普 頓， 蔣 林， 劉嚴(yán)亮， 索朗邊巴， 肖 偉

（1.西藏大學(xué) 教務(wù)處，西藏 拉薩 850000；2.西藏大學(xué) 工學(xué)院電子信息系，西藏 拉薩 850000）

中國物流行業(yè)起步較晚，隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，物流業(yè)的市場(chǎng)需求持續(xù)擴(kuò)大。進(jìn)入21世紀(jì)以來，在國家繼續(xù)加強(qiáng)和改善宏觀調(diào)控政策的影響下，中國物流行業(yè)保持較快增長(zhǎng)速度，物流體系不斷完善，行業(yè)運(yùn)行日益成熟和規(guī)范。目前國內(nèi)外的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[1-2]已經(jīng)有了一定的成果，技術(shù)相對(duì)比較成熟，但是，結(jié)合藏文信息和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的物流系統(tǒng)很少受到關(guān)注。一方面，是由于其市場(chǎng)受到較大的限制，企業(yè)的觀注度自然下降；另一方面，藏文物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)目前還處于萌芽狀態(tài)，投入這方面的項(xiàng)目和資金也很少。這就導(dǎo)致在西藏地區(qū)物流公司的信息化建設(shè)發(fā)展緩慢，使用人力進(jìn)行貨物的清點(diǎn)和接收仍然是主要的運(yùn)作方式，極大地浪費(fèi)了人力資源。

本系統(tǒng)把藏文信息技術(shù)和當(dāng)今最前沿的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合起來，為西藏物流系統(tǒng)的信息化和自動(dòng)化提供了解決方案。同時(shí)采用MSP430F2101作為主控芯片，應(yīng)用nRF24L01作為無線射頻芯片[3]，其有效距離為10 m，物流中心的貨物都標(biāo)識(shí)上唯一的貨物ID，ID號(hào)中包含物品的發(fā)送公司，其負(fù)責(zé)人的聯(lián)系方式；貨物接收公司，其負(fù)責(zé)人的聯(lián)系方式；負(fù)責(zé)托運(yùn)公司信息、聯(lián)系方式；物品運(yùn)輸?shù)淖⒁馐马?xiàng)等內(nèi)容，該系統(tǒng)融合了藏文信息技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，上位機(jī)采用藏漢雙語界面，能夠全自動(dòng)實(shí)現(xiàn)物品的入庫和出庫管理，極大地節(jié)省了人力成本。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件整體設(shè)計(jì)

根據(jù)本系統(tǒng)各功能的需求，其硬件框圖主要由MSP430主控芯片、攝像頭模組、nRF24L01無線收發(fā)模塊、天線模塊、系統(tǒng)上位機(jī)（物流管理系統(tǒng)）及物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫組成。本設(shè)計(jì)所選用的主控芯片是MSP430F2101，它是一種16位超低功耗的混合信號(hào)處理器，在活躍模式下最大電流為350 μA，RAM數(shù)據(jù)保持方式下耗電僅0.1 μA；攝像頭模組主要用于監(jiān)控整個(gè)物流中心貨物的進(jìn)出情況；nRF24L01無線接收模塊主要用于發(fā)射和接收射頻信號(hào)，進(jìn)行識(shí)別貨物的ID號(hào)。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫主要是作為本系統(tǒng)的相關(guān)信息的存儲(chǔ)單元，將每個(gè)ID號(hào)相對(duì)應(yīng)的具體信息都存儲(chǔ)在內(nèi)，再通過聯(lián)網(wǎng)，就能實(shí)現(xiàn)異地查詢貨物的相關(guān)信息；天線模組主要是收發(fā)信號(hào)時(shí)所用；系統(tǒng)上位機(jī)主要是利用一臺(tái)安裝有SQL server2005、VB軟件及該物流管理系統(tǒng)的PC機(jī)組成；其硬件整體框圖如圖1所示。

圖1 硬件整體框圖Fig.1 Block diagram of overall hardware

本系統(tǒng)硬件主要由nRF24L01模塊和控制單片機(jī)MSP430構(gòu)成。nRF24L01模塊與單片機(jī)的SPI總線直接相連，在簡(jiǎn)化接口設(shè)計(jì)的同時(shí)也提高了系統(tǒng)的可靠度。nRF24L01無線射頻芯片具有高達(dá)2 Mb/s的傳輸速度；內(nèi)置CRC校驗(yàn)和出錯(cuò)重傳機(jī)制；以及在2 Mb/s速度下接收電流為12.3 mA，0 dBm發(fā)送電流為11.3 mA的低功耗等特點(diǎn)。

