医用智能轨道物流小车嵌入式控制系统设计

赵昆;臧铁钢;郑博文

【摘 要】This paper designs a kind of embedded controlling system based on S3C10 for medical intelligent track vehicle. It is driven by hub motor and RFID technology is adopted in its location. The controller interacts with other objects by Zigbee wireless module. It is used to divide the task structure of the controller rationally based on requirement of the system real-time and dividing principles for multitasking system. The experiment results show that this controlling system is characteristic of high reliability, good real-time control and high efficiency.%设计了一种基于S3C10处理器的医用智能轨道物流小车控制系统.该轨道小车采用轮毂电机驱动,基于RFID的路径识别技术作为定位方案,并且使用了ZigBee无线技术来与控制器和系统中的其他对象进行交互.根据控制系统实时性和多任务划分的原则,合理划分了小车控制系统的任务组成结构.经试验验证该小车控制系统实时性好,可靠性高,能够高效率完成物流任务.

【期刊名称】《机械制造与自动化》 【年(卷),期】2017(046)004 【总页数】3页(P192-194)

【关键词】医用智能轨道物流小车;RFID;ZigBee 【作 者】赵昆;臧铁钢;郑博文

【作者单位】南京航空航天大学 机械电子工程系,江苏 南京210016;南京航空航天大学 机械电子工程系,江苏 南京210016;南京航空航天大学 机械电子工程系,江苏 南京210016 【正文语种】中 文 【中图分类】TP273

医院轨道物流传输系统是指在计算机的控制下，利用行驶在专用轨道上的智能载物小车，在位于不同物流任务频繁的科室中的站点之间进行物品传输的系统[1-2]。用以缓解现代医院中人流与物资运输混杂，造成的拥堵问题。

医院轨道物流传输系统主要由控制器，局域控制器，轨道，智能载物小车，站点，转轨器和空车存储站点组成[3]。智能载物小车作为系统中物品传输的直接载体，它的设计对于整个系统至关重要。轨道小车采用24V直流滑触线供电，结构上要适合各种姿态布置的轨道，在水平和爬升直轨、弯轨，水平悬挂直轨、弯轨上都能够正常行驶。

小车的调度策略对于整个控制系统的流程有着决定性的作用，本文以图1为例，简要介绍智能小车完成一次物流任务的完整调度过程。当站点A需要有物品送至站点B时，A首先检查站点内是否有被锁定的小车。如果有，直接装载货物，如果没有，则向控制器发送请求空车指令。控制器调度模块查找距离A最近的小车TV1，TV1接受任务，控制器把由路径规划模块生成的路径信息发送给TV1，并把任务加入正在进行的任务列表。TV1启动前往A，在行驶的过程中与当地的区域控制器交换信息，确定下一个到达的转轨器是否处于相应位置，如果没有TV1在转轨器前停止，直到区域控制器通知小车转轨器已经就位。小车到达A后，装载货物。A向TV1发送前往B的命令，然后TV1再执行请求路径信息等操作最终到达B。在B卸货后，B可以锁定TV1以便下次使用，或者直接释放

空车任其前往空车存储站点。

根据调度流程，小车控制系统应当具备的功能有：电机控制功能，与控制器和小车所处区域的控制器通信功能，感知自身位置，防碰撞功能，存储自身路径信息功能等。

采用ARM1176JZF-S内核的S3C10芯片作为微处理器，该CPU成本低、功耗低、性能高。具有丰富的硬件外设：TFT 24位真彩色液晶显示控制器，系统管理器(电源管理等)，4 通道 UART，4通道定时器，通用的 I/O 端口，USB 主设备，USB OTG 操作等，便于外接各种设备。控制系统要实现的主要功能以及解决方案有：

1) 小车通信方案。该智能小车将自身位置信息实时报告给控制器，并且需要和所处区域的控制器及站点通信。采用Zigbee无线通信技术作为通信方案，可以很方便地组成网状拓扑结构。ZigBee无线通信网采用了自组织网络，动态路由，自动链路修复等技术。网络中的任意2个节点间可以进行可靠的数据传输，最多可以容纳多达65 535个节点，完全满足系统的通信需求。

2) 定位方案。该小车运行于固定的轨道上，因此对于小车定位可以轨道为参照物。将位置信息存储于RFID标签中，标签间隔一段距离贴于轨道上，通过小车上的读卡器读取数据。标签中的信息以一定的规则存储以便于控制器对信息进行解析，不仅包括位置信息，还包括此位置区域控制器的地址，前方转轨器的距离。 3) 防碰撞措施。小车前后均装有红外漫反射式避障传感器，最大有效距离为0.8 m，反应时间为3 ms。当小车检测到前方有障碍物，如有其他小车时会立刻通知电机动作紧急刹车。

