基于Cortex-A9 的物联网智能仓储管理系统设计与实现

发布时间：2016-06-11 06:22

第一章 绪论

1.1 引言
经济全球化带动物流业快速发展。作为国家经济的支柱产业，物流业关系到人们的生活、工作以及社会行业的发展，比如餐饮、交通、金融、运输业等。物流业作为目前新兴产业之一，已经成为国内经济增速最快的行业。我国物流业发展水平与西方主要发达国家相比仍然比较落后，2014 年国内外物流总费用我国大约占 GDP 比例的 20%，远远高出西方国家一倍还多。虽然我国物流总额占GDP 比例逐年增长，但是过高的物流成本、低效的货物调度、严重的信息滞后等因素成为制约我国物流业发展的重要瓶颈。如何能够将物流成本降低到可控范围，已经成为我国社会经济发展所面临的重要研究课题。随着全球经济一体化，国际贸易不断发展，物流合作不断加深，智慧物流已经引起我国物流业的高度重视。智慧物流依托先进的信息化和自动化等关键技术，极大地降低物流成本，并且推动产业更新升级，是现代物流行之有效的发展模式。
智慧物流和物联网联系紧密，该理念正是依托物联网技术形成的。智慧物流是指将先进的物联网技术（比如 GPS 技术、射频识别技术（RFID）、无线传感器技术、移动互联网技术、通信网络技术等）通过无线通信平台和专业化信息处理广泛应用于物流业运输、仓储、配送等重要环节，实现智慧物流的信息化、智能化和系统化。

物联网从兴起到现在，经历了短短十几年的蓬勃发展。物联网是以感知物理世界为目的，通过利用射频识别技术、传感器技术、M2M 技术等并按照一定的协议标准，实现物理世界的人与人、人与物、物与物的数据信息交换，从而实现系统自动化识别、定位、追踪和监视。通过依靠物联网的智能化决策和控制，实现物流的自动化、信息化、网络化、实时化。

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1.2 研究背景和意义

全球信息化的高速发展带来信息资源膨胀式的增长，人们已经无力承担如此巨大的信息量和高昂的信息成本，因此要想得得自己需要的信息，必须采取资源共享的方式。对信息敏感的物流业而言，以最短的时间获取到最新的信息咨询显得尤为重要。高效、快捷和准确的物流业对生产力要素的合理配置和流动起着决定性的作用，直接制约着社会流动资源的应用水平。
国内很多大型物流企业物流信息化水平落后，信息系统功能不够完善，没有配套的货物跟踪系统、仓储管理系统、运输管理系统等物流服务系统。经济的快速发展促使物流仓储的规模逐年的扩大，仓库货物的流动性大，货物进出变动复杂，传统的仓储管理模式无法满足现代物流企业的发展需求。通过引入物联网技术，使我国物流系统具有信息化、智能化、数字化和网络化等高新技术的特点。

现代物流业对仓储信息化管理提出了非常高的要求。然而传统仓储管理主要是以货物的生产进度和销商规模作为参考依据进行库存结构的协调。操作人员依靠传统的纸质单据进行货物管理，货物记录主要由单据的传递或人员喊话完成，导致数据难以实时同步更新，并且难以保证货物信息的准确率，造成货物信息严重滞后，进而导致不能及时掌握货物库存。为了满足货物的库存，不得不增加库存量维持正常的生产和销售，进一步造成租用仓储费用的增加、库存货物变质、老化等问题。货物租用仓库和其他基础设施的费用约占货物生产总成本的20%-75%，因此降低货物仓储运作成本是提高经济效益的有效方法。

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第二章 仓储管理系统设计

2.1 系统总体架构设计
物联网的核心价值是能够实现物与物、人与物、人与人之间的连接，并且提高社会生产效率、优化资源和降低成本。智能仓储管理系统架构设计遵循国际电信联盟提出的物联网系统通用分层模型，即三层架构，分别是感知层、网络层、应用层。其中感知层主要负责反馈物联网系统的服务、功能要求；网络层主要负责传输和处理感知层获取的信息，是物联网的核心；应用层是物联网和用户的接口，为各种具体应用提供公共服务支撑的环境，与行业需求结合，实现物与物之间、人与物之间识别与感知。系统结构如图 2.1 所示。

