基于CC2430的无线条码数据采集器的设计

摘 要：介绍了一种利用CC2430实现条码数据无线传输的数据采集系统。该系统利用嵌入式技术、无线通信技术、条码识别技术，以微处理器MCF5249、ZigBee无线传输模块、条码扫描引擎EM3000为核心，解决了以往仓库管理中手工录入信息效率低下的问题，实现了对信息的自动采集、实时传输及分析管理，并具有一体性、机动性、体积小的特点。
关键词： 无线传输； CC2430； 二维条码； 数据采集

在传统的仓库管理中，利用手工录入信息的方法存在效率低下、易出差错、更新及维护困难、缺少基于WSN网络化数据采集手段等缺点。随着我国物流仓储技术的发展，条码技术作为一种自动识别技术，具有输入速度快、准确度高、成本低、可靠性强等优点，在仓储管理中得到了广泛的应用。目前，在二维条码设备开发研制生产方面，美国、日本等国的设备制造商生产的条码识读设备和条码生成设备，已广泛应用于各类二维条码应用系统[1],而国内也主要使用国外产品。这些产品识读的码制大多是国外研发的,并且其中的无线产品大多采用蓝牙传输协议，存在技术复杂、成本高、功耗大、传输距离短及组网节点少等问题。国内也有一些条码识读器，但是大多采用有线方式，现场操作很不方便。将条码识别技术与无线通信技术相结合，可以实现对物品信息快速、准确、实时录入，并且能够在一定程度上降低设备成本，加快仓库管理信息化。
1 系统功能和总体结构
1.1 系统功能
本文所设计的无线条码数据采集器具有现场实时数据采集、传输、自动存储、即时显示、即时反馈、自动处理等功能。操作人员可以根据实际需求选择标准模式、快速模式或批量模式完成对物品的入库、出库、点验等操作。
1.2 系统总体结构
由于嵌入式系统在功能、可靠性、成本、体积以及功耗等方面都具有优势，可真正实现对产品的“量身定做”和便携化、智能化、网络化设计。
本系统应用嵌入式技术，采用模块化设计思想，结构模型主要由条码识别模块、微处理器和无线数传模块三大模块构成，如图1所示。微处理器作为主控制器，控制条码识别模块和无线传输模块分别对二维条码数据进行采集和发送。各功能模块相互独立，便于维护。除了上述主要构成模块之外，整个系统还需要其他必备的外围模块电路，包括电源模块、存储器扩展模块、键盘扫描模块、显示模块，本文中不做重点阐述。

1.2.1 条码识别模块
二维条码识读是通过获取二维条码符号上的图像信息，译码得到符号承载信息的过程。二维条码识读主要采用摄像式识读方式。其识读过程：首先由光源发光对条码照明，二维条码图像通过光学透镜成像在CMOS半导体传感器上，再通过直接数字化（CMOS技术）输出图像数据，由外部扩展存储器存储该数据，再送到处理器芯片进行码字分割、码字识别、信号纠错等处理;译码后的二维条码数据通过接口电路传送到主控制器，由主控制器控制其显示和无线传输。
本系统选用国内自主知识产权的EM3000二维条码扫描引擎，它集成了光学系统、图形数字化、图形处理和解码软件及相关电路，采用600 MHz的微处理器，能快速识别目前市场上所有主流应用的、符合国际标准的一维及二维条码，如PDF417、QR Code、Datamatrix、Aztec、汉信码等。EM3000由主板电路、CMOS 板电路、光源板电路组成，如图2所示。EM3000不仅提供串口与外界通信,同时还提供相应接口用来触发蜂鸣器和LED。