上位機(jī)通過串口將數(shù)據(jù)和參數(shù)傳送給發(fā)射端/接收端的控制單片機(jī)。發(fā)射端在脈沖輸入的上升沿將數(shù)據(jù)發(fā)射出去，其發(fā)射原理框圖如圖2所示；接收端接收到數(shù)據(jù)時(shí)利用中斷提醒接收端單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，解碼正確后進(jìn)行脈沖輸出和數(shù)據(jù)傳送。對(duì)接收端脈沖輸出信號(hào)與發(fā)射端的脈沖輸入信號(hào)進(jìn)行時(shí)間延時(shí)測(cè)量，便可獲得同步信號(hào)無線傳輸?shù)臅r(shí)延值。

圖2 無線發(fā)射的系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of wireless transmitter system

1.2 硬件電路原理圖

1.2.1 nRF24L01硬件電路原理圖

1）nRF24L01的性能及應(yīng)用電路

nRF24L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件，工作于2.4～2.5 GHz ISM頻段，工作電壓1.9～3.6 V。可通過SPI寫入數(shù)據(jù)，最高可達(dá)10 Mbit/s，數(shù)據(jù)傳輸速率最快可達(dá)2 Mbit/s，并且具有自動(dòng)應(yīng)答和自動(dòng)再發(fā)射功能。芯片融進(jìn)了增強(qiáng)式ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。 其應(yīng)用原理結(jié)構(gòu)圖[4]如圖3所示。

該芯片功耗低，－6 dBm功率發(fā)射時(shí)，工作電流9 mA，接收時(shí)工作電流只有12.3 mA，可選擇的掉電模式和空閑模式使其應(yīng)用設(shè)計(jì)更為方便。nRF24L01功耗低，在以－6 dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流也只有9 mA；接收時(shí)工作電流只有12.3 mA，多種低功率工作模式（掉電模式和空閑模式）使節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。模塊中nRF24L01和 MSP430通過MOSI、MISO和SCK組成SPI接口，單片機(jī)接32.768 kHz的低頻晶振工作，nRF24L01外接晶振為16 MHz，由低速的單片機(jī)控制高速收發(fā)的射頻芯片，內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并融合了增強(qiáng)型ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。

nRF24L01模塊與單片機(jī)的SPI總線直接相連，該模塊主要由發(fā)射端和接收端兩個(gè)模塊組成，每個(gè)模塊只可進(jìn)行單向數(shù)據(jù)的高速傳輸和控制，該系統(tǒng)包涵2個(gè)無線高速多頻道，通過控制字實(shí)現(xiàn)不同的功能（發(fā)送和接收），用戶還可以更改源程序進(jìn)行多頻無線通訊。

圖3 nRF24L01模塊原理圖Fig.3 Block diagram of nRF24L01

SPI口為同步串行通信接口，最大傳輸速率為10 Mb/s，傳輸時(shí)先傳送低位字節(jié)，再傳送高位字節(jié)。但針對(duì)單個(gè)字節(jié)而言，要先送高位再送低位。與SPI相關(guān)的指令共有8個(gè)，使用時(shí)這些控制指令由nRF24L01的MOSI輸入。相應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)信息是從MISO輸出給MCU。 nRF24L0l所有的配置字都由配置寄存器定義，這些配置寄存器可通過SPI口訪問。nRF24L01的配置寄存器共有25個(gè)，常用的配置寄存器如表1所示。

表1 寄存器配置表Tab.1 Register configuration table

2）nRF24L01的引腳功能及工作模式

nRF24L01各引腳功能如表2所示。

通過配置寄存器可將nRF241L01配置為發(fā)射、接收、空閑及掉電4種工作模式，如表3所示：

待機(jī)模式1主要用于降低電流損耗，在該模式下晶體振蕩器仍然是工作的；

表2 nRF24L01引腳功能表Tab.2 nRF24L01 pin menu

表3 nRF24L01的工作模式表Tab.3 nRF24L01 operating mode table

待機(jī)模式2則是在當(dāng)FIFO寄存器為空且CE=1時(shí)進(jìn)入此沒收；

待機(jī)模式下，所有配置字仍然保留。

在掉電模式下電流損耗最小，同時(shí)nRF24L01也不工作，但其所有配置寄存器的值仍然保留。

1.2.2 MSP430F2101芯片電路原理圖

本物流管理系統(tǒng)采用MSP430F2101芯片作為主控芯片，該芯片具有超低功耗的優(yōu)點(diǎn):活動(dòng)模式 280 μA，1 MHz，2.2 V；待機(jī)模式1.1 μA；掉電模式（RAM 數(shù)據(jù)保持）0.1 μA。 并且有12位A/D轉(zhuǎn)換器，帶有內(nèi)部參考源、采樣保持、自動(dòng)掃描特性等。串行通信時(shí)可軟件選擇UART/SPI模式，驅(qū)動(dòng)液晶能力最多可達(dá)160段。

