机械毕业设计（论文）-智能立体书库自动存取书系统.doc

西南科技大学城市学院智能立体书库自存取系统摘要：随着计算机技术、网络技术和通讯技术的快速发展与普及，人们已经迈入了信息化、网络化的时代。书籍作为人类的精神食粮，在现代社会中越来越受到重视。各种各样的书籍入住图书馆，接踵而至的问题就是我们应该如何对图书进行便捷化管理，就图书仓库管理也就成为今天我们研究的一个热门话题。本文主要基于zigbee技术的智能立体书库自存取系统，通过上位机检索，无线定位，命令机械手自动存取相关书籍并通过64*32点阵LED显示屏显示。实现了图书的自动存取，提高了图书利用率，为读者提供了便利。关键词：智能，zigbee技术，无线定位，机械手；目录第1章 绪论11.1 选题背景和研究意义11.2 国内外研究现状11.3小结2第二章 总体方案设计32.1智能立体书库设计思路32.2书库检索方案32.3 指令传送方案32.4 存取书方案42.5方案设计基本框架5第三章 硬件设计63.1 系统框图63.2计算机检索系统设计63.2.1双功能读卡器射频卡读卡模式设计63.2.2 双功能读卡器 一维条形码读取模式设计73.3无线收发模块83.3.3 无线发送/接收模块93.4自动寻书机械手113.4.1执行机构113.4.2 电机驱动123.5 LED显示屏133.5.1 S3C2440A芯片介绍13第4章 系统软件设计及算法154.1系统总流程154.2 算法结构154.3无线收发软件设计164.4机械手臂的存取系统软件设计174.4、zigbee协议栈的组成19第5章 系统调试及23第6章 技术报告总结25第1章 绪论1.1 选题背景和研究意义随着社会信息化、网络化和数字化的飞速发展，科学技术在不断地更新和改革。书籍作为人类的精神食粮，在现代社会中越来越受到重视。各种各样的书籍入住图书馆，接踵而至的问题就是我们应该如何对图书进行便捷化管理，因此，图书管理也就成为我们今天研究的一个热门话题。传统的图书管理系统的缺点是手续繁琐、检索困难、不便于管理造成资源的利用率低下。传统管理和服务方式已不能适应市场的需求，建设图书管理信息系统是现代化建设的客观要求。传统图书馆的“藏书建筑”与“信息服务和社会教育机构”是相互独立的，而今天随着馆藏量的不断增加，图书资料的收录和查询的难度也相应增大，容易出现错架乱架，读者故意藏书、盘点难等一系列问题，单纯的条形码技术也已不能满足需求，如何运用先进的信息技术，提高科技图书的管理和服务水平，要想构建一个数字式的以“读者需求为中心”的图书馆，是我们面临的一个新挑战。现在我们就针对图书馆图书库存管理中出现的问题，运用手持式可移动双功能读卡器（RFED射频标识技术）、64*32点阵LED显示屏与zigbee技术相互融合组成阅读网络。从而实现对图书文献信息的录入、跟踪定位和实时显示有用信息。该系统的建立能很好的让阅览者对所寻书目一目了然。该系统是将双功能阅读器(Reader)和Zigbee短距离无线通信技术融合起来，组成阅读器的Adhoc网络，并采用了一种基于RSSI的网络跟踪算法，实现对书目的跟踪和定位。最后通过实验室模拟验证其可行性和实用性。1.2 国内外研究现状仓储标识定位技术并不是一个新兴技术，国际上对室内无线定位技术的研究与应用始于上世纪60年代的自动车辆定位(AVL)系统，该系统在公共交通管理、货运管理和出租车调度等有限范围内得到了应用。 将数据融合技术引入无线定位算法，提出了一种应用于无线定位的数据融合模型 基于隐马尔克夫模型(HMM)的模式识别技术应用于位置估计 将神经网络的自学习功能引入定位估计 提出可以将位置估算过程看作是机器自学习过程,即基于在特定区域内才采集的RSSI样本，建立该区域内的RSSI分布模型，利用概率学知识解决位置估算问题。相对国外而言，国内关于室内标识定位技术的研究起步较晚。重庆邮电大学袁正午等提出基于多元线性回归快速迭代的室内定位算法西复旦大学的倪巍等提出一种基于RSSI 测量的室内定位算法。理论上：单一的一种定位技术理论研究较多。实践上：将读卡器与ZigBee技术结合应用于同一系统的研究较少。第二章 总体方案设计2.1智能立体书库设计思路传统的图书管理系统存在手续繁琐、检索困难、不便于管理造成资源的利用率低下等缺点，所以我们就针出现的这些问题，使用PC机检索所需图书，再利用无线通信模块与电子标签实现图书定位，并通过机械手自动存取书籍。