EM3000工作流程：扫描引擎初始化、摄取图像、图像预处理、图像二值化、符号定位或寻像、提取校正网格信息、符号采样、码图译码、纠错译码和信息译码。
1.2.2 无线通信模块
ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的应用于无线监测与控制的全球性无线通信标准,具有低成本、低速率、近距离、短延时、高容量、高安全、免执照频段等特点，可以广泛应用于工业控制、家庭自动化、医疗护理、智能农业、消费类电子和远程控制等领域[2]。因为ZigBee大多数时间都处于睡眠模式，所以特别适合用在功耗要求严格的场合，如电池供电设备。
本系统的ZigBee无线传输模块主要由CC2430构成，CC2430是Chipcon公司生产的符合ZigBee技术的 2.4 GHz 射频系统单芯片。 该芯片具有从休眠模式转换到主动模式用时短的特性，特别适合要求电池寿命非常长的应用场合[3]。CC2430芯片在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器,使用一个8 bit MCU(8051)，具有32/64/128 KB可编程Flash和8 KB的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、定时器（Timer）、AES128 协同处理器、看门狗定时器、32 kHz 晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(Power On Reset)、掉电检测电路(Brown Out Detection)以及21 个可编程 I/O 引脚。CC2430/CC2431芯片采用 0.18 μm CMOS 工艺生产,工作时的电流损耗为27 mA;在接收和发射模式下,电流损耗分别低于27 mA或25 mA[4]。
无线模块的构成如图3所示，该模块将采集器采集到的二维条码信息以无线方式传送到服务器。

1.2.3 主控制器模块
在条码数据采集方面,有的方案采用S3C2410X作为系统核心处理器[5]，该芯片集成度高、价格低，但是它属于商用级芯片,环境适应能力和可靠性方面有所欠缺。根据系统要求,对于处理器的选择，除了要具备接口丰富、可靠性好和性价比高的特点之外，还要具有低功耗特性。因此本采集器核心控制模块选用在工业控制领域广泛应用的MOTOROLA芯片MCF5249。MCF5249是以ColdFire 32 bit微处理器为基础的高性能处理器,最高工作频率为140 MHz，性能可达125Dhrystone 2.1 MIPS,而功耗仅为1.3 mW/MHz。本系统中，MCF5249通过串口TTL电平方式与条码扫描模块和无线数据传输模块相连，控制整个采集器内部数据的传输。
2 系统硬件设计
2.1 无线传输模块与主控芯片的连接电路
控制器MCF5249既要与条码扫描引擎EM3000进行数据通信,又要与ZigBee无线传输模块进行数据通信。为了实现在一个信道中同时处理这两路信号，系统采用了多路复用芯片MAX4052ACEE将一路UART信号分成多路，分别接EM3000和ZigBee无线传输模块，其中引脚TX1和RX1用于连接无线模块。无线传输模块与 MCF5249连接电路如图4所示。

服务器采用RS232接口与ZigBee协调器连接。采集器通过无线传输模块将采集到的条码信息上传到服务器。
2.2 EM3000与主控芯片的连接电路
本系统中EM3000与主控制器MCF5429之间通过串口进行通信，操作人员通过按键触发EM3000扫描条码，并将扫描到的条码信息通过串口传送到控制器。扫描模块在扫描失败时会给主控制器发送错误提示，在一个工作循环结束后，扫描模块会自动转入休眠状态，以减少功耗。EM3000与MCF5249硬件接口电路如图5所示。EM3000左边接相应的蜂鸣器和LED驱动电路[6]。