MSP430F2101芯片的CPU集成了16個(gè)寄存器，極大地縮短了指令執(zhí)行周期，寄存器到寄存器的指令只需一個(gè)機(jī)器周期。其中R0～R3寄存器有特殊用途，分別用作程序計(jì)數(shù)器、堆棧指針、狀態(tài)寄存器和常數(shù)發(fā)生器。其他寄存器可作為通用寄存器使用，外圍模塊通過數(shù)據(jù)，地址和控制總線與CPU相連，CPU通過操作指令可以方便對(duì)它們進(jìn)行控制。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 MSP430F2101的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 MSP430F2101 block diagram of the internal structure

主控板MSP430F2101主要由：基本時(shí)鐘模塊結(jié)構(gòu)（內(nèi)部頻率高達(dá)16 MHz，外部32 kHz晶振，外部16 MHz高頻晶振，外部時(shí)鐘信號(hào)），帶3個(gè)捕獲/比較寄存器的16位定時(shí)器Timer_A，片內(nèi)比較器，用于模擬信號(hào)比較或作斜邊A/D轉(zhuǎn)換，具有Bootstrap程序裝載器，1 kB＋256B Flash存儲(chǔ)器128 B RAM。

MSP430有一個(gè)活動(dòng)模式和5個(gè)可軟件設(shè)置的低功耗模式.中斷事件可把系統(tǒng)從任何低功耗模式喚醒，并且在執(zhí)行完中斷服務(wù)例程后可返回到中斷前的工作狀態(tài)。

MSP430支持如下6種運(yùn)行模式，可軟件設(shè)置：

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的最終用戶為全國各地物流公司，同時(shí)為了在少數(shù)民族地區(qū)得于大面積推廣，還采用了藏漢雙語界面，使少數(shù)民族地區(qū)的物流公司更加的方便，為了推動(dòng)物流行業(yè)的發(fā)展及智能化，設(shè)計(jì)了基于藏文物聯(lián)網(wǎng)的物流管理系統(tǒng)，主要用于西藏地區(qū)的物流中心，為了更好的服務(wù)于西藏人民、為了在西藏地區(qū)得到更進(jìn)一步的應(yīng)用推廣，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了藏漢雙語的界面，方便其操作。

本項(xiàng)目基于RFID技術(shù)[5]，設(shè)計(jì)了基于藏文[6]物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的物流系統(tǒng)解決方案，該方案可以用于物流中心的貨物收發(fā)及信息的存儲(chǔ)、查詢等功能。本項(xiàng)目可用于那曲物流中心進(jìn)行物品收發(fā)的管理，具有方便快捷，效率高的特點(diǎn)，上位機(jī)采用藏文、漢文界面，方便用戶操作。

2.1 主程序流程框圖

主程序是一個(gè)封閉的循環(huán)，登陸工程主界面后，通過界面及各種芯片的初始化后，接收貨物的ID號(hào)，更新數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)貨物統(tǒng)計(jì)的功能。本設(shè)計(jì)以MSP430為主控板、以nRF24L01為核心構(gòu)建無線收發(fā)模塊，單片機(jī)MSP430與nRF24L01收發(fā)模塊通過SPI總線通信；單片機(jī)MSP430與PC機(jī)端主要以UART協(xié)議進(jìn)行串口通信，串行通信選擇UART/SPI模式，驅(qū)動(dòng)液晶能力最多可達(dá)160段，其串口速率設(shè)定為“9 600，8，N，1”。 其主程序流程框圖如圖5所示。

圖5 主程序流程框圖Fig.5 Flow chart of main program

2.2 主界面程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)利用VB語言[7]作出主程序界面，實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控、拍照、接收貨物的ID號(hào)并調(diào)用后臺(tái)數(shù)據(jù)庫顯示貨物相關(guān)信息及其圖片。界面對(duì)象中包含若干控件如命令按鈕、文本框及相關(guān)控件實(shí)現(xiàn)信息顯示及相關(guān)功能。數(shù)據(jù)庫是一種存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作的工具，數(shù)據(jù)庫的作用在于組織和表達(dá)信息。計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)庫可以分為兩類：非關(guān)系數(shù)據(jù)庫（flat-file）和關(guān)系數(shù)據(jù)庫（relational）。關(guān)系數(shù)據(jù)庫中包含了多個(gè)數(shù)據(jù)表的信息，數(shù)據(jù)庫含有各個(gè)不同部分的術(shù)語，象記錄、域等。 利用關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)貨物的相關(guān)信息，該數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)且可以實(shí)現(xiàn)添加、查詢、編輯、刪除記錄及更新的功能。這幾種操作均可由Visual Basic創(chuàng)建的程序來完成。

