基于ARM的智能储物系统设计
智能储物系统由上位机、物品存取软件和以下位机为核心的自动控制执行机构组成。上位机为一台内部安装了物品存取软件的PC机，它为智能储物系统提供人机交互平台，实现智能储物系统的用户验证功能、物品存取界面显示、存储物品的管理和检索功能。以基于ARM LPC2210的下位机为核心的自动控制执行机构接收上位机发送的控制指令，通过自动控制使被选中的储物箱体到达预定的位置来实现物品的自动存取和异常情况下的快速报警功能。整个储物系统被安装在一个坚固、密封的金属箱体中。该金属箱体可以被嵌入到非承重墙体中或者作为房屋隔断使用，其大小可根据用户需要做成整面墙或为墙体的一部分。与传统保险柜相比，它非常隐蔽，而且合理、有效地利用了室内空间。储物系统存取物品的窗口可以根据用户的愿望开在箱体表面的任何位置，门内安装有电磁锁。存储物品用的箱体由多个小箱体组成，数量和内部结构根据用户需要确定，这些小箱体通过悬挂装置悬挂于机械传动机构上。
智能储物系统的操作简单、方便。首先打开PC机，启动物品存取软件，软件显示用户登录界面，用户输入用户名、密码，进行用户身份验证。验证通过后，方可进入物品存取界面；在该界面中用户选择对物品进行操作的类型，是存物品还是取物品。选择完成后，进入下一步的具体物品选择界面，用户选择需要存或取的物品。选择确定后，上位机通过PC机的串行通讯口发送控制指令至下位机的LPC2210。LPC2210接到指令，进行解读、转译，生成新的控制信号发送到步进电机。与此同时，位置传感器对储物小箱体的位置进行检测，检测到的位置反馈信号与位置给定信号进行实时比较，控制步进电机运转。步进电机运转带动机械传动机构运动, 控制被选择的储物小箱体准确地停放在取物窗口，同时，取物窗门内的电磁锁自动打开，用户进行物品存取操作。操作完成后，用户可通过计算机上显示的修改物品记录界面增、删物品记录，实现物品清单的更新，以备检索时使用。如果装置窗口门或装置外壳遭到破坏被强行打开，报警系统将自动启动，实现现场报警或远程拨号报警，远程拨号号码可由用户通过人机交互界面预先输入。
智能储物系统不但具有储物功能，而且还具有保险柜功能。与传统的储物橱柜、保险柜相比，它省去了人工爬上、爬下的存取，对物品的存取实现了自动化，省时、省力。智能储物系统还可以根据用户的不同需求进行个性化的设计。储存的物品能够通过计算机进行系统管理，它具有的检索功能可以使你在众多的储存物品中方便、快捷地找到所需要的物品。智能储物系统所具有的快速报警功能能够提供快速的现场与远程报警，这使它的安全防范性能大大提高。与传统储物装置相比，智能储物系统具有良好的应用前景。
1 智能储物系统的构成与实现
基于LPC2210的智能储物系统由上位机、执行机构(包括步进电机、步进电机驱动器和机械传动机构)、位置检测器、报警器以及以LPC2210为核心的下位机控制器组成，系统结构框图如图1所示。
1.1 主控制器（下位机）
本系统采用基于ARM7TDMI(-S)的LPC2210作为下位机主控制器。该控制器具有如下特点：
(1)集成了ARM7TDMI(-S)处理器核，具有高性能的32位RISC体系结构，片内128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟频率下运行。
(2)具有16KB片内SRAM，32位数据总线宽度，系统最大可扩展64MB存储器。
(3)芯片内部具有UART、硬件I2C、SPI、PWM、ADC和定时器外围部件，功能强大。
LPC2210丰富的片内外资源、快速的响应性和较高的性价比都很适于作为智能储物系统下位机的主控制器。图2是主控制器的硬件结构。LPC2210控制芯片接收来自上位机的控制指令和位置检测传感器反馈的被选择箱体的位置信号，通过控制算法运算，直接输出PWM控制信号，经光电隔离和步进电机驱动器的功率放大后，控制步进电机运行。当智能储物系统遭到破坏时，LPC2210接收到报警信号后对报警器发送控制指令，使报警系统迅速启动，实现现场报警或远程拨号报警。远程拨号电话号码可由用户通过上位机人机交互界面预先设置。
1.2 上位机
上位机是一台PC机，主要完成智能储物系统的人机交互以及对下位机进行指令控制。使用者可通过人机交互界面方便快捷地进行储物存取选择和物品检索。
