導體傳感器上，再通過直接數(shù)字化（CMOS技術(shù)）輸出圖像數(shù)據(jù)，由外部擴展存儲器存儲該數(shù)據(jù)，再送到處理器芯片進行碼字分割、碼字識別、信號糾錯等處理;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)自主知識產(chǎn)權(quán)的EM3000二維條碼掃描引擎，它集成了光學系統(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，能快速識別目前市場上所有主流應(yīng)用的、符合國際標準的一維及二維條碼，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、符號定位或?qū)は?、提取校正網(wǎng)格信息、符號采樣、碼圖譯碼、糾錯譯碼和信息譯碼。
1.2.2 無線通信模塊
ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的應(yīng)用于無線監(jiān)測與控制的全球性無線通信標準,具有低成本、低速率、近距離、短延時、高容量、高安全、免執(zhí)照頻段等特點，可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、家庭自動化、醫(yī)療護理、智能農(nóng)業(yè)、消費類電子和遠程控制等領(lǐng)域[2]。因為ZigBee大多數(shù)時間都處于睡眠模式，所以特別適合用在功耗要求嚴格的場合，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)換到主動模式用時短的特性，特別適合要求電池壽命非常長的應(yīng)用場合[3]。CC2430芯片在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器,使用一個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)、定時器（Timer）、AES128 協(xié)同處理器、看門狗定時器、32 kHz 晶振的休眠模式定時器、上電復(fù)位電路(Power On Reset)、掉電檢測電路(Brown Out Detection)以及21 個可編程 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、價格低，但是它屬于商用級芯片,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,對于處理器的選擇，除了要具備接口豐富、可靠性好和性價比高的特點之外，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，控制整個采集器內(nèi)部數(shù)據(jù)的傳輸。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
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進行數(shù)據(jù)通信,又要與ZigBee無線傳輸模塊進行數(shù)據(jù)通信。為了實現(xiàn)在一個信道中同時處理這兩路信號，系統(tǒng)采用了多路復(fù)用芯片MAX4052ACEE將一路UART信號分成多路，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會給主控制器發(fā)送錯誤提示，在一個工作循環(huán)結(jié)束后，掃描模塊會自動轉(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)動電路[6]。

EM3000首先通過CMOS圖像傳感器攝取條碼圖像，并對條碼圖像進行預(yù)處理，再對預(yù)處理后的圖像進行二值化、尋像定位、采樣、信息譯碼和糾錯譯碼等處理后，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
整個條碼采集系統(tǒng)由POS端和PC端構(gòu)成。條碼識別模塊獲取條碼數(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端可對條碼信息進行入庫、出庫和點驗等相關(guān)操作，并有標準模式、快速模式及批量模式三種工作模式可供操作人員根據(jù)實際需求進行選擇。
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)實際需求選定工作模式并確定操作類別，此時便可以開始掃描、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端會有不同的處理方式。
3.1 無線模塊的軟件設(shè)計
為了實現(xiàn)多人同時操作POS機，本系統(tǒng)利用ZigBee技術(shù)將多個數(shù)據(jù)采集器組網(wǎng)，形成一個無線傳感器采集網(wǎng)絡(luò)，通過ZigBee無線通信方式與服務(wù)器通信，從而實現(xiàn)快速、方便、準確采集條碼信息。本系統(tǒng)所采用的ZigBee網(wǎng)絡(luò)由一個ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點與多個ZigBee終端節(jié)點組成，構(gòu)成點對多點的星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，以點對多點的形式對信息收發(fā)進行控制。整個數(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
首先對協(xié)調(diào)器上電，進行初始化，然后啟動ZigBee網(wǎng)絡(luò)，當有POS機節(jié)點加入時，分別給每一個POS機節(jié)點分配地址，POS機進入待機狀態(tài)。然后啟動按鍵進行數(shù)據(jù)采集，并由POS機節(jié)點發(fā)送請求，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)點軟件設(shè)計
POS端開機后，首先進行設(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)點工作流程如圖7所示。

由于POS機由電池供電，能量受限，除加入網(wǎng)絡(luò)請求和發(fā)送數(shù)據(jù)外，節(jié)點大部分時間處于休眠狀態(tài)。平時無線模塊處于休眠狀態(tài)，當有無線傳送請求時，控制器用一個I/O信號將其激活，響應(yīng)無線傳送請求，然后又進入休眠狀態(tài)。處于休眠狀態(tài)時大部分電路處于關(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機的功耗。
3.2 遠程PC機管理系統(tǒng)
PC端軟件主要實現(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、類型編號、姓名、類型名稱、型號、材質(zhì)、生產(chǎn)廠家等信息。采集到的條碼數(shù)據(jù)能實時顯示和存儲在數(shù)據(jù)庫中，并能夠顯示條碼對應(yīng)物品的入庫時間、出庫時間、點驗時間、入庫POS機號、出庫POS機號、點驗POS機號,從而可以實施對倉庫的信息化管理。
系統(tǒng)軟硬件裝配完畢后，對數(shù)據(jù)采集器進行了功能測試，針對其標準、快速、批量三種不同操作模式分別測試了其入庫、出庫以及點驗的數(shù)據(jù)錄入和實時傳輸性能，測試結(jié)果如圖8所示。數(shù)據(jù)庫接收到的數(shù)據(jù)與實際條碼數(shù)據(jù)完全一致，表明該采集器數(shù)據(jù)采集準確，實現(xiàn)了對二維條碼信息的實時傳輸及自動管理，滿足了系統(tǒng)設(shè)計要求。

本系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)，利用CC2430芯片完成采集器和服務(wù)器的實時無線數(shù)據(jù)通信，功能測試表明，該無線條碼數(shù)據(jù)采集器實現(xiàn)了對物品二維條碼的快速、準確采集，實時傳輸及自動管理，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。使倉庫管理模式實現(xiàn)了兩個轉(zhuǎn)變：(1)從傳統(tǒng)的依靠經(jīng)驗管理轉(zhuǎn)變?yōu)橐揽烤_的數(shù)字分析管理。(2)從事后管理(隔一段時間進行結(jié)算、盤點)轉(zhuǎn)變?yōu)閷崟r管理，大大提高了倉庫管理的信息化水平。
參考文獻
[1] 張旭.漢信碼識讀技術(shù)研究[D].天津：天津工業(yè)大學碩士學位論文, 2007.
[2] 丁飛，張西良，張世慶,等. ZigBee技術(shù)的硬件實現(xiàn)模式分析[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2006(9):51-57.
[3] 楊雪峰,胡榮強.基于CC2430實現(xiàn)ZigBee通信[J]. PLC & FA,2007(7):85-88.
[4] TEXAS Instruments. CC2430 DataSheet. (rev. 1.03). 2005.
[5] 崔更申，黃廷輝，彭建.基于嵌入式的ZigBee無線條碼掃描儀系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子器件,2007，30(5):1971-1974.
[6] Fujian Newland Auto-ID Tech,EM3000 Datasheet,http:///,2007.