基于ZigBee和GSM的農(nóng)產(chǎn)品物流信息采集系統(tǒng)設計

顧延濤，劉成忠，徐緯芳

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學工學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學信息科學技術學院，甘肅 蘭州 730070）

在農(nóng)產(chǎn)品物流運輸過程中，及時監(jiān)測農(nóng)產(chǎn)品儲運信息十分重要。針對現(xiàn)有車載系統(tǒng)大多局限于運輸車輛的定位監(jiān)測，而很少對封閉式貨倉車的內(nèi)部儲運環(huán)境的參數(shù)實行監(jiān)測的缺點，筆者設計了一種以ARM11高性能微處理器為核心的嵌入式車載信息采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用ZigBee技術和GPS定位技術實現(xiàn)對儲運參數(shù)的采集，采用GSM網(wǎng)絡的短信業(yè)務實現(xiàn)對儲運參數(shù)的傳輸，可以有效的對運輸中的農(nóng)產(chǎn)品進行實時監(jiān)測，在出現(xiàn)問題時能夠及時采取有效措施，保證農(nóng)產(chǎn)品運輸中質(zhì)量，同時對農(nóng)產(chǎn)品的儲運調(diào)配起到指導作用。這為建立一個高效快捷實時準確的農(nóng)產(chǎn)品物流網(wǎng)絡管理系統(tǒng)提供了有效的解決方案，對于降低農(nóng)產(chǎn)品物流成本具有實際意義。

1 ZigBee技術簡介

ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術，主要工作于免授權的2.4 GHz頻段，傳輸速率為10～250 kbit/s，傳輸距離可達75 m，底層采用專為短距離通訊制定的IEEE802.15.4協(xié)議[1]。ZigBee無線通訊技術具有延時短，傳輸數(shù)據(jù)可靠，支持鑒權和安全認證等特點，使其適用于實時的工程控制應用。

2 系統(tǒng)總體設計

2.1 系統(tǒng)功能需求

農(nóng)產(chǎn)品物流所需采集的儲運信息分為兩類：一是儲運車輛的地理位置信息，如經(jīng)度、緯度等；二是儲運過程中貨倉環(huán)境參數(shù)信息，如溫度、濕度、氣體成分等。筆者將從軟硬件的綜合考慮來解決儲運信息采集準確性與數(shù)據(jù)傳輸實時性的突出問題。

2.2 系統(tǒng)體系結構

根據(jù)對儲運信息采集管理的需要，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集平臺和數(shù)據(jù)管理中心所組成，二者通過GSM網(wǎng)絡相聯(lián)系。數(shù)據(jù)采集平臺由GPS接收模塊、ZigBee收發(fā)模塊（由ZigBee協(xié)調(diào)器模塊和ZigBee終端采集模塊組成）、GSM通信模塊和ARM11處理器組成。GPS接收模塊負責接收從衛(wèi)星傳送過來的儲運車輛的經(jīng)度、緯度等地理位置信息，ZigBee收發(fā)模塊負責對儲運環(huán)境參數(shù)信息的采集，GSM通信模塊負責向數(shù)據(jù)管理中心傳輸采集到的信息。數(shù)據(jù)管理中心由GSM通信模塊和Web服務器組成。GSM通信模塊接收數(shù)據(jù)采集平臺發(fā)送過來的編碼信息，Web服務器通過串口和GSM通信模塊通信，對通信信息進行解譯，并存儲到數(shù)據(jù)庫中，Web用戶通過網(wǎng)頁形式登陸完成以數(shù)據(jù)庫操作為核心的查詢、記錄等功能。

3 系統(tǒng)硬件設計

數(shù)據(jù)采集平臺硬件系統(tǒng)主要由ARM11處理器模塊、GPS接收模塊、GSM通信模塊、ZigBee協(xié)調(diào)器模塊、ZigBee終端采集模塊等組成（圖1）。

圖1 平臺硬件結構

3.1 ARM11處理器模塊設計

數(shù)據(jù)采集平臺需要高傳輸效率的數(shù)據(jù)集成儲存、智能處理、傳輸通訊的能力，所以在平臺的硬件設計時，選擇了一款低功耗、高性價比的ARM11系列處理器，其內(nèi)核型號為ARM1176JZF-S，擁有一條具有獨立的load-store和算術流水線的8級流水線，在同樣工藝下，ARM11處理器的性能與ARM9相比大約提高了40%[2]。研究采用SAMSUNG S3C6410為微處理器，使用了4 Bit以上的硬件糾錯算法，很好的保證了運行的可靠性，使用線性電源和開關電源相組合的電源管理方式，在降低功耗的同時保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3.2 GPS接收模塊和GSM通信模塊設計

