（信号与信息处理专业论文）基于条码识别的饮料瓶回收装置设计.pdf

图书分类号 tp273 密级 非 密 udc 681.5 硕 士 学 位 论 文 基于条码识别的饮料瓶回收装置设计 王珺楠 指导教师 姚爱琴 副教授 申请学位级别 工学硕士 专业名称 信号与信息处理 论文提交日期_年_月_日 论文答辩日期_年_月_日 学位授予日期_年_月_日 论文评阅人 田争良 张丕状 答辩委员会主席 桂志国 2013 年 5 月 25 日 原原 创创 性性 声声 明明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。承担。 论文作者签名：论文作者签名： 日期：日期： 关于学位论文使用权的说明关于学位论文使用权的说明 本本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学 位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密 后遵守此规定） 。后遵守此规定） 。 签签 名：名： 日期：日期： 导师签名：导师签名： 日期：日期： 中北大学位论文 i 基于条码识别的饮料瓶回收装置设计基于条码识别的饮料瓶回收装置设计 摘摘 要要 随着我国经济腾飞发展，城市化进程不断加快，资源的短缺和环境的污染已经成为 社会发展中的突出矛盾。为了解决此类问题，我国政府在垃圾回收和处理方面做了大量 的工作。据统计可回收物资回收率只有 40%，收效甚微。目前的再生资源回收市场在买 卖双方存在两个问题：卖方，居民资源节约和环境保护意识不高，造成了环境污染和好 多可再生物资大量的浪费，与政府所提倡的资源节约环境保护相违背；买方难成规模， 个体商贩乱收乱购、乱堆乱放，废旧物资在市内囤积产生二次污染。 垃圾回收，在环保人士看来：只有放错位置的资源，没有真正的垃圾。目前社会的 垃圾回收率低，很大程度上是因为垃圾混装，回收后不易分类，再利用难度大。基于这 样的社会现状，并在大量的回收市场状况考察和社区居民意向调研的数据的基础上开发 了一套基于条码识别的饮料瓶回收装置。此装置包含了 rfid 技术，嵌入式技术等，实 现了对饮料瓶包括塑料可乐瓶，纸制利乐包，玻璃啤酒瓶，铝制易拉罐瓶等分类回收。 硬件方面包括读卡器模块和回收模块，软件方面搭建 c/os-ii 嵌入式系统平台。本论文 完成了基于 rc500 芯片的读卡器的设计，并成功实现对 ic 卡的读写工作；实现了主控 制器对回收箱体门禁系统步进电机的控制； 完成了c/os-ii系统到s3c2410的移植工作， 实现了软件方面的控制；基于 arm 平台搭建了条码扫描器，实现了对饮料瓶条码的识 别和饮料瓶分类回收功能。 本装置是有偿回收，会提升人们对废品回收处理的热情。本装置将会成为未来物联 网中国智能城市，智能社区，智能校园中的一部分，具有重大的研发意义。 关键词：条码识别，饮料瓶回收，rfid，arm，c/os-ii 中北大学位论文 ii based on barcode recognition of beverage bottle recycling equipment design abstract along with our country economy development, urbanization process accelerating, the shortage of resources and environmental pollution has become a prominent problem in the development of society. in order to solve these problems, our chinese government in terms of trash recycling and processing to do a lot of work, and according to statistics, recycled materials recovery has low effect by only 40% rate. at present renewable resources recovery market has two problems between buyers and the sellers. sellers resource saving and environment protection consciousness is not high. a lot of precious reuse resources are discarded everywhere due to lazy to sell not worth to sell. this cause environmental pollution and waste of reuse resources and this runs counter to the