2.2书库检索方案方案一 手工检索手工检索（ManualRetrieval）简称手检，是人们在长期的文献信息检索实践中沿用的传统方法。（关键词：手工检索；计算机检索；文献信息；中图分类号：G252.7 文献标识码：A）手工检索具有能了解标引规则，按规则进行各项的著录，便于检索者根据文献标引规则查阅相关文献的功能，且手工检索灵活性高、费用低。检索者可以在检索过程中，结合检索的结果不断明确自己的信息需求和不断地修改自己的检索提问。但是手工检索的缺点有检索速度慢、受时空的限制、受馆藏资源的限制等，且由于图书期刊资料更新周期长，使读者获得信息资料的新颖性和时效性大大降低。方案二 计算机检索计算机检索的优势有速度快、途径多、更新周期短、检索范围大。且检索功能强，尽管计算机不能代替人脑，但它能够查找题名、文摘、标引词等中所包含的某一特定检索词的资料，还可以根据检索者需要，随心所欲地打印信息用户所需要的信息资料。利用计算机检索文献信息，无论是光盘数据库还是网络数据库，其检索到的文献信息都是原版全文显示，学科覆盖范围广。综上所述，本系统设计采用计算机检索方式，完成图书入库的存储信息采集。2.3 指令传送方案方案一 以太网等有线传输有线传输的信号在传输的过程中，失真小且可靠，不易受到干扰，信号的还原效果好。但是，有线通信方式的建立必须架设电缆，且有线通讯的局限性太大，通讯链路的维护需沿线路检查，出现故障时，一般很难及时找出故障点。方案二 无线传输随着无线技术的日益发展，无线传输技术应用越来越被各行各业所接受。其安装方便、灵活性强、性价比高等特性使得更多行业的监控系统采用无线传输方式，建立被监控点和监控中心之间的连接。 本系统设计是针对图书馆管理应用设计的，一般图书馆具有环境条件较好、储存室较多等特点，采用无线传输方式，可以节约成本，适应性、扩展性好。 所以，本系统设计采用方案二，利用无线传输技术，定位图书，方便查找。2.4 存取书方案方案一 人工存放传统的图书管理系统的缺点是手续繁琐、检索困难、不便于管理造成资源的利用率低下【1】。传统管理和服务方式已不能适应市场的需求，建设智能图书管理系统是现代化建设的客观要求。传统图书馆的“藏书建筑”与“信息服务和社会教育机构”是相互独立的，而今天随着馆藏量的不断增加，图书资料的收录和查询的难度也相应增大，容易出现错架乱架，读者故意藏书、盘点难等一系列问题，优点方便且具有灵活性、定位精确。方案二 机械手存放运用手持式可移动双功能读卡器（RFED射频标识技术）、64*32点阵LED显示屏与zigbee技术相互融合组成阅读网络。从而实现对图书文献信息的录入、跟踪定位和实时显示有用信息。该系统的建立能很好的让阅览者对所寻书目一目了然。该系统是将双功能阅读器(Reader)和Zigbee短距离无线通信技术融合起来，组成阅读器的Adhoc网络，并采用了一种基于RSSI的网络跟踪算法，实现对书目的跟踪和定位。最后通过实验室模拟验证其可行性和实用性。机械手存放的缺点，只能大致定位；在特殊情况下，如断电等，机械手则不能运行；机械手存放的优点，经过综合比较两种方案的优缺点，我们选择了方案二。2.5方案设计基本框架通过的各种模块的方案设计和论证，初步确定了本系统的基本功能和设计方案，利用计算机检索图书信息并存储在数据库里，当需要借阅图书时，通过无线收发模块获取图书的位置信息，再控制机械手动作，存取相关图书。基本框架如图2-1所示。图2-1 系统框架图第三章 硬件设计3.1 系统框图通过的各种模块的方案设计和论证，初步确定了本系统的基本功能和设计方案，利用计算机检索图书信息并存储在数据库里，当需要借阅图书时，通过无线收发模块获取图书的位置信息，再控制机械手动作，存取相关图书。硬件系统设计如图3-1所示。图3-1 系统框图3.2计算机检索系统设计本系统设计采用自主研发的双功能读卡器实现图书的检索功能，能准确的检索图书的相关信息。3.2.1双功能读卡器射频卡读卡模式设计本节在分析射频识别系统组成和原理的基础上，提出了基于CC2430处理器和TX522BT的射频读卡器设计；同时，在该读卡器上扩展了无线射频模块等外围设备。射频模块主要将IC卡数据无线发送至上位机或无线接收模块。1、 射频读写系统的构成和基本原理最基本的RFID系统由3部分组成：（1）电子标签（Tag，或称射频标签），由芯片及内置天线组成。芯片内保存有一定格式的电子数据，作为待识别物品的标识性信息，是射频识别系统真正的数据载体。内置天线用于和射频天线间进行通信。