GPS接收模塊采用芬蘭FASTRAX公司的i－Trax03-02 GPS_OEM接收機。其具有較小的尺寸，休眠時功耗僅為20μW，連續(xù)導航時不超過95 mW，并且冷啟動時間為35 s，熱啟動時間為4.5 s，具有極快的信號獲取引擎，可接收NMEA0183格式的數(shù)據(jù)和二進制的iTack格式數(shù)據(jù)[3]。OEM接收機帶有串口可直接和開發(fā)板S3C6410的串口連接工作，省時方便。GSM通信模塊采用SIEMENS公司的TC35i模塊。該模塊可以實現(xiàn)語音、短消息服務等傳輸，可工作在900 MHz和1 800 MHz的雙頻段，支持 Text和 PDU格式的 SMS（Short Message Service），可通過AT命令或關斷信號實現(xiàn)重啟和故障恢復。開發(fā)板S3C6410通過串口與TC35i進行通訊，并通過兩根I/O口控制TC35i的開關機、復位[4]。

3.3 ZigBee收發(fā)模塊設計

ZigBee收發(fā)模塊采用飛比電子科技有限公司推出的一款符合IEEE802.15.4規(guī)范的CC2530MDK開發(fā)套件。CC2530MDK開發(fā)套件中的節(jié)點都是由FB2530RF射頻模塊和FB2530EB全功能擴展板組成，支持對協(xié)議棧ZStack、協(xié)議棧Freakz等的移植。開發(fā)板S3C6410通過使用用戶IO擴展串口與Zig－Bee協(xié)調(diào)器模塊相連接。

4 系統(tǒng)軟件設計

4.1 數(shù)據(jù)采集平臺軟件設計

平臺選用Wiondows Embedded CE 6.0構建實時操作系統(tǒng)。平臺的系統(tǒng)層開發(fā)使用包含Plat form Builder插件的Visual Studio 2005專業(yè)版作為開發(fā)工具，安裝硬件廠商提供的BSP（Board Support Package）源碼包，通過Plat form Builder將編譯好的滿足系統(tǒng)功能需求的WinCE.NET操作系統(tǒng)下載到設備平臺上。平臺的系統(tǒng)應用層使用Visual Studio 2005作為集成開發(fā)環(huán)境，使用Wiondows CE提供的SDK開發(fā)包開發(fā)應用程序，通過Microsoft ActiveSync4.5實現(xiàn)應用程序從PC機到設備平臺的部署。當系統(tǒng)啟動完成，運行信息采集軟件，首先對系統(tǒng)進行初始化和參數(shù)設置，完成后就開始進入數(shù)據(jù)采集狀態(tài)。Wiondows CE具有多線程和多進程機制，所以主控制進程可以分別調(diào)用ZigBee接收進程、GPS接收進程。當數(shù)據(jù)采集進程完畢后，主控進程對數(shù)據(jù)進行處理和存儲。然后調(diào)用GSM通信進程，向數(shù)據(jù)管理中心發(fā)送本次采集的信息，成功后完成本次采集任務（圖2）。

4.2 ZigBee節(jié)點的軟件設計

圖2 信息采集程序流程

在此項目中ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點分為ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點和ZigBee終端節(jié)點兩個部分。ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點主要負責配置網(wǎng)絡參數(shù)、建立網(wǎng)絡、接收采集數(shù)據(jù)等。ZigBee終端節(jié)點主要通過查找加入網(wǎng)絡，驅(qū)動傳感器進行數(shù)據(jù)采集，將采集的數(shù)據(jù)打包發(fā)送給協(xié)調(diào)器。對于協(xié)調(diào)器節(jié)點和終端節(jié)點的軟件設計，研究利用了德州儀器（TI）公司提供的符合ZigBee規(guī)范的Z-Stack協(xié)議棧，它是一個最基本的輪轉查詢式操作系統(tǒng)。筆者采用ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0下的工程演示文件，在IAR公司提供的集成開發(fā)環(huán)境IAR Embedded Workbench For C8051下通過修改和添加任務進行編譯，正確完成編譯后，使用編程器將編譯好的程序下載到對應的節(jié)點板中，并完成對節(jié)點板的設定，便可組網(wǎng)。