government advocated by saving resources environmental protection. buyers are difficult to become to a big scale. individual vendors who have little norms or standards make waste materials corner and produce secondary pollution, and a series social problems. in environmentalists opinion, the trash recycling is the resource that put the wrong places and there is no real garbage. at present trash recycling rate is low because kinds of trash are mixed and hard to reuse. based on the social status, market and residents opinion investigation, we develop a recovery device that based on barcode recognition can recover drink bottle. this system includes rfid technology, embedded technology, etc and realize drink bottle including plastic bottle, paper bottle glass bottle and aluminum bottle to recover. hardware aspects include card reader module and recovery module. software set up c/os-ii embedded system platform. this thesis completes the design of card reader based on rc500 chip, and completes ic card reading and writing function. this thesis realizes main controllers control of stepping motor. this thesis finishes c/os - ii systems transplantation 中北大学位论文 iii on s3c2410, and successfully communicates with rc500 to controls card reader work for ic card to add and subtract electronic wallets. because this system pays money back to people, so people will be promoted their passion for recycling processing. this system will become a part of the future internet of things intelligent city in china, intelligent community, intelligent part of the campus, and it has great research significance. keywords: barcode recognition, drink bottle recycling, rfid, arm, c/os-ii 中北大学位论文 iv 目 录 第第 1 1 章章 绪论绪论 1.11.1 课题背景及意义课题背景及意义 . 1 1 1.1.1 1.1.1 课题背景课题背景 . 1 1 1.1.2 1.1.2 饮料瓶回收课题构成饮料瓶回收课题构成 . 2 2 1.21.2 条码识别技术发展现状条码识别技术发展现状 . 3 3 1.31.3 论文主要研究内容论文主要研究内容 . 4 4 1.41.4 本文各章内容安排本文各章内容安排 . 错误!未定义书签。 第第 2 2 章章 装置关键技术研究装置关键技术研究 2.12.1 rfidrfid 的构成及工作原理的构成及工作原理 . 6 6 2.22.2 rfidrfid 系统的分类系统的分类. 6 6 2.2.1 2.2.1 开放式开放式 rfidrfid 系统系统 . 7 7 2.2.22.2.2 非开放式非开放式 rfidrfid 系统系统 . 7 7 2.32.3 rfidrfid 技术与现代技术技术与现代技术 . 