（2）阅读器，读写电子标签信息的设备。主要任务是控制射频模块向标签发射读取信号，并接收标签的应答；对标签的对象标识信息进行解码，将对象标识信息连带标签上其他相关信息传输到主机以供处理。（3）天线，标签与阅读器之间传输数据的发射、接收装置。射频读写系统基本原理如下：读写器向卡片发一组固定频率的电磁波，卡片内有一个LC串联谐振电路，其频率与读写器发射的频率相同。在电磁波的激励下，LC谐振电路产生共振，从而使电容内有了电荷。在这个电容的另一端接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内存储。当所积累的电荷达到2 V时，此电容可作为电源为其他电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或存取读写器的数据。2、 TX522BT与CC2430处理器接口电路TX522BT是一个简单的串行读写模块，接口为CMOS电平，用于与常用的微处理器（如单片机，ARM）的UART接口，如图3-2所示：图3-2TX522BT与CC2430处理器接口电路3.2.2 双功能读卡器 一维条形码读取模式设计1、 条码的概念 条码是由一组规则排列的条空及其对应字符组成，用以表示一定信息的标记。“条”指对光线反射率较低的部分，“空”指对光线反射率较高的部分。如图3-3所示：图3-3 2、 一维条码数据采集EM1300是一款嵌入式一维条码识读引擎，采用了CCD影像技术以及具有国际领先水平的新大陆智能图像识别系统。EM1300可以轻松读取纸张、商品等介质上的条码，识读性能强大。而且可以直接和MCU相连，无需做额外的接口设计。鉴于条码扫描器为串行数据传输，因此直接采用CC2430串行口接收数据，实现通信。电路接口如图3-4：图3-4EM1300与CC2430处理器接口电路3.3无线收发模块立体书库显示标识显示系统主要由无线收发模块、手持式可移动双功能读卡器、64*32点阵LED显示屏模块和供电模块四部分组成。 3.3.3 无线发送/接收模块 图3-5 如图 3-5 所示，本文无线模块设计主控模块选择 TI 的 CC2430，此款芯片为 TI 公司针对 2.4GHz 频带推出的第二代支持 ZigBee 和 IEEE802.15.4 协议的 SOC 芯片，内部集成了工业标准的增强型 8051MCU 内核和 2.4GHz 的高性能射频收发器。芯片内部包括 256KB 的 Flash 和 8KB 的 RAM，2 路 USART，8 位和 16 位定时器，睡眠定时器，21 个通用IO口，AES128 协处理器可以处理无线数据加密，硬件支持 CSMA-CA，支持 5种工作模式，模式切换时间短，各种模式系统功耗不同，可以较好的满足不同的功耗要求。在完全休眠情况系统功耗电流只有 600nA，完全工作电流仅有 1mA。软件部分 CC2430 支持 ZigBee、ZigBee Pro、ZigBee RF4CE 以及其他所有基于IEEE802.15.4 标准的方案，TI 推出开源 ZigBee 协议栈 Z-Stack 协议支持 CC2430 芯片，可以简化设计的难度。芯片支持最大通信链路预算达 102dBm，发送功率达+2dBm，接收灵敏度达-100dBm，可以很好的满足大部分的应用需求，可以应用于远程控制，智能楼宇，工业控制和监控以及低功耗无线传感网络等多种应用环境。表 3-1 为 CC2430 的关键管脚分配情况。表3-1管脚名管脚号描述AVDD28、27、24、29、21、31 3.3V模拟电源DVDD 39、103.3V 数字电源GND 1、2、3、4接地P0.0P0.7 1219端口 0P1.0P1.7511、 37、38端口 1P2.0P2.4 3236端口 2、32.768KHz 晶振RF_N 26RF输出端口，负极RF_P 25RF 输出端口，正极XOSC_Q1 2232MHz 晶振系统在上电初始化过程中需要进行设置，用来控制系统的运行状态，通过LED显示来观察系统是否正常运行。本文设计使用 CC2430 的 GPIO 模块来设置作为输入输出模块，分别用 2 个 IO 连接 LED 发光二极管，通过 LED 的亮灭来判断系统是否正常运行即无线发送接收模块是否正常工作，是否能够发送和接收到有效数据。电路设计如图3-6所示。图3-6 LED 状态输出模块电路如图所示。