基于ARM的智能儲(chǔ)物系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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智能儲(chǔ)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(dòng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。上位機(jī)為一臺(tái)內(nèi)部安裝了物品存取軟件的PC機(jī)，它為智能儲(chǔ)物系統(tǒng)提供人機(jī)交互平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)智能儲(chǔ)物系統(tǒng)的用戶(hù)驗(yàn)證功能、物品存取界面顯示、存儲(chǔ)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(dòng)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(guò)自動(dòng)控制使被選中的儲(chǔ)物箱體到達(dá)預(yù)定的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)物品的自動(dòng)存取和異常情況下的快速報(bào)警功能。整個(gè)儲(chǔ)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(hù)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(chǔ)物系統(tǒng)存取物品的窗口可以根據(jù)用戶(hù)的愿望開(kāi)在箱體表面的任何位置，門(mén)內(nèi)安裝有電磁鎖。存儲(chǔ)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(hù)需要確定，這些小箱體通過(guò)懸掛裝置懸掛于機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上。
智能儲(chǔ)物系統(tǒng)的操作簡(jiǎn)單、方便。首先打開(kāi)PC機(jī)，啟動(dòng)物品存取軟件，軟件顯示用戶(hù)登錄界面，用戶(hù)輸入用戶(hù)名、密碼，進(jìn)行用戶(hù)身份驗(yàn)證。驗(yàn)證通過(guò)后，方可進(jìn)入物品存取界面；在該界面中用戶(hù)選擇對(duì)物品進(jìn)行操作的類(lèi)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(hù)選擇需要存或取的物品。選擇確定后，上位機(jī)通過(guò)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(hào)發(fā)送到步進(jìn)電機(jī)。與此同時(shí)，位置傳感器對(duì)儲(chǔ)物小箱體的位置進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)到的位置反饋信號(hào)與位置給定信號(hào)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(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng), 控制被選擇的儲(chǔ)物小箱體準(zhǔn)確地停放在取物窗口，同時(shí)，取物窗門(mén)內(nèi)的電磁鎖自動(dòng)打開(kāi)，用戶(hù)進(jìn)行物品存取操作。操作完成后，用戶(hù)可通過(guò)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(mén)或裝置外殼遭到破壞被強(qiáng)行打開(kāi)，報(bào)警系統(tǒng)將自動(dòng)啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警或遠(yuǎn)程撥號(hào)報(bào)警，遠(yuǎn)程撥號(hào)號(hào)碼可由用戶(hù)通過(guò)人機(jī)交互界面預(yù)先輸入。
智能儲(chǔ)物系統(tǒng)不但具有儲(chǔ)物功能，而且還具有保險(xiǎn)柜功能。與傳統(tǒng)的儲(chǔ)物櫥柜、保險(xiǎn)柜相比，它省去了人工爬上、爬下的存取，對(duì)物品的存取實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，省時(shí)、省力。智能儲(chǔ)物系統(tǒng)還可以根據(jù)用戶(hù)的不同需求進(jìn)行個(gè)性化的設(shè)計(jì)。儲(chǔ)存的物品能夠通過(guò)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(chǔ)存物品中方便、快捷地找到所需要的物品。智能儲(chǔ)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(chǎng)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(chǔ)物裝置相比，智能儲(chǔ)物系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景。
1 智能儲(chǔ)物系統(tǒng)的構(gòu)成與實(shí)現(xiàn)
基于LPC2210的智能儲(chǔ)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(dòng)器和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu))、位置檢測(cè)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(chǔ)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(chǔ)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?xún)r(jià)比都很適于作為智能儲(chǔ)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(lái)自上位機(jī)的控制指令和位置檢測(cè)傳感器反饋的被選擇箱體的位置信號(hào)，通過(guò)控制算法運(yùn)算，直接輸出PWM控制信號(hào)，經(jīng)光電隔離和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的功率放大后，控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。