摘 要： 設計了一種基于FreeRTOS嵌入式操作系統的二維條碼無線傳輸系統，描述了系統的軟硬件實現方法和多點數據傳輸的鏈路控制機制。系統主控芯片采用通用的MCU芯片STM32，結合二維碼掃描引擎和藍牙傳輸模組實現多個掃描終端與基座間的數據傳輸。

　　關鍵詞： 嵌入式；二維碼；點對多點

0 引言

　　二維條碼具有快速、準確、成本低、信息容量大、保密防偽性強等優點。隨著物聯網技術的迅猛發展，在票務、零售、倉儲、物流等應用領域，支持多個二維碼掃描終端的多點無線傳輸系統具有非常廣闊的應用前景。本文所設計的系統，能快速識別二維條碼，并支持多個手持掃描終端（多點）實時傳輸高密度二維條碼數據，在有限的工作空間內，避免了配置多套掃描設備的重復投入，降低了管理復雜度，節約了PC端的接口資源。

1 系統總體方案設計

　　以本文設計的系統在倉儲管理中的應用為例。在物流倉儲現場進行進出庫登記、貨物清點時，往往需要多名人員同時作業。其中某一位人員用手持掃描設備掃描貨物上的二維條碼，系統提示掃描解碼完成并成功發送到PC端后再進行下一個條碼的掃描。若解碼失敗，提示重新掃描；若無線傳輸失敗，則暫存掃描數據，等待無線鏈路正常后重發。系統正常工作時，條碼數據具有突發傳輸的特性。

　　除掃描貨物條碼外，系統還能識別特定的二維設置條碼，方便人員對功能進行實時配置。系統可配置記憶功能，當暫時超出無線信號覆蓋范圍時能保證存儲容量范圍內的用戶數據不丟失。安全認證功能能對接入系統的掃描終端進行鑒權，以保證無線鏈路的數據安全。系統可自動適配PC端口，包括標準串口、鍵盤和USB接口，同時接收來自PC端的參數配置指令。

2 系統硬件設計

　　系統由無線手持掃描終端（Scanner）和基座（Cradle）兩部分子設備組成，采用模塊化思想劃分硬件功能模塊。其中掃描終端包括二維碼數據采集模塊（2D模塊）、MCU核心處理模塊（MCU模塊）和藍牙無線傳輸模塊（BT模塊）。基座則包括BT模塊、MCU模塊和PC端口適配模塊。系統整體結構如圖1所示。

　　2.1 MCU核心處理模塊

　　本系統的MCU模塊采用意法半導體公司（ST）生產的基于ARM Contex_M3內核的STM32F103微控制器。其工作頻率可達72 MHz，具有3個UART、2個SPI通信接口，以及7通道DMA控制器。掃描終端內MCU的串口1連接2D模塊PL3307，使用內置DMA控制器提高數據接收能力；串口2與BT模塊相連。基座內MCU的串口1與BT模塊相連；通過串口2與PC端口適配模塊相連，若為標準串口，其通信速率可配置，但一般不超過57 600 b/s，以匹配各類上位機通信接口的傳輸能力。掃描終端和基座均配置了SPI接口的16 Mbit Flash存儲器，以支持大數據量存儲。在掃描終端設計休眠喚醒電路，結合MCU的睡眠和待機模式減少設備電耗，提高待機時間。掃描終端設計電壓檢測電路，基座設置充電電路和充電卡槽，方便對掃描終端進行電源管理和電池充電。

　　2.2 2D模塊SE3307成像引擎

　　2D模塊是掃描設備的重要組成部分，是傳輸系統的數據入口，采用摩托羅拉集成PL3307硬件解碼芯片的SE3300成像引擎，可以識別目前幾乎所有的一維和二維條碼。其支持兩種方式修改引擎的工作參數：配置條碼掃描設置和通信接口（如RS-232）設置。通信速率默認為9 600 b/s，系統正常工作時需設置成115 200 b/s以滿足大數據量傳輸。引擎支持用戶交互模式，即解碼數據以引擎自有數據幀格式發送，在接收到反饋幀時確認數據發送成功[1]。本系統即采用了這種傳輸模式。

　　2.3 藍牙通信模塊[2]