8 8 2.3.1 rfid2.3.1 rfid 技术与传感器技术技术与传感器技术 . 8 8 2.3.2 rfid2.3.2 rfid 技术与技术与 nfcnfc 技术技术 . 9 9 2.3.3 rfid2.3.3 rfid 技术与技术与 3g3g 技术技术 . 9 9 2.42.4 rfidrfid 标签标签 . 1010 2.4.1 2.4.1 标签结构标签结构 . 1010 2.4.2 2.4.2 电子标签分类电子标签分类 . 1111 2.52.5 rfidrfid 读写器读写器 . 1414 2.5.1 2.5.1 读写器工作原理读写器工作原理 . 1414 2.5.2 2.5.2 读写器功能读写器功能 . 1515 2.5.3 2.5.3 读写器分类读写器分类 . 1515 2.5.4 2.5.4 读写器硬件与软件构成模块读写器硬件与软件构成模块 . 1616 2.62.6 嵌入式系统嵌入式系统 . 1616 2.6.1 2.6.1 嵌入式系统定义嵌入式系统定义 . 1616 2.6.2 2.6.2 嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成 . 1717 2 2.6.3 .6.3 嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用 . 1818 2.72.7 嵌入式技术的发展趋势嵌入式技术的发展趋势 . 1818 2.82.8 嵌入式系统开发过程嵌入式系统开发过程 . 1919 2.92.9 armarm 体系结构体系结构 . 2020 2.9.1 arm2.9.1 arm 体系结构的特点体系结构的特点 . 2020 2.9.2 arm2.9.2 arm 寻址方式和指令集寻址方式和指令集 . 2020 2.102.10 arm920tarm920t 核核 . 2121 2.112.11 u uc/osc/os- -iiii 操作系统操作系统 . 2222 中北大学位论文 v 第第 3 3 章章 装置总体设计装置总体设计 . 2424 3.13.1 装置需求分析装置需求分析 . 2424 3.23.2 装置设计装置设计 . 2424 3.33.3 装置工作流程装置工作流程 . 2525 第第 4 4 章章 读写器模块设计读写器模块设计 . 2828 4.14.1 读写器功能模块结构读写器功能模块结构 . 2828 4.24.2 rfidrfid 读写模块设计读写模块设计 . 2828 4.2.1 4.2.1 射频卡读写芯片的选择射频卡读写芯片的选择 . 2828 4.2.2 rc5004.2.2 rc500 使用概况使用概况 . 3131 4.2.3 mf rc5004.2.3 mf rc500 匹配电路和天线设计匹配电路和天线设计 . 3232 4.34.3 嵌入式模块设计嵌入式模块设计 . 3434 4.3.1 4.3.1 工作原理工作原理 . 3434 4.3.2 arm4.3.2 arm 芯片选择芯片选择 . 3535 4.3.3 s3c24104.3.3 s3c2410 最小系统设计最小系统设计 . 3737 第第 5 5 章章 饮料瓶回收模块设计饮料瓶回收模块设计 . 4040 5.15.1 条形码技术条形码技术 . 4040 5.1.1 ean5.1.1 ean- -1313 条形码条形码 . 4040 5.1.2 5.1.2 二维条形码二维条形码 . 4141 5.25.2 条形码识别原理条形码识别原理 . 4242 5.35.3 条形条形码扫描器码扫描器 . 4343 5.3.1 5.3.1 条形码扫描器应用条形码扫描器应用 . 4343 5.3.2 5.3.2 条形码扫描器分类条形码扫描器分类 . 4343 5.3.3 5.3.3 条形码扫描器选择条形码扫描器选择 . 4444 5.45.4 电机控制电机控制 . 4545 5.4.1 5.4.1 步进电机步进电机 . 4545 5.4.2 5.4.2 步进电机驱动器步进电机驱动器 . 4747 5.4.3 5.4.3 步进电机控制箱门步进电机控制箱门 . 4848 5.4.4 5.4.4 电机的旋转方向控制电机的旋转方向控制 . 4949 第第 6 6 章章 u uc/osc/os- -iiii 系统移植和调试系统移植和调试 . 5151 6.16.1 系统软件结构系统软件结构 . 5151 6.26.2 u uc/osc/os- -iiii 系统移植条件系统移植条件 . 5151 6.36.3 移植移植u uc/osc/os- -iiii 系统到系统到 s3c2410s3c2410 . 5252 6.3.1 bootloader6.3.1 bootloader 在在 c/osc/os- -iiii 系统上的非必要性系统上的非必要性 . 5353 6.3.2 6.3.2 文件文件 os_cpu.hos_cpu.h 的编写的编写 . 5353 6.3.3 6.3.3 文件文件 os_cpu.c.cos_cpu.c.c 的编写的编写 . 