利用 CC2430 的 P1.0、P1.2、P1.3、P2.0 等管脚控制 LED 闪烁指示模块运行的不同的状态，由于 CC2430 的 IO 输出电压为 3.3V，选择的LED 正向压降为 1.6V，工作电流为 10mA，则限流电阻大小 R=(Vio Vled)/Iled=(3.3 1.6)/10=0.17K，使用 170 欧姆的电阻来限制 LED 的电流，防止电流过大使 LED 烧坏，主要用于指示系统的通信状态(P1.0-RLED):电源状态(P2.0-GLED)、数据发送和接收状态(P1.2-YLED)等。LED的运行的状态是发送和接收模块上的小灯交替闪烁。发送和接收正正常工作红灯灯闪烁；发送成功发送模块的黄灯闪烁；接收成功接收模块上的黄灯闪烁。通信模块图3-7 通信监控模块需连接外部设备，如图 3-7 所示，设计的模块预留了 RS232 标准接口和 RS485 接口。RS232 为美国电子工业协会 EIA 制定的一种串行接口标准，支持全双工通信，通信波特率可达 115200，为目前计算机以及工业通信采用的通信标准接口。通常工业设备均在使用 RS232标准，根据通信距离的远近可以自由择通信标准，本文设计的 ZigBee 无线嵌入式通信设备需要和现有设备互联通信，所以选择了这种标准。CC2430 内部集成了 UART 控制器，支持两个 UART 外设接口。RS232 电平转换使用 MAX232 芯片完成，如图所示，CC2430 的 RX(P0.2) 、RX(P0.4) 和 TX(P0.5)和 TX(P0.3)管脚分别连接到 MAX232的收发端，由于仅仅使用了一路UART 管脚，所以同一系统中只能在一种通信标准中进行通信。3.4自动寻书机械手机械手部分主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如方框图3-8所示。图3-8 机器人组成方框图3.4.1执行机构1、 手部:即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本设计中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多时常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式，在此我们采用滑槽杠杆式。图3-92、手臂:手臂是支承被抓物件、手部重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取书籍，并按预定要求将其搬运到指定的位置，在此我们在取书的过程中只需要机器人臂前进后退就可以了，我们采用横柱支持手部前后运动。3、立柱:立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，我们在取书的过程中只需要手臂有升降运动即可，通过立柱支持机器人的升降运动，即称为可移式立柱。4、 机座:机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。3.4.2 电机驱动在设计机械手臂座的时候，我们采用滑槽杠杆式，用两个电机提供动力。左边一电机通过传送机构来控制手臂的上升，通过PWM调节电机的转速，而手臂前进后退的动力，由右边一电机提供。电机3同样通过PWM调节电机的转速，通过连动机构来带动手臂的前进后退，用H桥来驱动电机转动 。图3-103.5 LED显示屏LED显示屏由于其具有耗电少、使用寿命长、成本低、亮度高、故障少、视角大、可视距离远等特点，已经成为新一代的信息传播媒体工具。LED与LCD相比较最突出的特点是，亮度高、成本低且屏幕尺寸可根据现场情况用标准LED单元板拼制。按安装位置可分为室外、半室外和室内；按颜色可分为单色、双基色和彩色；按发光二极管点距可分为50、375及30等。本部分是基于嵌入式技术的LED显示屏控制系统工作原理以及数据组织方法。即采用S3C2440来驱动LED屏显示。如若要实现LED屏的定时显示，可通过S3C2440的定时器功能实现。3.5.1 S3C2440A芯片介绍三星公司推出的这款16/32 位RISC 处理器S3C2440A，是面向高端手持设备或其它一般应用而设计的芯片。采用ARM920T 内核，其特点有低功耗, 高速的处理计算能力。整体设计融合了MMU、AMBA BUS 和Harvard（哈佛）结构。具有独立的16KB 指令Cache 和16KB 数据Cache。