基于ARM的智能儲物系統(tǒng)設(shè)計
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智能儲物系統(tǒng)由上位機、物品存取軟件和以下位機為核心的自動控制執(zhí)行機構(gòu)組成。上位機為一臺內(nèi)部安裝了物品存取軟件的PC機，它為智能儲物系統(tǒng)提供人機交互平臺，實現(xiàn)智能儲物系統(tǒng)的用戶驗證功能、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的下位機為核心的自動控制執(zhí)行機構(gòu)接收上位機發(fā)送的控制指令，通過自動控制使被選中的儲物箱體到達預(yù)定的位置來實現(xiàn)物品的自動存取和異常情況下的快速報警功能。整個儲物系統(tǒng)被安裝在一個堅固、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為墻體的一部分。與傳統(tǒng)保險柜相比，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械傳動機構(gòu)上。
智能儲物系統(tǒng)的操作簡單、方便。首先打開PC機，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，進行用戶身份驗證。驗證通過后，方可進入物品存取界面；在該界面中用戶選擇對物品進行操作的類型，是存物品還是取物品。選擇完成后，進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，上位機通過PC機的串行通訊口發(fā)送控制指令至下位機的LPC2210。LPC2210接到指令，進行解讀、轉(zhuǎn)譯，生成新的控制信號發(fā)送到步進電機。與此同時，位置傳感器對儲物小箱體的位置進行檢測，檢測到的位置反饋信號與位置給定信號進行實時比較，控制步進電機運轉(zhuǎn)。步進電機運轉(zhuǎn)帶動機械傳動機構(gòu)運動, 控制被選擇的儲物小箱體準確地停放在取物窗口，同時，取物窗門內(nèi)的電磁鎖自動打開，用戶進行物品存取操作。操作完成后，用戶可通過計算機上顯示的修改物品記錄界面增、刪物品記錄，實現(xiàn)物品清單的更新，以備檢索時使用。如果裝置窗口門或裝置外殼遭到破壞被強行打開，報警系統(tǒng)將自動啟動，實現(xiàn)現(xiàn)場報警或遠程撥號報警，遠程撥號號碼可由用戶通過人機交互界面預(yù)先輸入。
智能儲物系統(tǒng)不但具有儲物功能，而且還具有保險柜功能。與傳統(tǒng)的儲物櫥柜、保險柜相比，它省去了人工爬上、爬下的存取，對物品的存取實現(xiàn)了自動化，省時、省力。智能儲物系統(tǒng)還可以根據(jù)用戶的不同需求進行個性化的設(shè)計。儲存的物品能夠通過計算機進行系統(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)所具有的快速報警功能能夠提供快速的現(xiàn)場與遠程報警，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)成與實現(xiàn)
基于LPC2210的智能儲物系統(tǒng)由上位機、執(zhí)行機構(gòu)(包括步進電機、步進電機驅(qū)動器和機械傳動機構(gòu))、位置檢測器、報警器以及以LPC2210為核心的下位機控制器組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
1.1 主控制器（下位機）
本系統(tǒng)采用基于ARM7TDMI(-S)的LPC2210作為下位機主控制器。該控制器具有如下特點：
(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特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時鐘頻率下運行。
(2)具有16KB片內(nèi)SRAM，32位數(shù)據(jù)總線寬度，系統(tǒng)最大可擴展64MB存儲器。
(3)芯片內(nèi)部具有UART、硬件I2C、SPI、PWM、ADC和定時器外圍部件，功能強大。
LPC2210豐富的片內(nèi)外資源、快速的響應(yīng)性和較高的性價比都很適于作為智能儲物系統(tǒng)下位機的主控制器。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，通過控制算法運算，直接輸出PWM控制信號，經(jīng)光電隔離和步進電機驅(qū)動器的功率放大后，控制步進電機運行。當智能儲物系統(tǒng)遭到破壞時，LPC2210接收到報警信號后對報警器發(fā)送控制指令，使報警系統(tǒng)迅速啟動，實現(xiàn)現(xiàn)場報警或遠程撥號報警。遠程撥號電話號碼可由用戶通過上位機人機交互界面預(yù)先設(shè)置。
1.2 上位機
上位機是一臺PC機，主要完成智能儲物系統(tǒng)的人機交互以及對下位機進行指令控制。使用者可通過人機交互界面方便快捷地進行儲物存取選擇和物品檢索。
1.3 執(zhí)行機構(gòu)
執(zhí)行機構(gòu)采用步進電機拖動機械傳動機構(gòu)，進而帶動儲物箱體運動。LPC2210芯片是整個步進電機控制的核心部分，它接收來自上位機的箱體選擇指令，經(jīng)過ARM控制中心的解讀和轉(zhuǎn)譯，并與位置反饋信號進行比較、運算后，由LPC2210控制系統(tǒng)的PWM口送出步進電機的方向和位移控制量?？刂菩盘柦?jīng)光電隔離和電機驅(qū)動部分的功率放大后，控制步進電機的運行，步進電機運轉(zhuǎn)帶動機械傳動機構(gòu)運動，以使被選擇儲物箱體到達預(yù)定位置。
為保護ARM控制系統(tǒng),減小外界信號干擾,各傳感器、執(zhí)行機構(gòu)與LPC2210之間均采用光電耦合器進行信號隔離。
1.4 位置檢測器
以此次研制的實驗型儲物系統(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)頭時產(chǎn)生的渦流效應(yīng)而達到控制開關(guān)通或斷的目的。當有金屬物體接近傳感器的感應(yīng)頭時，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。當儲物箱體經(jīng)過傳感器的感應(yīng)頭時，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 報警器
報警器采用單片機芯片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16 位定時器/計數(shù)器和看門狗定時器、全雙工串行口、片內(nèi)晶振及時鐘電路。該報警器以公用電話線作為信息傳輸媒體，具有現(xiàn)場聲報警和遠程自動撥號報警功能。
當自動儲物系統(tǒng)的箱體外殼或是系統(tǒng)的電磁門遭到破壞，LPC2210系統(tǒng)在接收到報警信號后，通過GPIO接口向報警器的AT89S52芯片輸出控制信號，AT89S52接到信號后控制報警器中的雙音多頻發(fā)送/接收電路和語音報警電路實現(xiàn)報警控制。此時報警器除了可以提供現(xiàn)場120dB的高響度警笛外，還能夠快速啟動報警器的自動撥號程序。報警器將自動順序撥打用戶設(shè)置的6組報警電話號碼，并能依次循環(huán)撥打，直至得到回應(yīng)。報警電話號碼可由用戶預(yù)先進行設(shè)置。報警器還可設(shè)置用戶密碼，并且安裝看門狗電路，故死機后能自動恢復(fù)正常運行。
2 軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件設(shè)計程序流程如圖4所示。
主程序首先對用戶的身份進行驗證，密碼驗證具有三次機會。驗證通過后，用戶可以通過人機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口輸出步進電機的方向和位移控制量，控制步進電機的運行，從而拖動傳動機構(gòu)以使被選擇儲物箱體達到預(yù)定位置。存取完成后，用戶可根據(jù)計算機顯示的物品管理菜單對物品記錄進行增刪，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)計理念及實現(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)省空間以及可實現(xiàn)智能管理的優(yōu)點。而通過采用ARM芯片對智能儲物系統(tǒng)進行控制，使儲物系統(tǒng)具有很高的控制精度、實時性和可靠性。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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