基于安卓的智能储物柜控制平台设计 魏天骐 ,罗庆生 ,王勇 ,糜相行 (1.北京理工大学机电学院,北京100081;2.北京理工大学软件学院,北京100081) Design of Control System Based on Android for the Indoor H eight Space Items Storage and Intelligent Management System WEI Tian—qi ,LUO Qing—sheng ,WANG Yong ,MI Xiang—hang (1.School of Mechatronical Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China;2.School of Software, Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China) 摘要:在空间狭小、物品繁多的室内场合,传统 的储物柜和物品管理方式显得捉襟见肘。针对这一 特点与不足,设计了一套适用于家庭、超市和办公室 download;the lower based on microcontroller,real— ize functions of addressing,positioning,motion control,and so on.The combination of mechanical structure and control system allows the operator remove,place and manage items without need to 等场合使用的智能储物柜及物品存放自动化管理系 统。操作者通过安卓平台对该智能储物柜进行操 作。控制系统分为两层:上层基于安卓平台,完成人 机交互、远程控制、筛选策略、物品识别和信息下载 know the specific location of items.Bluetooth corn— munication capabilities by the end of the phone, you can achieve 1ockers wireless control,view the complete article,select and remove.Through Blue— tooth communication between the mobile phone 等功能;下层基于单片机,完成寻址、定位和运动控 制等功能。上下层控制系统结合储物柜机械装置, 可使操作者在无需知道物品具体位置的情况下将物 品取出,并进行智能管理。通过手机端的蓝牙通讯 功能,可实现对储物柜的无线控制,完成物品的查 看、选择和取出。 and the platform,operator can control the locker in wireless. Key words:Android;bluetooth;storage;con— tro1 关键词:安卓;蓝牙;智能储物柜;机电控制 中图分类号:TH692.3 文献标识码:A 文章编号:1001—2257(2013)03—0028一O4 Abstract:In the narrow interior space with nu— 0 引言 对中小户型住宅而言,提高空间利用率是使其 具有较高舒适性的关键口]。在家庭、超市和办公室 merous items,the traditional way of storage and management cannot meet the requirements.To 等场合,传统的储物方式多以利用地面附近空间、人 工取放的方式进行,高处空间利用率低下。在通过 利用室内高处空间、提高物品摆放密度等方法,提高 物品的利用率的同时也会对整套储物系统的易用 solve the problem,we designed the Indoor Height Space Items Stored and Intelligent Management System,which is operated through the Android platform and appropriate for the family,supermar— kets,offices,and other occasions.The control sys— 性、自动化程度提出更高的要求。 在物品管理方面,物品以往多通过人脑或者书 面记录的方法进行记录。在物品种类繁多或需要准 确管理的情况下,这种方式效率低下,可靠性较差, 需要较多的人工成本。针对这些问题,利用智能家 居和家具机电一体化的理念_2 ],采用机电一体化 和自动仓库相关技术 ],设计了一套室内高处空 间物品存放系统和物品管理系统。 《机械与电子}2013(3) tern is divided into two layers:the upper 1ayer based on the Android platform,realize functions of human—computer interaction,remote control,se— lection strategy,item identification and information 收稿日期 2012—1O一3O 基金项目 教育部大学生创新性实验计划项目(111000702) 28 ・ 基于安 1 系统所依托的机械结构和运动 物品存放和管理系统如图1所示。