感知层相当于物理接触层，是物联网的基础，主要实现物理世界和信息世界的衔接。由于物理世界物体之间不具有互通的能力，所以借助基本的感应器件如 RFID识别芯片、各种传感器（生物、物理、化学等）、智能芯片、GPS、二维码标签和识读器等节点采集物理世界的信息。该层关键技术有：RFID 技术、互联网组网技术、无线传感器技术、现场总线技术等。

网络层是连接感知层和应用层的桥梁，主要实现两层之间信息互通，根据不同的应用需求进行相应的信息处理。目前该层的核心技术、市场应用、商业运营模式都相当成熟，能够单独提供成熟的通信服务，并且融合了多种通信网络技术，如移动通信、光纤通信、卫星通信、Wi-Fi、PSTN、ZigBee 等。

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2.2 系统平台架构设计
智能仓储管理系统最基本的功能是准确查询、定位和跟踪货物信息，将货物信息传送到中心服务器保存到数据库中。本系统通过温湿度传感器、光照传感器等传感设备对仓储环境信息进行实时不间断采集，借助 ZigBee 无线通信技术将数据传输到 Exynos4412 平台上，进行数据分析和处理，及时对仓储环境的变化作出相应的调整；通过 RFID 技术扫描货物得到货物的详细信息并及时向中心服务器发送数据。仓储管理员可以通过 PC 客户端实时查看仓库环境信息和库存信息。真正做到根据实际工作环境的要求，实现一个低功耗、低成本并且人机界面交互友好的嵌入式操作系统平台。
根据智能仓储管理系统每个部分所要完成的功能进行硬件层次结构的设计。本系统从硬件上分为三个层次，分别是物联网节点、一级网关和二级网关。其中物联网节点主要完成仓库环境信息的采集，是由各种传感器设备组成[29]；网关主要完成仓库数据信息的上传下达。
分层式结构作为最重要的一种结构，最常见于软件体系结构中。该结构划分为三层，分别是表示层(UI)、领域层(BLL)和数据访问层(DAL)。

本章主要叙述了物联网智能仓储管理系统的总体设计流程，首先分析了物联网的层次结构，给出了常用的分层结构，并且介绍了每一层的功能，然后参照物联网分层结构思路提出了智能仓储管理系统架构的总体设计思路，并结合本项目的实际需求进行了系统平台的架构设计，最后详细的设计了系统的硬件和软件结构框架。

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第三章 系统关键技术分析及硬件平台选型...................................13
3.1 系统关键技术....................................................13
3.1.1 嵌入式系统........................................................13
3.1.2 Linux 操作系统......................................................14
3.1.3 RFID 射频识别.....................................................15
3.1.3.1 RFID 概述.......................................................15
3.1.3.2 RFID 特点....................................................15
3.2 ZigBee 组网技术....................................................15
3.2.1 ZigBee 组网特性..............................................16
3.2.2 ZICM2410 模块.....................................................16
3.2.3 ZigBee 组网实现...............................................17
3.3 硬件平台选型....................................................18
3.3.1A9 平台硬件选型...................................................18
3.3.2 M0 平台硬件选型.................................................20
3.4 本章小结...........................................................21
第四章 Cortex-A9 硬件平台 Linux 系统移植................................23
4.1 搭建 Linux 交叉编译开发环境........................................23
4.2 U-boot 系统移植.................................................. 24
4.2.1 U-boot 概述.................................................. 24
4.2.2 U-boot 移植................................................... 25
4.3 Linux 内核移植.................................................26
4.4 根文件系统制作....................................................27
4.4.1 根文件系统概述.................................................27
4.4.2 Yaffs2 文件系统制作..............................................27
4.5 本章小结...........................................................28
第五章 数据处理系统总体设计..........................................29
5.1 数据处理系统软件设计.............................................29
5.1.1 数据处理系统功能需求分析......................................29
5.1.2 数据处理系统软件框架设计......................................29
5.2 数据处理系统关键技术............................................30
5.2.1 Linux 多线程技术..............................................30
5.2.2 进程间通信机制................................................31
5.3 数据接收模块实现.................................................33
5.3.1 功能描述.....................................................33
5.3.2 数据结构设计.................................................34
5.3.3 流程描述....................................................34
5.3.4 ZICM2410 USB 转串口初始化................................35
5.3.5 数据校验和算法..............................................35
5.4 数据处理模块实现............................................36
5.4.1 功能描述...................................................36
5.4.2 数据结构设计...............................................36
5.4.3 流程描述....................................................37
5.4.4 数据分析处理.............................................37
5.5设备控制模块实现..........................................38
5.5.1 功能描述................................................38
5.5.2 数据结构设计.............................................38
5.5.3 流程描述......................................................39
5.5.4 命令发送.....................................................40
5.6 嵌入式数据库模块实现.........................................41
5.6.1 数据库概述.................................................41
5.6.2 SQLite C 语言函数接口......................................41
5.6.3 数据结构设计...............................................42
5.6.4 SQLite 模块流程............................................43