EM3000首先通过CMOS图像传感器摄取条码图像，并对条码图像进行预处理，再对预处理后的图像进行二值化、寻像定位、采样、信息译码和纠错译码等处理后，将条码信息还原成原始信息，并将数据传送到主控制器。
3 系统软件设计
整个条码采集系统由POS端和PC端构成。条码识别模块获取条码数据后，通过ZigBee网络以无线通信方式将数据发送给服务器。
根据仓库管理的需求，POS端可对条码信息进行入库、出库和点验等相关操作，并有标准模式、快速模式及批量模式三种工作模式可供操作人员根据实际需求进行选择。
POS端与服务器联网成功后，即可登录到采集器工作界面；操作员根据实际需求选定工作模式并确定操作类别，此时便可以开始扫描、采集条码数据，并将数据通过ZigBee无线传输给服务器。根据不同的工作模式，POS端会有不同的处理方式。
3.1 无线模块的软件设计
为了实现多人同时操作POS机，本系统利用ZigBee技术将多个数据采集器组网，形成一个无线传感器采集网络，通过ZigBee无线通信方式与服务器通信，从而实现快速、方便、准确采集条码信息。本系统所采用的ZigBee网络由一个ZigBee协调器节点与多个ZigBee终端节点组成，构成点对多点的星型网络拓扑结构，以点对多点的形式对信息收发进行控制。整个数据采集系统主要由采集器终端、服务器、数据库以及管理器组成。
3.1.1 协调器软件设计
首先对协调器上电，进行初始化，然后启动ZigBee网络，当有POS机节点加入时，分别给每一个POS机节点分配地址，POS机进入待机状态。然后启动按键进行数据采集，并由POS机节点发送请求，等待协调器接收采集到的数据，如果接收到数据，则将数据上传给服务器。协调器的工作流程图如图6所示。

3.1.2 采集器节点软件设计
POS端开机后，首先进行设备初始化，寻找网络；与服务器联网成功后，即可登录到采集器工作界面；操作人员通过按键触发采集器进行条码信息采集，并根根据所选择的工作模式将采集到的信息通过ZigBee网络无线上传给服务器。采集器节点工作流程如图7所示。

由于POS机由电池供电，能量受限，除加入网络请求和发送数据外，节点大部分时间处于休眠状态。平时无线模块处于休眠状态，当有无线传送请求时，控制器用一个I/O信号将其激活，响应无线传送请求，然后又进入休眠状态。处于休眠状态时大部分电路处于关闭状态，芯片内含的许多模块也都关闭，只留下中断，从而节省了POS机的功耗。
3.2 远程PC机管理系统
PC端软件主要实现串口通信、显示采集到的条码数据和数据库的访问。打开管理系统后，显示条码编号、类型编号、姓名、类型名称、型号、材质、生产厂家等信息。采集到的条码数据能实时显示和存储在数据库中，并能够显示条码对应物品的入库时间、出库时间、点验时间、入库POS机号、出库POS机号、点验POS机号,从而可以实施对仓库的信息化管理。
系统软硬件装配完毕后，对数据采集器进行了功能测试，针对其标准、快速、批量三种不同操作模式分别测试了其入库、出库以及点验的数据录入和实时传输性能，测试结果如图8所示。数据库接收到的数据与实际条码数据完全一致，表明该采集器数据采集准确，实现了对二维条码信息的实时传输及自动管理，满足了系统设计要求。

本系统采用ZigBee技术，利用CC2430芯片完成采集器和服务器的实时无线数据通信，功能测试表明，该无线条码数据采集器实现了对物品二维条码的快速、准确采集，实时传输及自动管理，有效地提高了仓库管理的可靠性与有效性,能够满足典型仓库信息化管理的需求。使仓库管理模式实现了两个转变：(1)从传统的依靠经验管理转变为依靠精确的数字分析管理。(2)从事后管理(隔一段时间进行结算、盘点)转变为实时管理，大大提高了仓库管理的信息化水平。
参考文献
[1] 张旭.汉信码识读技术研究[D].天津：天津工业大学硕士学位论文, 2007.
[2] 丁飞，张西良，张世庆,等. ZigBee技术的硬件实现模式分析[J].单片机与嵌入式系统应用,2006(9):51-57.
[3] 杨雪峰,胡荣强.基于CC2430实现ZigBee通信[J]. PLC & FA,2007(7):85-88.
[4] TEXAS Instruments. CC2430 DataSheet. (rev. 1.03). 2005.
[5] 崔更申，黄廷辉，彭建.基于嵌入式的ZigBee无线条码扫描仪系统的设计[J].电子器件,2007，30(5):1971-1974.
[6] Fujian Newland Auto-ID Tech,EM3000 Datasheet,http:///,2007.