基于无线网络的自动售货机远程监控系统设计

2012-01-14

武夷学院学报 2012年5期

（武夷学院电子工程系，福建武夷山 354300）

引言

自上个世纪自动售货机诞生以来，自动售货机便得到了迅速的发展，特别是在日本、欧美等发达国家，自动售货机已有相当的发展。从开始时只识别硬币，到后来可以识别纸币，到再后来可以支持IC卡，自动售货机正在一步一步完善，使得人们用起来越来越方便。但其依然存在着一些问题，随着电子商务、移动电子商务及物联网的发展，相比之下自动售货机的问题也便凸显了。首先其无法像电子商务那样实现商家和客户的互动，其次商家对自动售货机的货物无法进行实时监控，这也影响了自动售货机在我国的进一步推广。由于通信技术和电子技术的迅速发展，自动售货机走向互联网成为了可能，这将大大提高商家对他们的自动售货机的管理效率，大大加快商家掌握市场信息的速度，商家将可以更加快速的对市场做出自已的反应，同时商家也将可以同客户进行互动，不定期地进行各种自动售货机的自动促销活动。这将大大提高消费者对自动售货机的兴趣，大大提高商家对自动售货机的认可度，让商家的各种商业模式得以实现，将让科学技术与商业进行更大程度上的结合，这将大大加快自动售货机的发展。本文将对整个系统和监控系统的无线网络选择进行简要描述，并对选用的无线网络的软硬件设计进行了详细的分析，在本文的最后还将对此系统进行展望，对此系统的未来应用与设计提出了一些设想。

1 系统组成及工作流程

整个系统主要由主控制器、执行元件、收付设备、无线网络、显示和音频设备、远程监控终端等部分组成。主控制器用于控制和协调其它各部分并能通过无线网络接收远程监控终端的指令，远程监控终端则接收从主控制器经无线网络传回来的各种数据，并可以通过无线网络向主控制器发送商家的各种命令。收付设备用于进行IC卡检测、硬币及纸币检测，执行元件则负责各种执行命令的最终执行如出货、进货、收钱、找零等，显示和音频设备则负责各种界面显示及音频的输出。系统中各部分的交互如图1所示。

2 无线网络的选择

在我国，比较常用的无线网络技术主要有以下几种：WIFI、蓝牙、ZIGBEE、GSM 、CDMA、GPRS、3G 技术[1]。

Wi-Fi是一种可以将个人电脑、手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接的技术，目的是改善基于IEEE802.11标准的无线网络产品之间的互通性[2]。其通信速率非常高，无线联网的能力非常强，是现在无线网卡的首选，不过其通信距离有限，一个WIFI接收设备的覆盖范围也有限，所以如果有要想让所有用WIFI的设备联成一个网，则需要有足够高的WIFI覆盖率，或是部分WIFI设备组成一个局域网后用其它方式进行联网（如用有线的方式联入互联网）。考虑到我国WIFI的覆盖率较低，所以此种方案在我国的可行性不高。

蓝牙是一种支持设备短距离通信的无线电技术。其采用分散式网络结构以及快跳频技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工业、科学、医学）频段[3]。采用时分双工传输方案实现全双工传输。ZIGBEE是IEEE802.15.4协议的代名词，是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。它们都和WIFI一样，需要一定的覆盖率才能方便地联入互联网，但我国这两种无线电的覆盖率较低，因此这两种无线组网方式在我国可行性也不高。

GSM全名为：Global System for Mobile Communications，中文为全球移动通讯系统，俗称“全球通”，是一种起源于欧洲的移动通信技术标准，是第二代移动通信技术，其传输距离远，是各大手机品牌主要采用的一种技术[4]。GPRS则是通用分组无线服务技术（General Packet Radio Service)的简称，它是GSM 移动电话用户可用的一种移动数据业务。GPRS可说是GSM的延续。GPRS和以往连续在频道传输的方式不同，是以封包（Packet）式来传输，因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算，并非使用其整个频道。GPRS经常被描述成“2.5G”，也就是说这项技术位于第二代（2G）和第三代（3G）移动通讯技术之间[5]。它通过利用GSM网络中未使用的TDMA信道，提供中速的数据传递。GPRS突破了GSM网只能提供电路交换的思维方式，只通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换，这种改造的投入相对来说并不大，但得到的用户数据速率却相当可观，其的传输速率可提升至56甚至114Kbps，并且只要中国移动的无线网络能覆盖到的地方就可以用其联入互联网。第三代移动通信技术（3G），是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。3G服务能够同时传送声音及数据信息，速率一般在几百kbps以上。目前3G 存在四种标准：CDMA2000，WCDMA，TDSCDMA，WIMAX。其的性能比GPRS更佳，但其的成本也比GPRS增加很多。同时考虑到自动售货机对传输的实时性要求并不是很高，所以采用GPRS来组建此系统的无线网络。