5.7 本章小结......................................................44

……

第六章 智能仓储系统测试

6.1 测试数据接收过程
其中 warehouse_info.num 代表仓库编号，warehouse_info.hum 代表仓库内的湿度值，warehouse_info.tem 代表仓库内的温度值，warehouse_info.lex 代表仓库内的光照强度。如图所示，没有采用校验时，数据传输过程中出现值为 0 的情况，即所谓的丢包情况。通过多次测试比对数据，总结得出的结论是当没有采用数据校验和算法时，数据采集终端 M0 采集的仓库内环境数据信息经过 ZigBee 模块传输会出现比较明显的丢包以及数据错误等现象；当采用优化数据校验和算法后，明显的数据包丢失和数据传输错误的问题基本上解决，从而有效的提高仓库环境数据传输的正确性。
仓库内安装的物联网节点采集的最新环境信息有：环境温度、环境湿度、环境光照强度、M0 电池电量、模拟电压、三轴重力加速度以及货物相关的信息等都可以通过 PC 客户端上的HTML 网页实时显示出来，方便仓库管理员实时查询和控制。

本章主要工作是对系统进行一系列的测试，重点测试 A9 和 M0 间数据传输的正确性，同时也对货物出入库信息以及系统整体进行了测试。经过多次测试，取得了预期的效果。在完成所有的测试之后，物联网智能仓储管理系统基本完成。

……

结论

（1）首先研究了目前物联网技术、传感器技术和无线通信技术等关键技术，为物联网智能仓储管理系统的设计提供理论基础。
（2）通过分析国内外仓储管理系统的现状，并结合国内物流业对智能仓储管理系统的功能要求，搜集了大量相关资料，最后设计了基于物联网的智能仓储管理系统。
（3）结合项目的实际需求，选择 Exynos4412 开发板、LPC11C14 数据采集终端以及 ZICM2410 通信模块作为物联网智能仓储管理系统的硬件开发平台，重点分析了 Exynos4412 平台上的各个功能模块工作原理。
（4）通过分析国内比较流行的嵌入式操作系统，，选择了 Linux 系统作为项目的软件开发平台，深入研究了 Linux 系统的层次结构，并将 Linux 系统经过裁剪移植到 Exynos4412 硬件平台上。
（5）结合智能仓储数据处理系统的功能要求，设计了物联网智能仓储数据处理系统的整体软件架构，重点对仓库数据接收、处理、存储以及设备控制等方面进行功能模块的详细设计和实现。

（6）通过研究目前流行的无线通讯技术，选择利用 ZigBee 技术作为项目的通信方式，实现仓库的自组网。深入理解 ZigBee 协议栈，完成数据采集和处理模块之间的数据交互。（7）搭建测试系统，采用数据校验和算法对数据处理系统和远程监控终端 M0之间数据传输出现的丢包、错误码等问题进行测试，并且对系统整体和控制设备进行测试。

参考文献（略）

本文编号：55918