该小车控制器所需外围电路有：RS-232接口设计，LCD屏接口设计，D/A转换电路设计，主要硬件电器如图2所示。

控制系统中的D/A转换电路主要是为了控制轮毂电机的转速，目前使用的轮毂电机速度可以用输入电压(1.2 V～4.2 V)来控制。控制器采用DAC0832芯片和LM324AD芯片来实现电压输入控制。DAC0832是一种8位分辨率、1 us转换时间的数/模转换集成芯片，LM324是一种带有真差动输入的四运算放大器。DAC0832需要-5 V参考输入电压，选用WRA2405CS-3W DC-DC降压隔离芯片，将24 V输入电压转换成±5 V。+5 V电压同时作为控制器，RFID读卡器和避障传感器供电电源。

由于控制器无线通信模块和射频读卡器的输入输出均采用RS-232串行通信，利用S3C10的UART1和UART2接口进行扩展，使用MAX202E芯片实现通信电平转换。避障传感器为5 V数字量输出，将输出引脚接到通用I/O口，可通过传感器上的电位器调整反应距离。

采用4.3″TFT液晶显示屏，与控制器底板采用40pin下接FPC座(0.5 mm间距)连接。

轨道小车在工作的过程中，需要同时执行多个任务。若采用裸机编写的程序，在程序规模如此庞大，功能复杂的情况下将很难保证多个任务并发执行的实时性。μC/OS-II是Jean J.Labrosse设计的完整的、可移植、可固化、可剪裁的基于抢占式优先级的实时多任务内核，代码大部分是用标准C语言写的[4]，可以很方便地移植到S3C10处理器上。可管理个的任务，用户可以使用其中的56个。任务之间可以通过消息邮箱，事件标志组，信号量，消息队列等手段实现同步和通信。系统根据特定的算法使CPU资源在各个任务之间进行调度，获得真正的CPU控制权的任务就获得运行机会。这样从宏观上看，所有的任务都是并发执行的。设计程序时根据实时性指标，数目的合理性，简化程序，以及降低资源要求等目标合理划分任务，软件整体结构如图3所示。

在系统启动后，首先系统软件要对系统进行初始化。Main函数首先调用

BSP_Init()实现控制器硬件的初始化，包括系统时钟和端口外设时钟初始化，GPIO初始化，串口初始化，LCD触摸屏配置初始化，DAC初始化。然后调用OSInit()对操作系统环境进行初始化，完成各初始变量的初始化，建立任务空闲链表OSTCBFreeList和事件空闲链表OSEventFreeList，创建一个空闲任务OS_TaskIdle以及初始化其他如果有用到的功能。

初始化完成后创建系统任务，根据本系统的功能需求，μC/OS-II任务设计为5个，按优先级由高到低的顺序依次是：

1) RFID标签信息读取任务(void tk_RfidRead(void *pdata))。该任务通过UART1串口读取位置信息，并将位置信息送到OS_Q消息队列和OS_MB消息邮箱。该任务的优先级最高，因为该任务属于关键任务，在整个控制系统中具有十分重要的作用。例如在小车接近转轨器的位置没有读取到此位置局域控制器地址，则不能及时与局域控制器进行通信感知前方路况，此时转轨器如果不在自己轨道位置，小车则有脱离轨道的危险。

2) 防碰撞检测任务(void tk_AntiCollision(void *pdata))。GPIO通过红外蔽障传感器检测前方是否有障碍物，将遇到障碍的消息送至OS_MB消息邮箱和全局变量GLOBAL_VA，通知电机控制任务将电机紧急刹车。

3) 电机控制任务(void tk_MotorControl (void *pdata))。根据OS_MB中的信息控制电机的启停、正反转和速度。该任务属于紧迫任务，其中电机停止必须在规定的时间内完成，否则可能会发生碰撞。因此必须具有严格的实时性要求。 4) 通信任务(void tk_Communication (void *pdata))。UART2通过ZigBEE无线通信模块与控制器和局域控制器交换信息，可得到将进行任务的路径信息Route_LinkedList，送至OS_MB和全局变量GLOBAL_VA。同时将路径信息和自身的身份编码打包送往控制器。

5) 状态显示任务(void tk_ConditionDisplay (void *pdata))。根据全局变量

GLOBAL_VA的值在LCD屏显示此时小车的状态。状态有空闲状态，执行任务状态，锁定状态等。状态显示任务优先级最低，该任务没有及时执行不会影响到整个系统的安全性和运转的效率。

通过与类似物流传输系统的比较，结合在医院中使用的实际情况，设计了一种新型的轨道物流小车控制器。采用了高性能的基于Arm11架构的S3C10处理器和μC/OS-II实时操作系统，并且引入了物联网中常用的RFID和ZigBee无线通信技术，为医院轨道物流传输系统未来的发展拓宽了视野。经试验平台验证，该控制系统通信可靠，运行安全，能高效地完成物流任务。