3 GPRS模块的硬件电路设计

本系统中的GPRS模块选用的是明基公司的M22，此模块已将高频部分封装在了铁盒里，对其的操作只是通过其引出的通信接口，因此方便了对其的二次开发应用。M22支持半串口，也支持全串口，全串口主要用在把M22接在电脑上，用其当GPRS无线上网模块时才需要，本文中将用半串口对M22进行控制。具体电路如图2所示，从中看出M22的外围通讯电路相对简单，这是因为其封装性较好，因此也为它的稳定打下了基础。图中的按键是用来启动M22用的，这个按键接在M22模块中的PWON引脚中，在没按下按键时此引脚经外部上拉电阻上拉到高电平，当按键按下时，此引脚为低电平，M22模块便开始检测SIM卡，检测到SIM后就将进行无线连接，成功连入中国移动的无线网络后图2中的D1（LED灯）将被点亮，并且在发送数据时此灯会闪烁。SIM卡的检测电路如图2中所示。SIM卡用SIM卡座引出，SIM卡座一般有两个封装形式的，一种是6个脚的其封装如图2中（JSIM）所示，另一种是8脚的，其封装图如图3中所示。从图3中可以看出这两种卡座只是8脚的比6脚的多了一个GND和一个SIM_CD，而SIM_CD在此系统中是无需连接的，所以用这两种卡座在此系统中没有什么不一样。

值得注意的是M22模块的供电电路，M22的供电压较宽，在3.2V到4.2V之间都可以进行工作，但其较稳定的工作电压为3.6V到3.8V，同时其要求工作时的电压波动不能太大，否则其通讯质量将大受影响。然而M22工作时的电流的变化非常大，在连接上GPRS后的电流变化为100mA到1.7A，并是一直这样变化着，这就为电源的设计及PCB布线带来了难度。首先选用的稳压芯片必须能供应1.7A以上的电流，其次布线时的线宽不能太窄，不然在导线上的压降将较大，并可能会将PCB板的导线烧毁，同时应在上下层铺地上多放过孔，使上下层的导通性更佳。本文中选用的稳压芯片是LT1085CM-3.6，其可稳定输出3.6V的电压，最大输出电流为3A，其标称在输出最大电流时电压波动正负40mV，本系统中实际测得的波动电压为0到负70mV，在M22的电源要求中完全满足要求，在实际测试中也未发现此波动对系统的稳定性造成影响。在此电源电路设计中必须注意的另一个问题就是在稳压芯片的输入级和输出级都应加上电感进行电流滤波，输入级的电感是为了使稳定芯片有足够的输入电压，其要求输入电压为5V到15V，输出级的电感是为了使在输出电流在较大幅度中跳变时，输出电压能尽可能稳定，此外在电感选择时也应注意，电感能容呐的电流必须超过1.7A，否则将可能会出现饱和现象，那样电感将暂时断路。具体的电路如图4所示。

4 系统软件设计

系统的软件设计主要分为两部分，一部分是主控制器控制GPRS传输的，此部分主要是对GPRS的AT指令操作；另一个部分则是远程监控终端的，此部分主要是进行TCP/IP协议的操作，下面分别对这两部分的主要部分进行描述。

4.1 GPRS的AT指令

AT指令集是一种从终端设备或数据终端设备向终端适配器或数据电路终端适配器发送数据的命令集的总称，每个GPRS模块的厂家都有着自已的命令集。下面就本文中要应用到的一些指令作简要介绍（以下每条指令的背后都要加回车，在介绍中不再单独提回车，同时将指令用“”包括在其中）。

在GPRS连接上网络后，先要向M22模块发送“AT”，等待 1 秒钟，如果模块回复“OK”，说明通信已经成功，否则继续发送“AT”直到返回“OK”，才可以进行其它命令操作。在通信成功后应对M22模块进行一些初始化的命令，此系统中必须的初始化命令有以下两条：

（1）向 M22 模块发送“AT$NOSLEEP=1”，此命令是用来设置M22模块不进入睡眠状态的，否则，如果长时间不对模块进行操作，模块将自动进入睡眠状态，M22接收指令成功后将返回“OK”，否则说明设置不成功。

（2）向 M22 模块发送“AT$TIMEOUT=2000”，此命令是用来设置M22模块发送数据时的延时时间的，“2000”是一个参数，是指2000ms，M22模块成功接收完此命令后将返回