物品管理系 统可控制多组储物系统;室内高处空间物品存放系 统作为一组储物系统接受控制。两系统配合完成物 品的自动存取和智能管理。 储物单元 悬挂货 打印机 图1 物品存放和管理系统 整个系统的控制系统分为两层,上层即物品管 理系统,下层是物品存放系统的嵌入式系统。 机械结构的主要组成如下: a.固定在室内高处的柜体,其内部设有多个用 来存放物品的模块化单元(下简称储物箱)。 b.柜体正面安装有可以横向移动的运输单元, 运输单元由钢丝绳牵引进行移动。 c.运输单元上装有货叉机构,完成储物单元的 选择及取放动作。 d.柜体一端安装有用来使储物单元上下运动的 升降平台,通过卷扬机带动。 2 控制系统功能要求 控制系统应具备的功能如下: a.精确控制多台电机的运动,协调完成物品取 放的功能。 b.使用人员通过触摸屏点选需要的物品后,控 制系统根据内部数据库,自动完成物品位置的判断 和机械的控制。 c.通过条形码或二维码识别物品,联网获取物 品信息。 d.能通过手机以无线的方式对系统进行物品查 找、登记、取出和获取信息等功能。 3 控制系统结构 控制系统结构如图2所示。操作者可通过安卓 《机械与电子>>2013(3) 平台或者手机对系统进行控制,安卓平台作为上位 机完成人机交互、远程控制、筛选策略、物品识别和 信息下载等功能,当上位机完成物品的筛选和定位 后,将位置编号指令通过串口发送给下位机;下位机 接收后,据此查询内部数据,获得目标位置,进行运 动的规划,再将运动的规划转化成电机驱动控制信 号,控制机构完成物品的取放。当使用手机进行操 作时,手机通过蓝牙与安卓平台进行通讯,同步信 息,在提供便捷性的同时可完成与安卓平台相同的 操作。控制过程中的信息流如图3所示。 一五才一uart l手机卜=== 安卓平台 — 80E51单片机 ≯l步进电机驱动器l 图2控制系统结构 用户 ;无线终端;安卓平台; 单片机 ;驱动和反馈 圆疆 酱酬 匾隧 匮 咂 l 宕慧H !; 广_—!;避垂二[lI擢 收确认到发信星送思 曩 l.! :——!l 疲’ 送盾 l确认 _一l 墼塑坠重 l ! f !. i . ! ! 曩 薹 l 图3控制过程中的信息流 3.I通讯协议 设计中,考虑到系统的一致性和程序流程简洁, 避免不必要的转换,设定了统一的应用层通讯协议。 3.2上层控制平台的实现 3.2.1 平台功能 a.物品信息扫描录入。用户在使用本系统存储 物品时,可通过扫描二维码,快速录入物品的信息, 如物品的名称、照片、生产日期、保质期和物品分类 等,平台功能可节省用户手动输入物品信息的时间。 平台功能的操作流程是:在初次进行某件物品 存储时,用户需要手动输入物品信息,系统会帮用户 生成并打印出二维码标签,用户将二维码标签粘贴 于物品上;之后进行物品信息存储时,用户只需通过 手机或平板电脑的摄像头扫描此二维码标签,系统 将快速从中读取包括物品照片、生产日期、保质期、 物品分类和物品名称等信息。 当用户完成录入后,系统会根据物品信息自动 分类,并显示相关信息。系统还提供了用户管理、物 ・ 29 ・ 基于 品查找和物品搜索等功能。为便于用户使用安卓系 统与移动终端使用相同的界面。 b.无线控制。用户可以手机、平板电脑等移动 设备端,无线近程控制机械与动力装置完成物品的 存取。此功能可使用户在家里的大部分地方都能无 线控制此储物系统。 3.2.2 实现方式 a.物品信息扫描录入。①条形码和二维码 ], 综合考虑成本、实用性、技术成熟成熟程度,选用条 形码和二维码作为物品识别的媒介。当物品上具有 条形码时,通过扫描条形码,联网搜索获得物品信 息,自动填入,由用户补充。当物品上没有条形码 时,由用户录入信息,并打印二维码,粘贴到物品上。 由于二维码包含的信息量大,用户录入的信息可以 部分存入,便于在多个系统之间转移,避免重复输 入。②二维码图片的生成_7],系统支持QR Code、 PDF417两种二维码编码方式,利用安卓平台提供 的图片处理接口Bitmap,将物品的各类信息以 JSON(Java script object notation)的格式编码成一 个字符串,然后将字符串转换成黑白点阵,最后转化 为相应的二维码图片。③二维码的识别l_7],系统利 用手机或平板电脑自带的摄像头,拍摄物体上的二 维码标签,对其多帧图片,分析其中的黑白点阵排 列,判定其编码格式(QR Code或PDF417),然后利 用此编码格式的编码规则,对其进行解码,得到字符 串,然后利用java语言提供的JsON格式串处理接 口JSONObject与JSONParser,从中提取物品的各 类信息。图4为二维码识别的流程。 匦至 区 亟 l图4识别二维码的流程 b.无线控制。移动客户端与安卓固定平台之间 的无线通信一蓝牙通信_8—1 ,系统利用设计好的通 信协议,使用安卓平台提供的蓝牙通信接口Blue— tooth Adapter、Bluetooth Device,实现蓝牙模块的 开启关闭、蓝牙设备的扫描和蓝牙设备的配对;利用 Bluetooth Server Socket与Bluetooth Socket接口, 实现全双工的蓝牙通信。 