　　藍牙通信模塊選用基于CSR芯片組的藍牙模組，內置完整的藍牙協議棧，支持工作模式（主模式或從模式）動態配置，當多個模組配置成一主多從的組合時，支持多通道藍牙通信。模組支持數據的協議傳輸，便于多點通信系統中對多路數據的識別，但藍牙模組會對用戶數據進行分包發送，需在軟件設計時解決組包問題。模組可配置是否自動連接。自動連接時，加電啟動后主從設備會自動建立連接，并且識別與記憶對方設備；人工連接時，可通過特定指令控制模組的連接過程。模組提供安全認證功能對接入的設備進行鑒權。系統運行時設置模組通信速率為115 200 b/s。

3 軟件系統設計

　　本文采用的FreeRTOS是一個輕量級的嵌入式操作系統，可基本滿足傳輸系統的多任務操作要求，并且其支持STM32系列芯片。根據系統的具體功能特點分析，對掃描終端系統設計了2個任務和1個中斷子程序，分別為2D接收任務（S_2DTask）和主任務（S_MainTask），以及“BT串口中斷子程序”；對基座端設計了3個任務，分別為BT接收任務（C_BTTask）、PC端發送任務（C_PCTask）和主任務（C_MainTask）。其中S_2DTask和C_BTTask是用戶數據的接收任務，所以具有最高優先級，其余任務具有次高優先級。FreeRTOS內核支持輪換調度算法，在沒有更高優先級任務就緒的情況下，同一優先級的任務共享CPU的使用時間，同時任務間通過消息隊列傳遞數據[3]。掃描終端和基座端的軟件系統總架構如圖2所示。

　　3.1 掃描終端

　　S_2DTask接收2D模塊數據流，解封裝后通過“2D接收消息隊列”發送消息。S_MainTask接收到消息后，通過DMA通道將數據發送到BT模塊。為了在記憶功能打開時對用戶數據進行長期存儲，或在無線鏈路不穩定、系統掉電等情況下對用戶數據或指令數據暫時存儲，S_MainTask利用Flash對數據進行存儲保護。因為BT模塊接收的無線數據（如鏈路狀態信息、藍牙反饋信息等）結構簡單，處理時間短，所以由“BT串口中斷子程序”在每10 ms一次的定時中斷中接收并處理；需要轉發的指令通過“BT發送消息隊列”通知S_MainTask執行。當S_2DTask和S_MainTask同時向2D模組發送數據時，使用FreeRTOS的互斥量對接口資源進行保護，即只有當互斥量解鎖時連接2D模塊的接口資源才可用。

　　3.2 基座端

　　數據經過藍牙無線鏈路傳輸后，C_BTTask任務解析藍牙模組協議幀獲得有效用戶數據，然后經過“數據接收消息隊列”發送消息。C_MainTask任務接收消息后依據多點無線鏈路管理機制對接入的各掃描終端進行傳輸控制。當接收到一筆完整的二維碼數據后，通過“PC發送消息隊列”發送消息，C_PCTask將數據按照PC端口標準發送到PC。同樣采用互斥量對連接BT模塊的接口進行資源保護。

4 點對多點無線鏈路傳輸控制的實現[4-5]

　　本文采用基于確認機制的可靠連接傳輸模式，其傳輸控制分為順序控制、可靠性控制和流量控制3部分，主要通過統一的多點通信數據封裝協議與應答機制來實現。相應協議幀結構如圖3所示。

　　類型（TYPE）字段指明數據幀是用戶數據還是某種指令數據，若為應答幀則用ACK和NAK代表應答成功和失敗；長度（LEN）字段表示當前數據幀長度，最大值為“數據幀最大分段長度”；狀態（STAT）字段以比特為單位指示數據包的狀態信息，包括當前數據包是否拆包傳輸、指令數據的來源設備和目的設備等；序號（NO）字段是掃描終端為每一個發送的數據幀所作的順序編號，以長度字段的有效取值范圍循環編號，基座接收到數據幀后根據序號字段識別各數據段的順序；有效數據（DATA）字段攜帶二維碼數據、指令參數或應答參數；校驗（CHECKSUM）字段為數據幀的CRC校驗碼。