否则说明设置不成功。

接着便可进行GPRS的连接，在进行GPRS连接的第一步是设置运营商，具体设置的指令是“AT+CGDCONT=1，“IP”，“APN””，其中 APN 指的是具体的运营商的APN，如本系统中使用的是中国移动，其APN是“CMNET”。然后要进行用户名和密码的验证设置，具体的指令是“AT%CGPCO=1，“PAP，，”，1”，其中有两处为空的就是指定用户名和密码的，GPRS也支持空的用户名和密码。PAP为验证方式，也可以使用CHAP验证方式。设置完用户名和密码验证之后便可设定指定的远端的公网IP，传输的数据格式和端口号，具体的指令是 “AT$DESTINFO=“XX.XX.XX.XX”，（1，2），PORT”，(1,2)中若是选择1则表明使用TCP的格式传输数据，若是选择2则表明使用UDP格式传输数据，PORT为远端公网IP的端口号，一般的端口号在1000到5000之间，因为计算机的前1000个端口号已经基本被计算机应用了，如果强行使用，可能会发生冲突。此外还需注意的一点是远端公网的IP，如果是一些局域网内的上网IP，将可能无法实现连接。本系统中使用的是M22模块的TCP模式，M22的嵌入式TCP/IP是透明传输模式，所谓透明传输就是接收数据和发送数据不用进行解包和打包，而是直接发送需要发送的数据和接收需要接收的数据。完成以上操作后便可进行拨号了，拨号的具体指令是“ATD*99#”，这里需要注意的一点是，在拨号的过程中，远程监控中心的相应端口必须处于监听状态，否则无法拨通。以上每条指令成功设置后都将返回“OK”指令。以上整个流程成功发送的指令和返回如下所示：

经过上述过程，M22模块进入数据模式，如果想从数据模式切入命令模式单独给M22发送 “+++”字符串即可。要想又从命令模式回到数据模式只需发送“ATO”。如果想彻底断开数据模式则需发送“ATH”，在此种情况下如果想再回到数据模式则需重新连接。

由于是透明传输，所以在协议的处理上就不可能通过字符串标志来确认一组数据发送完毕。有两种情况会确认一组数据发送完毕并马上将数据打包发送出去。第一种情况是在一组数据发送完毕后延时一定时间，在这延时期间模块若是没有接收到其它的数据，则模块把当前接收到的数据发送出去。第二种情况是若是模块接收的数据总量超出了模块的缓存空间，则模块自动将数据打包发送出去。

在数据通讯的时候还应对模块是否在线进行判断，一般有三种判断方式：

1.如果网络断开了，模块会返回“NO CARRIER”字符串，通过这个字符串则可以判断出模块已经掉线。

2.在模块和远端控制中心建立一种定时握手机制，若是模块长时间无法和远端握手则表明模块已经掉线。

3.利用DCD脚，在正常情况下，DCD为高电平，一旦开始拨ATD*97#的时候，DCD变为低电平，然后持续一段时间后变为高电平，若是掉线，则DCD会有一个下降沿，可利用这个下降沿作为中断源判断模块掉线。

4.2 远程监控终端的TCP/IP介绍

本文基于VC++6.0的MFC进行远程监控终端的开发，在本文中可以使用UDP也可以使用TCP报文进行传输，考虑到传输的数据并不多，而对可靠性则要求较高，所以本文采用TCP报文传输。在介绍程序之前必须了解的一个名词就是套接字，套接字是通信的基石，是支持TCP/IP协议的网络通信的基本操作单元，可以将套接字看作是不同主机间的进程进行双向通信的端点。一个套接口是通信的一端，在另一端上可以找到与其对应的一个名字。每一个正在被使用的套接口都有它的类型和与其相关的进程。进行TCP/IP开发的流程如图5所示：

5 自动售货机的展望

根据自动售货机在日本、欧美等发达国家的发展及现代商务、电子信息技术的发展，可以预测自动售机将可能会出现如下趋势

（1）智能化：随着自动售货机的发展，当销售量上到一定程度，要用人力进行统计与分析将是一件非常花费人力的事情。如果将现代的智能学习算法引进此系统中，用智能学习算法进行商品的分析，总结出相应的销售策略，将可以很大程度上省去商家的人力成本，也能帮助商家快速地做出决策。比如说根据每一台自动售货机每天每种商品的出货信息自动统计出哪种商品在哪？什么时间卖得好，然后给出策略让商家做出调整，在合适的时间送出合适的数量的货到合适的地点。同时哪个地方的货不够了，马上给出反应，让商家能及时给补上。这将能大大提高商家对市场的反应速率。

（2）互联网化：随着互联网、移动互联网、物联网的发展，将来人家的各种消费方式都将很大程度上和互联网有关，这也给自动售货机提出更高的要求。自动售货机的各种信息也将在网上实现透明化，可以在网上查到售货机上的产品信息，如产品名称、生产日期、保质期等，还能在线实时地查看到各个自动售货机的销售活动情况（如打折信息等）。同时商家则可以实时地往自动售货机中传输自己更新的打折信息和广告。这一切对通信速率和通信质量提出较高要求，然而随着通信技术的发展，这将成为可能。

（3）可回收物回收：随着环保的普及，将来将越来越注意可回收物的回收（如饮料瓶的回收），可回收物的回收对识别技术有相当高的要求，然而随着图像识别技术的发展，这将会成为可能。