5555 中北大学位论文 vi 6.3.4 6.3.4 处理器相关部分汇编实现处理器相关部分汇编实现 . 5656 6.3.5 6.3.5 系统初始化系统初始化 . 5858 6.46.4 读卡器功能调试读卡器功能调试 . 5858 6.4.1 6.4.1 控制器与读卡器之间通信的调试控制器与读卡器之间通信的调试 . 5858 6.4.2 6.4.2 模块初始化操作模块初始化操作 . 5959 6.4.3 6.4.3 加载读写器模块的读写密码加载读写器模块的读写密码 . 6060 6.4.4 6.4.4 电子钱包的加减电子钱包的加减 . 6161 第第 7 7 章章 总结与展望总结与展望 . 6262 7.17.1 总结总结 . 6262 7.27.2 展望展望 . 6262 参考文献参考文献 攻读硕士学位期间发表的论文及所取得攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果的研究成果 致致 谢谢 中北大学位论文 1 第 1 章 绪论 1.1 课题背景及意义 1.1.1 课题背景 随着我国经济腾飞发展，城市化进程不断加快，资源的短缺和环境的污染已经成为 社会发展中的突出矛盾1。资源的短缺和浪费给人类赖以生存的环境造成污染，所以合 理利用废旧物资再生资源， 被日益提到经济发展的工作日程上来2。 被视为 “城市矿产” 的再生资源产业已成为全球发展最快的、蕴藏能量最大的产业。再生资源回收体系建设 是关系民生和社会和谐的重要工作，它对于发展循环经济、建立资源节约型、环境友好 型社会具有重大意义。 近几年来，我国各级政府在垃圾减量和分类回收方面做了大量细致的工作，但都由 于方法不得当而收效甚微，据统计可回收物资回收率只有 40%。 目前的再生资源回收市场在买卖双方存在两个问题：卖方，居民资源节约和环境保 护意识不高，好多宝贵的可再次利用的资源由于懒得销售或不值得销售而随处乱丢，造 成了环境污染和好多可再生物资大量的浪费。与政府所提倡的资源节约环境保护相违 背；买方，难成规模，个体商贩和散兵游勇、乱收乱购、收赃销赃、乱搭乱建、乱堆乱 放，废旧物资在市内囤积产生二次污染、脏乱扰民、影响治安等问题相对突出。 本文在大量的回收市场状况考察和社区居民意向调研的数据的基础上， 开发了一套 基于条码识别的饮料瓶回收装置。 本系统将会成为未来物联网中国智能城市， 智能社区， 智能校园中的一部分，具有重大的研发意义。 利用此装置回收的塑料瓶相对混收垃圾干净，并且分类清晰，无需二次分类。本装 置回收的饮料瓶再利用价值如下： （1）塑料可乐瓶，回收废塑料，开发第二油田： 当今市面上饮料瓶大部分是塑料包装，所以就更需要集中处理这些空塑料瓶。科学 研究表明，非可降解塑料在自然界中自然降解需要数十年甚至上百年，而 1 吨废塑料能 提炼 600 千克以上燃油，所以废旧塑料被形象的成为第二油田。 中北大学位论文 2 （2）纸制利乐包，回收废纸，再造林木资源： 利乐包纸制包装的饮品也逐年增加，如王老吉，统一，伊利等都出了相应的利乐包 饮品。回收 1 吨废纸能生产好纸 800 千克，可以少砍 17 棵大树，节省 3 立方米的垃圾 填埋场空间，还可以节约一半以上的造纸能源，减少 35%的水污染3。 （3）易拉罐回收： 铝制易拉罐可再制铝，比使用铝土提取铝可减少 71%的能量和 95%的空气污染。 （4）玻璃瓶回收： 废旧玻璃回收可以粉碎再生产新玻璃。这样不仅可以节省石英砂、纯碱、长石粉、 煤炭，还可以节省成本，节省 32%左右能量并且减少 20%左右的空气污染和 50%左右 的水污染3。 1.1.2 饮料瓶回收课题构成 饮料瓶回收课题框架图可分为三个部分，即总构成图部分，信息流构成图部分和物 流构成图部分，具体如下： （1）总构成图如图 1.1： 图 1.1 总构成图 （2）信息流构成图如图 1.2： 信息控制中心 回收站 回收站 回收站 回收站 回收箱 回收箱 回收箱 回收箱 中北大学位论文 3 图 1.2 信息流构成图 （3）物流构成图如图 1.3： 图 1.3 物流构成图 1.2 条码识别技术发展现状 条码识别技术开发于上世纪 40 年代，由美国的两位工程师乔 伍德兰德（joe woodland）和贝尼 西尔佛（beny silver）4发明了识别装置，并申请了美国的专利。 到了 20 世纪 70 年代， 世界上流通最广泛的两种编码制式 ean （european article number bar code）和 upc（universal product code）诞生，从此条码识别技术成为了人们生活， 工作中离不开的技术。条码识别技术经历几十年的发展到今天，条码识别技术有效结合 计算机技术，传感器技术，光学技术等，成为一种高效，稳定，简单的实用性技术。条 码识别技术广泛应用于各个行业，如物流，超市，图书馆，电子商务等。条码识别技术 的普及，成功为数据采集系统节省人力，物力，条码识别技术也有效的使各行各业的信 息系统联系到一起，有效的提高了供应管理的效率。 