对于安卓系统,蓝牙通信无需了解具体协议,通 讯的建立只需通过调用接口,完成启动流程。安卓 固定平台与单片机之间的串口通信,安卓操作系统 本身并不提供串口通信功能,系统通过编写安卓串 ・ 30 ・ 口驱动,实现安卓的串口通信功能,利用驱动中提供 的串口通信接口Hardware Controller,实现与单片 机的串口通信。 3.3下层控制的实现 3.3.1 功能 通过主控芯片与上层控制平台之间的协调通 讯,控制机械系统完成规定动作流程,实现对物品数 据库数据与实际物品所在空间位置的同步 。 涉及到如下部分功能模块:上位机通讯模块、频 率可调步进电机控制脉冲的生成模块、位置检测模 块、多步进电机控制顺序的组织与协调以及运行状 态指示模块。 3.3.2 实现方式 a.电路结构。下层控制系统硬件结构如图5所 示,下层主控制器芯片AT89S52单片机,它具有8K 字节程序存储空间,256字节数据存储空间,没有内 带EEPROM存储空间,而STC89C52RC单片机具 有8K字节程序存储空间,512字节数据存储空间, 内带4K字节EEPROM存储空间,可直接使用串口 下载。通讯模块采用MAX232芯片。单片机及外 围芯片供电使用LM2596开关电压调节器。 供电卜—— 单片机卜.—— 行程开关 步进电机 步进电机I 步进电机 控制器1 控制器2 I 控制器3 ’ ’ ’ 步进电机1 步进电机2 步进电机3 图5 F层控制系统硬件结构 b.主要程序流程。下层控制系统程序流程如图 6所示。整个结构为自然顺序的循环,完成上位机 的一个存或者取的任务。上位机先取出所需用来存 放的储物盒,然后用户将所要存放东西放人取来的 储物盒之中。之后向单片机发出信号,单片机控制 收到控制指令 等待确认操作 移动到目标储物盒 托板上升 !!l ...............一 取出储物盒 取出储物盒 二二工二 返回初始位置 移动到目标位置 二二]二 储物盒放入托板 放入储物盒 放下托板储物盒降下 移动平台返回初始位置 图6下层控制系统程序流程 《机械与电子))2013(3) 基于安卓的智能储物柜控制平 储物盒上升到储物柜之中,然后将装有所存放东西 的储物盒返回之前的位置之中,完成存放。而取的 过程同样按照存放任务的循环,将所需的储物盒取 出,然后再放回的顺序,完成取出物品的循环。 C.串口通讯协议。整个运动过程中与上位机的 通讯并不频繁,通讯仅在进行任务分配时进行,也即 是在每次动作循环前后进行数据传输与确认。电路 采用12 MHz晶体振荡器,为保证通讯之间的精度, 减少误码的发生,所以采用最高2 400波特率,保证 与上位机之间通讯不会出现信号丢失现象,并且在 软件系统中进行通讯校验的步骤,如CRC32即循环 冗余校验检测[1 。串口通讯协议对照表见表1。 d.步进电机控制程序设计。采用步进电机驱动 器时,步进电机的基本控制方法为产生一个脉冲信 号时,步进电机向规定方向产生一个转角0,当送入 一系列脉宽可调的连续脉冲信号时,步进电机产生 相应的旋转速度,步进电机的细分次数将通过步进 电机的驱动器来调节,需要通过分别对每个步进电 机工作速度与效率进行评估后进行选择。 脉冲产生方法分为两种,一种是通过延时函数 来产生,但这种方法的缺点是产生的脉冲不精确,并 且浪费了大量的控制器计算时间;另二种是通过定 时器中断来产生脉冲,这样的方法产生的脉冲较准 确,但需要利用一个定时器来控制,设计采用这种方 案。但这样就有一个问题,主控制芯片的定时器资 源比较紧张,串口通信需要占用3个定时器的其中 之一,因此,步进电机控制需要充分利用 STC89C52RC剩余的2个定时器中断,需要避开同 时对多个步进电机的同时操作,分别在不同时段对 步进电机进行操作,克服主控制器定时器的缺乏。 通过速度参数计算产生相应定时器初值,当脉 冲计数参数到达指定次数时进行定时器处置的重 装。加速运动时,重装脉冲计数间隔逐渐增加,因 此,使速度产生间隔变化。减速过程与加速过程相 反,重装间隔脉冲逐渐减少,产生相应的减速运动。 步进电机可采用开环控制,但由于绳传动时会 产生微小误差,因此,需要进行位置矫正。具体方 法:通过为每个电机位置相应的全局变量进行记录, 每次电机运行达到规定次数时,进行减速及停止的 操作。当进行完一个存取的工作循环时,每个存取 箱进行归位。归位时检测相应位置行程开关的状 态,当到达初始状态时,进行相应变量的重置。最终 《机械与电子>>2013(3) 通过各相关动作产生所需的存放及取用动作。 4 结束语 将智能家居的理念与自动化仓库的理念相结 合,讨论了基于安卓平台的智能储物柜控制系统,包 括系统结构、硬件组成、软件设计和通讯协议。经测 试,系统运行稳定,操作方便,界面友好,达到了预期 的效果。系统使得自动储物柜更加人性化,易于操 作。物品管理的功能有助于对物品进行查找、分类、 管理和统计。 参考文献: [1]侯博.浅谈中小户型住宅的空间可变性设计[J].后 勤工程学院学报,2009,25(2):14—17. 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