當(dāng)智能儲(chǔ)物系統(tǒng)遭到破壞時(shí)，LPC2210接收到報(bào)警信號(hào)后對(duì)報(bào)警器發(fā)送控制指令，使報(bào)警系統(tǒng)迅速啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警或遠(yuǎn)程撥號(hào)報(bào)警。遠(yuǎn)程撥號(hào)電話號(hào)碼可由用戶(hù)通過(guò)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(tái)PC機(jī)，主要完成智能儲(chǔ)物系統(tǒng)的人機(jī)交互以及對(duì)下位機(jī)進(jìn)行指令控制。使用者可通過(guò)人機(jī)交互界面方便快捷地進(jìn)行儲(chǔ)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(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，進(jìn)而帶動(dòng)儲(chǔ)物箱體運(yùn)動(dòng)。LPC2210芯片是整個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制的核心部分，它接收來(lái)自上位機(jī)的箱體選擇指令，經(jīng)過(guò)ARM控制中心的解讀和轉(zhuǎn)譯，并與位置反饋信號(hào)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?？刂菩盘?hào)經(jīng)光電隔離和電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，以使被選擇儲(chǔ)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(hào)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(hào)隔離。
1.4 位置檢測(cè)器
以此次研制的實(shí)驗(yàn)型儲(chǔ)物系統(tǒng)為例，該裝置共有六只儲(chǔ)物箱體，儲(chǔ)物箱體位置信號(hào)的檢測(cè)采用了3只LJ18A33-8-Z/BX型電感式接近開(kāi)關(guān)。這種接近開(kāi)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(kāi)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(hào)則會(huì)由高電平轉(zhuǎn)化為低電平。這種接近開(kāi)關(guān)所能檢測(cè)的物體必須是金屬物體。
根據(jù)LJ18A33-8-Z/BX型電感式接近開(kāi)關(guān)的工作原理，在六只儲(chǔ)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(duì)應(yīng)。依據(jù)儲(chǔ)物箱體上金屬片粘貼的位置對(duì)箱體編號(hào)為：001、010、011、100、101、110。當(dāng)儲(chǔ)物箱體經(jīng)過(guò)傳感器的感應(yīng)頭時(shí)，有金屬片經(jīng)過(guò)的傳感器輸出為低電平，而沒(méi)有金屬片經(jīng)過(guò)的傳感器輸出為高電平。為保護(hù)LPC2210系統(tǒng),減小外界信號(hào)干擾, 傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)光電耦合器進(jìn)行信號(hào)隔離后由LPC2210的GPIO接口輸入LPC2210控制系統(tǒng)。圖3為位置檢測(cè)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(chǔ)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(mén)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(chǎng)聲報(bào)警和遠(yuǎn)程自動(dòng)撥號(hào)報(bào)警功能。
當(dāng)自動(dòng)儲(chǔ)物系統(tǒng)的箱體外殼或是系統(tǒng)的電磁門(mén)遭到破壞，LPC2210系統(tǒng)在接收到報(bào)警信號(hào)后，通過(guò)GPIO接口向報(bào)警器的AT89S52芯片輸出控制信號(hào)，AT89S52接到信號(hào)后控制報(bào)警器中的雙音多頻發(fā)送/接收電路和語(yǔ)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(chǎng)120dB的高響度警笛外，還能夠快速啟動(dòng)報(bào)警器的自動(dòng)撥號(hào)程序。報(bào)警器將自動(dòng)順序撥打用戶(hù)設(shè)置的6組報(bào)警電話號(hào)碼，并能依次循環(huán)撥打，直至得到回應(yīng)。報(bào)警電話號(hào)碼可由用戶(hù)預(yù)先進(jìn)行設(shè)置。報(bào)警器還可設(shè)置用戶(hù)密碼，并且安裝看門(mén)狗電路，故死機(jī)后能自動(dòng)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(duì)用戶(hù)的身份進(jìn)行驗(yàn)證，密碼驗(yàn)證具有三次機(jī)會(huì)。驗(yàn)證通過(guò)后，用戶(hù)可以通過(guò)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(guò)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(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以使被選擇儲(chǔ)物箱體達(dá)到預(yù)定位置。存取完成后，用戶(hù)可根據(jù)計(jì)算機(jī)顯示的物品管理菜單對(duì)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(chǔ)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(chǔ)物系統(tǒng)具有傳統(tǒng)存儲(chǔ)裝置無(wú)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(guò)采用ARM芯片對(duì)智能儲(chǔ)物系統(tǒng)進(jìn)行控制，使儲(chǔ)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(chǔ)物系統(tǒng)作為一種新型的辦公、家用儲(chǔ)物裝置，在未來(lái)的智能樓宇系統(tǒng)中將具有良好的應(yīng)用前景。
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