2.3 無線收發(fā)程序設(shè)計(jì)

發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)，首先將nRF24L01配置為發(fā)射模式：接著把接收節(jié)點(diǎn)地址TX_ADDR和有效數(shù)據(jù)TX_PLD按照時(shí)序由SPI口寫入nRF24L01緩存區(qū)，TX_PLD必須在CSN為低時(shí)連續(xù)寫入，而TX_ADDR在發(fā)射時(shí)寫入一次即可，然后CE置為高電平并保持至少 10 μs，延遲 130 μs后發(fā)射數(shù)據(jù)；若自動(dòng)應(yīng)答開啟，那么nRF24L01在發(fā)射數(shù)據(jù)后立即進(jìn)入接收模式，接收應(yīng)答信號(hào) （自動(dòng)應(yīng)答接收地址應(yīng)該與接收節(jié)點(diǎn)地址TX_ADDR一致）。如果收到應(yīng)答，則認(rèn)為此次通信成功，TX_DS置高，同時(shí)TX_PLD從TX FIFO中清除；若未收到應(yīng)答，則自動(dòng)重新發(fā)射該數(shù)據(jù)（自動(dòng)重發(fā)已開啟），若重發(fā)次數(shù)（ARC）達(dá)到上限，MAX_RT置高，TX FIFO中數(shù)據(jù)保留以便在次重發(fā)；MAX_RT或TX_DS置高時(shí)，使IRQ變低，產(chǎn)生中斷，通知MCU。最后發(fā)射成功時(shí)，若CE為低則nRF24L01進(jìn)入空閑模式1；若發(fā)送堆棧中有數(shù)據(jù)且CE為高，則進(jìn)入下一次發(fā)射；若發(fā)送堆棧中無數(shù)據(jù)且CE為高，則進(jìn)入空閑模式2。其發(fā)射程序流程圖如圖6所示。

圖6 無線發(fā)射程序流程圖Fig.6 Flow chart of wireless transmitter

接收數(shù)據(jù)時(shí)，首先將nRF24L01配置為接收模式，接著延遲130 μs進(jìn)入接收狀態(tài)等待數(shù)據(jù)的到來。當(dāng)接收方檢測(cè)到有效的地址和CRC時(shí)，就將數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)在RX FIFO中，同時(shí)中斷標(biāo)志位RX_DR置高，IRQ變低，產(chǎn)生中斷，通知MCU去取數(shù)據(jù)。若此時(shí)自動(dòng)應(yīng)答開啟，接收方則同時(shí)進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)回傳應(yīng)答信號(hào)。最后接收成功時(shí)，若CE變低，則nRF24L01進(jìn)入空閑模式1。

3 系統(tǒng)整體測(cè)試效果

用戶登陸界面如圖7所示。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，本項(xiàng)目的主界面友好，操作簡(jiǎn)便，而且本藏文物流系統(tǒng)的相關(guān)控件、菜單功能正常。測(cè)試顯示數(shù)據(jù)庫連接正常，能夠方便快捷的調(diào)用貨物的相關(guān)信息。無線發(fā)射模塊通過天線發(fā)射射頻信號(hào)功能良好，在12 m以內(nèi)其接收模塊能夠無差錯(cuò)的接收貨物ID號(hào)及相關(guān)信息，并能更新數(shù)據(jù)庫信息。收發(fā)功能及界面操作良好，接收模塊收到相關(guān)信息后，整合處理交PC機(jī)處理并更新數(shù)據(jù)庫，而且數(shù)據(jù)庫能夠達(dá)到聯(lián)網(wǎng)的效果?？傊軐?shí)現(xiàn)基本功能且操作簡(jiǎn)便。

圖7 用戶登陸界面Fig.7 User login screen

使用者要通過正確登陸用戶界面才能進(jìn)入該藏文物流系統(tǒng)，該界面是用藏漢雙語制作的，方便少數(shù)民族地區(qū)的物流公司使用，其主要保證物流公司及用戶的安全性，當(dāng)密碼被盜或出現(xiàn)其他異常時(shí)可以修改其密碼。

工程主界面展示圖如圖8所示。

工程的主界面包含藏漢雙語，便于藏族地區(qū)的物流中心使用。圖8所示的工程主界面主要實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的基本操作，使功能的實(shí)現(xiàn)更加容易，通過上圖可以看出該系統(tǒng)能夠顯示進(jìn)出貨物的ID號(hào)、貨物的發(fā)送公司、發(fā)送負(fù)責(zé)人及個(gè)公司的聯(lián)系方式等貨物的相關(guān)信息，并能更新物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫。

圖8 工程的主界面效果圖Fig.8 Main interface rendering works

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