4.3 GPS數(shù)據(jù)接收程序設計

GPS_OEM接收機輸出的定位信息符合NMEA-0183通信標準。NMEA-0183通信標準采用ASCII碼，其串行通信默認參數(shù)為：波特率為4 800 bps，8位數(shù)據(jù)位，1位開始位，1位停止位，無奇偶校驗[5]。NMEA-0183協(xié)議定義的語句有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC、$GPVTG、$GPGLL 等。GPS模塊輸出的所有信息由$（幀命令起始位）開始，以換行結束，緊跟著$后的5個字符解釋了信息的基本類型，多個參數(shù)之間用逗號隔開。筆者采用RMC語句（具有最小數(shù)據(jù)量的定位信息），它的語句格式參見文獻[6]。當系統(tǒng)調(diào)用GPS采集程序，首先初始化串口并打開GPS，然后開始采集GPS信息。從NMEA-0183通信協(xié)議的幀格式可知，首先判斷緊跟著$后的5個字符，當接收到“$GPRMC”后，才開始接收其后數(shù)據(jù)并判斷數(shù)據(jù)是否有效，數(shù)據(jù)正確接收保存，否則重新接受數(shù)據(jù)，完成后關閉GPS模塊（圖3）。

4.4 GSM數(shù)據(jù)發(fā)送程序設計

圖3 GPS數(shù)據(jù)接收程序流程

SMS短消息服務可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集平臺與數(shù)據(jù)管理中心的數(shù)據(jù)傳輸，具有實現(xiàn)簡單、抗干擾強、成本低廉的特點。TC35i模塊提供了符合GSM07.07規(guī)范的AT命令集接口，處理器模塊通過串口使用AT指令實現(xiàn)對GSM模塊接收和發(fā)送消息的控制。其串口通信協(xié)議：波特率為9 600 bps，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無校驗位[7]。系統(tǒng)運行本程序后，首先進行初始化串口和GSM模塊，使用AT指令對GSM進行必要設置；然后將要發(fā)送的數(shù)據(jù)統(tǒng)一編碼為UCS2碼，并打包成PDU數(shù)據(jù)包的格式，使用AT命令進行信息發(fā)送；最后通過檢測串口返回信息判斷發(fā)送是否成功（圖4）。

圖4 GSM數(shù)據(jù)發(fā)送流程

4.5 數(shù)據(jù)管理中心軟件設計

數(shù)據(jù)管理中心采用B/S（Browser/Server）結構基于J2EE架構的總體開發(fā)方案，使用JSP（Java Server Pages）技術對串口進行操作，采用SQL Server 2005作為后臺數(shù)據(jù)庫[8]。基于JSP技術開發(fā)的動態(tài)網(wǎng)頁，具有平臺無關性、訪問數(shù)據(jù)庫快、安全性高等特點，更適合數(shù)據(jù)管理中心網(wǎng)站建設。

[1] 黃 磊.基于IEEE 802.15.4/ZigBee技術的智能家居方案研究[D].武漢：武漢科技大學，2009.

[2] ARM Limited.ARM1176JZF-S Technical Reference Manual（rev r0p7）[Z].ARM Corporation，2004.

[3] Fastrax.IT03-02_Datasheet[EB/OL].http：//www.fastraxgps.com/products/gpsmodules/03series/it0302/，2007-09-20.

[4] 劉秋艷.基于TC35模塊的無線LED顯示屏的設計 [D].天津：天津工業(yè)大學，2006.

[5] 韓曉新，邢紹邦，沈 琳.基于AT89C52單片機的液晶GPS定位儀設計[J].工礦自動化，2010，（2）：38-40.

[6] 王丙祥，李建海.基于89C52的GPS板電路設計與實現(xiàn)[J].西安文理學院學報（自然科學版），2007，10（3）：98-101.

[7] 趙立燕，許 亮.基于GSM短信息的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[J].電子設計工程，2009，（7）：29-31.

[8] 周 桓，王殊宇.JSP項目開發(fā)全程實錄[M].北京：清華大學出版社，2008.