　　4.1 順序控制

　　本系統數據涉及高密度二維碼，在無線通信環境中適合拆分成多個較小的數據幀傳輸，即數據分段，拆分標準稱為“數據幀最大分段長度”，每個數據段獲得相應的序號字段。在無線鏈路不穩定時，確認機制下的數據重傳或幀丟失會導致接收到順序錯亂的數據幀。

　　解決數據亂序問題有兩種方法。一是通過使用等待指令，在同一時刻僅允許一個掃描終端發送數據，其余掃描終端則等待發送時隙。但通過藍牙協議管理無線鏈路會引起應答延時（如本系統中，單個藍牙數據幀的應答延時大約60 ms~80 ms），而且多個掃描終端并發傳輸時會導致最后輪到發送數據的終端等待時間過長。另一種方式是不干預發送流程，通過開辟數據緩存區，由C_MainTask按照藍牙模組提供的通道號和數據幀的序號字段將多個掃描終端發送的分散數據包進行按序暫存，等接收完整后進行轉發。限于MCU片內存儲的容量，需結合片外Flash輔助存儲。將數據優先存入片內區域，當片內容量不夠時再存入片外區域，從而避免大量小數據包的讀寫操作消耗Flash的刷寫壽命。為便于排序操作，將有效數據的系統格式設置為“完整條碼數據長度+有效數據”的結構，同時維護兩塊存儲區域完整的索引表，在發送時仍能按照正確順序讀取數據。

　　4.2 可靠性控制

　　本文采用確認的可靠性控制機制，即數據發送端僅當收到數據幀相應的ACK應答幀（攜帶對應幀序號）時才確認數據發送成功，否則啟用超時（3 s）重傳（3次）。達到重傳次數后停止重發直至鏈路恢復正常。基座端對條碼數據的完整性和正確性進行檢測，拋棄超過存儲時限的不完整數據。

　　4.3 流量控制

　　本系統在兩種情況下會發生系統存儲溢出。一是當PC端采用鍵盤口或低速標準串口接收數據，以每個終端發送一個256 B的數據包為例，7個終端并發傳輸時有1 792 B數據需要接收，若PC端串口速率為57 600 b/s，則基座需要248 ms才能將這批數據發送完畢。另一種情況是掃描終端記憶功能打開時進行掃描，而無線鏈路在中斷一段時間后又恢復正常，此時掃描終端存儲的大量數據將一次性發送給基座，容易導致其存儲溢出。

　　本文采用源抑制技術進行流量控制。當基座端剩余存儲空間少于門限值時，根據BT模組提供的通道號確定發送數據幀的掃描終端，向其發送攜帶“等待時間”字段的WAIT應答幀，使對方在“等待時間”后再進行下一個數據幀的發送。“等待時間”是綜合考慮基座端剩余存儲空間、接入掃描終端數量和PC端接口速率確定的。

5 結論

　　本文詳細闡述了基于ARM和藍牙無線鏈路構建的二維碼點對多點傳輸系統，給出了系統軟硬件的實現方法，并詳細表述了點對多點無線鏈路的傳輸控制機制。依據本文設計的二維碼無線掃描設備能較快地將條碼信息發送到PC端，支持最多7部手持終端同時連接，且各項用戶功能均能正常實現。由于采用了高性能微處理器，基于實時性較好的操作系統及成熟的藍牙通信網絡，本系統具有較高的適用性、可靠性和性價比，而且本系統成本低廉，使用體驗良好。

參考文獻

　　[1] 摩托羅拉解決方案公司. PL3307 Decoder Integration Guide[EB/OL]. (2012-03)[2014-04-10].http://www.motorolasolutions.com/.

　　[2] 金宏健,王小寧,胡玉鑫,等. 藍牙技術在小型嵌入式系統中的應用[J]. 蘇州大學學報(工科版), 2012, 32(6):4-7.

　　（上接第50頁）

　　[3] 李志明，擅永，徐石明，等. STM32嵌入式系統開發實戰指南：FreeRTOS與LwIP聯合移植[M]. 北京: 機械工業出版社， 2013.

　　[4] 郝妍娜,洪志良. 基于MCU和nRF905的低功耗遠距離無線傳輸系統[J].電子技術應用, 2007, 33(8):44-47.

　　[5] 史志才. 計算機網絡[M]. 北京:清華大學出版社，2012.