国际上，自条码识别技术自 20 世纪 70 年代发明到今天，条码识别技术得到长足发 回收箱 回收站 运输车 运输车 集中处理 信息控制中心 控制 控制 回收箱 回收站 无线网 互联网 信息控制中心 塑料瓶 利乐包 射频识别 中北大学位论文 4 展。一维码，二维码和一维二维混合码，每一个条码技术的发明，都代表着人类文明的 进步。美国利用条码识别技术在二战期间为后勤系统物品的商流，物流和信息流提供了 强有力的保障，美军的后勤粮草有了保障，前线的将士便可奋勇作战。美国沃尔玛，法 国家乐福等世界知名连锁超市也率先使用条码识别技术， 保障了供货和出货准确性和高 效性。 在国内，条码识别技术发展较国际上晚一些，1988 年我国成立中国物品编码中心， 1991 年我国正式加入国际物品编码协会（ean）5。经过八五、九五、十五等期间，我 国对条码技术有了长足的发展。如今，中国条码技术发展迅速，中国商品条码系统已有 十数万家的成员；食品，服装，生活用品上千万种商品已经贴上了条形码；使用条码识 别技术的大中小型超市数以万计。条码识别技术更是涉及到零售业、制造业、物流、贸 易、军工、医疗药品、政府机关、学校、邮政、税务、海关、金融等诸多领域。条码识 别技术的应用，使我国的信息化产业得到大力发展。 就目前条码识别技术发展来看已经十分成熟， 但是应用上往往选择应用到新产品或 者物流等领域。当今废旧物品中有相当一部分是带有条形码的，如本系统所回收的饮料 瓶。社会对此类废旧产品需加以合理利用，像对新产品一样，建立合理有效的废旧条码 产品回收机制，合理利用，变废为宝。 1.3 论文主要研究内容 本论文的内容安排如下： （1）本论文对近年来飞速发展的条码识别技术进行了分析，阐述了当今国内外条 码识别技术的发展状态，以及有偿饮料瓶回收装置中条码识别技术的重要性； （2）近些年来，废品回收分配不够合理，以致垃圾污染日渐严重，严重影响到人 们的健康生活。本论文基于这个出发点，对可回收饮料瓶如塑料瓶、利乐包、易拉罐、 玻璃瓶等做统筹安排，在中国物品编码中心（ 信息包括名称、型号、规格、生产厂商、所属国家和地区等6； （3）本论文阐述了 rfid 技术的原理和应用，并根据 rfid 无线射频识别原理，设 计了 rfid 读卡器模块，提供对持卡人的 id 识别以及对回收物品的条形码识别； 中北大学位论文 5 （4）本论文对使用的条码扫描器，步进电机做了研究和分析，并成功运用到实验 设备中； （5）本论文使用 arm9 作为处理平台，s3c2410 作为处理芯片，将 rfid 读写模 块和垃圾回收模块两大硬件系统组合到一起，并采用 c/os-ii 系统平台调控； （6）本论文完成了 c/os-ii 系统对 s3c2410 处理器的移植，系统运行，相关软件 命令操控，以及对整个系统的调试。 1.4 本文各章内容安排 第一章阐述课题背景和生活垃圾对人们生活的影响和可回收饮料品统一回收处理 的必要性以及废品有偿回收给人们起到的积极推动作用； 第二章解决了本论文的关键技术； 第三章对回收装置的功能需求进行了分析，完成了装置总体设计； 第四章是对系统的读写模块设计，包括读卡器的设计，读卡芯片的选择，arm 板 的各个电路硬件设计； 第五章是对系统的饮料瓶回收模块的设计，包括对条形码技术的研究，对步进电机 的介绍、选择和使用； 第六章阐述了 c/os-ii 系统对 s3c2410 处理器的移植和整个系统的调试，完成的 实验的后续工作； 第七章总结经验与未来展望。 中北大学位论文 6 第 2 章 装置关键技术研究 2.1 rfid 的构成及工作原理 rfid（radio frequency identification）即射频识别,常称为感应式电子晶片、电子标 签、感应卡、非接触卡、电子条码等等7。rfid 射频识别是一种非接触式的自动识别 技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关信息，图中作为 rfid 的部分包括 rfid 标签、天线以及阅读器。如图 2.1 图 2.1 rfid 工作原理图 rfid 工作原理可分为被动式和主动式8： 被动标签或无源标签（passive tag）工作原理是，天线信号由读卡器发出，标签接 收，产生感应电流提供能量，实现读卡器对标签的读写功能； 主动标签或有源标签（active tag）工作原理为，天线信号由标签发出，读卡器接 收，通过译码，反馈的方式实现读卡器对标签的读写功能。 rfid 技术是一种涵盖了通信学、电磁学、微波学、集成电路及计算机系统等多学 科和领域的新兴技术。百姓大众对 rfid 技术并不陌生，日常使用的公交 ic 卡就是一 种高频可读写的 rfid 标签，它与公交车门口的读卡器就构成了最简单的 rfid 收费系 统。 2.2 rfid 系统的分类 中北大学位论文 7 2.2.1 开放式 rfid 系统 所谓开放式 rfid 系统，即 rfid 代码按照全世界统一标准实现技术