3.4.2 LED显示屏的驱动电路图3-11第4章 系统软件设计及算法4.1系统总流程图4-1 系统总流程图4.2 算法结构ARM9模块通过串口与PC机进行通讯，PC机将存取图书信息传给ARM9模块，ARM9模块通过LED将图书信息显示出来，再通过CC2430的无线发送模块将存取的图书信息发送给K60控制的机械手模块；机械手模块通过OV7620摄像头图像采集后传输到K60芯片，K60芯片通过对图像数据分析处理；通过二值化提取出黑线位置，分析黑线位置得出机械手模块的行走路径，在通过双功能读卡器与无线模块找到目标位置，从而将图书进行存取图4-2 4.3无线收发软件设计 无线收发通信原理及Zigbee协议站如图 4-3、4-4 所示图4-3 图4-4 1、 射频初始化函数 BOOL sppInit(UINT32 frequency, BYTE address)功能描述：初始化简单的数据包装协议Simple Packet Protocol (SPP)，从 DMA 管理器申请两个 DMA 通道，用于分别从 Rx FIFO 和 Tx FIFO 传输数据。定时器4 管理器同样被设置，这个单元用于在数据包发送后接收器在一定时间内没有返回应答时产生中断。无线部分配置为发送，工作在特定的频率，在发送时自动计算和插入和检查CRC值。2、 发送数据包函数 BYTE sppSend(SPP_TX_STRUCT* pPacketPointer) 功能描述：发送length 字节的数据（最多122），标志，目的地址，源地址在Tx DMA 通道传送有效载荷到Tx FIFO前插入，如果期望应当，设置相应的标志。3、 接收数据 void sppReceive(SPP_RX_STRUCT *pReceiveData) 功能描述： 这个函数使能接收128字节，包括头和尾。接收数据通过DMA传输到pReceiveData。DMA装备同时接收开启。接收数据将触发DMA，当所有的数据包接收并且移走，DMA产生一个中断同时运行以前定义的函数rxCallBack。4.4机械手臂的存取系统软件设计程序主要用到K60芯片中的PWM模块， I/O模块设计。PWM模块主要用来控制舵机和电机的运转；I/O模块主要是用来分配给按键触发和输入。本系统采用OV7620作为图像采集、K60微处理器处理成了整个软件的核心内容之一。机器人仍然采用的经典的PID控制算法，不断把理论和实际结果比较，再进行适当的补偿，使机器人在指定轨道上达到平稳快速移动的效果。具体过程为：使用编码器监测机器人的实际速度，再根据道路信息给定机器人运行速度，运用增量式PID算法调节驱动电机转速，实现了电机的快速响应。并不断扫描书架上的电子标签，判断是否到达地点。软件系统整体设计框图如下图4-5所示。图4-5图像采集模块硬件使用的是OV7620，该模块是数字摄像头，返回的是8位数字信号。OV7620的分辨率为240*360，但是由于K60的RAM有限,因此不可能每一行的图像都采集，必须有选择的选取图像行。图像采集后传输到K60芯片，K60芯片通过对图像数据分析处理；通过二值化提取出黑线位置，分析黑线位置得出机器人行走路径。系统框图如图4-6所示：图4-6通过K60芯片处理图像的结果生成各电机的控制参数，来控制自动寻书机器人的行走路径，在每遇到一个电子标签时使用双功能读卡器进行信息识别，如果信息匹配，标志到达目标地点如果信息不匹配继续前进，直到信息匹配。通过双功能读卡器找到具体书架，使用K60控制机器人各电机运动进行取书操作。寻迹取书过程如下：图书馆书架模型如下：图4-74.4、zigbee协议栈的组成 1.Zigbee协议栈的实现方式采用分层的思想，分为物理层(PHY)、介质访问控制层（MAC）、网络层和应用层，应用层包含应用程序支持子层、应用程序框架层和ZDO设备对象。在协议栈中，上层实现的功能对下层来说是不知道的，上层可以调用下层提供的函数来实现某些功能。Zigbee协议栈的构成如下图所示。图4-82、系统方案设计图4-9 图4-10 如上图4-10所示，前几章我们只是针对单一的点对点进行通信，然而我们在现实生活当中不仅仅局限于此，因此，我们这个zigbee协议栈为我们带来了便利，我们可以通过zigbee协议栈进行自组组网，将图书馆构建成一个无线局域网，它既能实现无线短距离传输，又能实时反应图书馆库存信息，提高了图书的利用率，降低了图书管理人员的工作强度。下面我们来简单介绍如何实现自组组网。3、协调器建立网络