1.3 执行机构
执行机构采用步进电机拖动机械传动机构，进而带动储物箱体运动。LPC2210芯片是整个步进电机控制的核心部分，它接收来自上位机的箱体选择指令，经过ARM控制中心的解读和转译，并与位置反馈信号进行比较、运算后，由LPC2210控制系统的PWM口送出步进电机的方向和位移控制量。控制信号经光电隔离和电机驱动部分的功率放大后，控制步进电机的运行，步进电机运转带动机械传动机构运动，以使被选择储物箱体到达预定位置。
为保护ARM控制系统,减小外界信号干扰,各传感器、执行机构与LPC2210之间均采用光电耦合器进行信号隔离。
1.4 位置检测器
以此次研制的实验型储物系统为例，该装置共有六只储物箱体，储物箱体位置信号的检测采用了3只LJ18A33-8-Z/BX型电感式接近开关。这种接近开关由LC高频振荡器和放大处理电路组成，它利用金属物体在接近传感器感应头时产生的涡流效应而达到控制开关通或断的目的。当有金属物体接近传感器的感应头时，传感器的输出信号则会由高电平转化为低电平。这种接近开关所能检测的物体必须是金属物体。
根据LJ18A33-8-Z/BX型电感式接近开关的工作原理，在六只储物箱体背面的3个竖直方向上粘贴金属片，粘贴的位置与安装传感器感应头的位置垂直对应。依据储物箱体上金属片粘贴的位置对箱体编号为：001、010、011、100、101、110。当储物箱体经过传感器的感应头时，有金属片经过的传感器输出为低电平，而没有金属片经过的传感器输出为高电平。为保护LPC2210系统,减小外界信号干扰, 传感器的输出信号经过光电耦合器进行信号隔离后由LPC2210的GPIO接口输入LPC2210控制系统。图3为位置检测电路。
1.5 报警器
报警器采用单片机芯片AT89S52作为中央处理器。AT89S52是一种低功耗、高性能的CMOS 8位微控制器，具有8KB可编程Flash存储器、256B RAM、32 位I/O口、3个16 位定时器/计数器和看门狗定时器、全双工串行口、片内晶振及时钟电路。该报警器以公用电话线作为信息传输媒体，具有现场声报警和远程自动拨号报警功能。
当自动储物系统的箱体外壳或是系统的电磁门遭到破坏，LPC2210系统在接收到报警信号后，通过GPIO接口向报警器的AT89S52芯片输出控制信号，AT89S52接到信号后控制报警器中的双音多频发送/接收电路和语音报警电路实现报警控制。此时报警器除了可以提供现场120dB的高响度警笛外，还能够快速启动报警器的自动拨号程序。报警器将自动顺序拨打用户设置的6组报警电话号码，并能依次循环拨打，直至得到回应。报警电话号码可由用户预先进行设置。报警器还可设置用户密码，并且安装看门狗电路，故死机后能自动恢复正常运行。
2 软件设计
系统软件设计程序流程如图4所示。
主程序首先对用户的身份进行验证，密码验证具有三次机会。验证通过后，用户可以通过人机交互界面选择物品的存取，确定后将箱体参数发送给LPC2210。LPC2210控制系统通过片上的PWM口输出步进电机的方向和位移控制量，控制步进电机的运行，从而拖动传动机构以使被选择储物箱体达到预定位置。存取完成后，用户可根据计算机显示的物品管理菜单对物品记录进行增删，以备检索。
本文介绍了一种基于LPC2210的新型智能储物系统的设计理念及实现的相关方法和技术。该智能储物系统具有传统存储装置无法比拟的方便快捷、安全、节省空间以及可实现智能管理的优点。而通过采用ARM芯片对智能储物系统进行控制，使储物系统具有很高的控制精度、实时性和可靠性。智能储物系统作为一种新型的办公、家用储物装置，在未来的智能楼宇系统中将具有良好的应用前景。
参考文献
[1] 周立功.ARM控制器基础与实战.北京：航空航天大学出版社，2003.
[2] 周立功.ARM嵌入式系统实验教程(一).北京：航空航天大学出版社，2004.
[3] 谭浩强.C程序设计(第二版).北京：清华大学出版社，2002.
[4] 常太华.检测技术与应用.北京：中国电力出版社，2003.
[5] 李仁定.电机的微机控制.北京：机械工业出版社，1999.
[6] 宋甲宗，石永铎.物流机械化技术.北京：机械工业出版社，1991.
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