冷鏈運(yùn)輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的GPS與GPRS技術(shù)

邊寶祥，杜太行，賈科進(jìn)

（河北工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，天津 300401）

冷鏈物流是指肉類、鮮奶等需要冷藏的食品，在生產(chǎn)、貯藏運(yùn)輸、銷售，到消費(fèi)前的各個(gè)環(huán)節(jié)中，始終處于規(guī)定的低溫環(huán)境下，以保證食品質(zhì)量，減少食品損耗的一項(xiàng)系統(tǒng)工程。文中提出了基于GPS和GPRS技術(shù)的冷鏈物流監(jiān)控系統(tǒng)，解決了冷鏈車輛位置監(jiān)控、車內(nèi)信息查詢等問題。GPS具有實(shí)時(shí)性、全天候、連續(xù)、快速、高精度的特點(diǎn)，結(jié)合GPRS技術(shù)運(yùn)用到冷鏈監(jiān)控行業(yè)給其帶來一場(chǎng)實(shí)質(zhì)性的轉(zhuǎn)變。使用GPRS實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分組發(fā)送和接收，用戶永遠(yuǎn)在線且按流量、時(shí)間計(jì)費(fèi)、服務(wù)成本低。因此，冷鏈物流應(yīng)用 GPS，GPRS[1－4]進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控是可行的。

1 系統(tǒng)總體方案

本系統(tǒng)主要由檢測(cè)與監(jiān)控單元、中央控制與信息處理系統(tǒng)兩部分組成。 其中，檢測(cè)與監(jiān)控單元包括溫濕度采集、數(shù)據(jù)匯傳等兩種模塊。它們之間的通信采用無線射頻方式。數(shù)據(jù)匯傳模塊把溫濕度信息、冷鏈車輛所在的地理信息等通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給中央控制與信息處理系統(tǒng)。中央控制與信息處理系統(tǒng)包括“通信數(shù)據(jù)處理軟件”、“數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器”、“系統(tǒng)管理軟件”、“用戶仿真”4部分構(gòu)成。“通信數(shù)據(jù)處理軟件”負(fù)責(zé)與GPRS通信，按照通信協(xié)議的要求收發(fā)數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中；并在檢測(cè)到觸發(fā)預(yù)設(shè)值時(shí)，通過GPRS模塊短信或語音報(bào)警。“數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器”存儲(chǔ)各種模塊的歷史數(shù)據(jù)、用戶信息等內(nèi)容，并提供用戶查詢功能；“系統(tǒng)管理軟件”安裝在系統(tǒng)管理員計(jì)算機(jī)或特許用戶計(jì)算機(jī)上，系統(tǒng)管理員可以指定特約用戶的權(quán)限。系統(tǒng)管理員或特許用戶可根據(jù)不同的權(quán)限，對(duì)不同范圍的檢測(cè)與傳輸單元進(jìn)行相應(yīng)操作。“用戶仿真”可以模擬委托冷鏈企業(yè)托運(yùn)的客戶，對(duì)托運(yùn)物品進(jìn)行查詢功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 溫濕度采集模塊

溫濕度采集模塊采用3.2 V磷酸鐵鋰電池供電，無線射頻模塊、數(shù)字式溫濕度模塊均可正常工作，充電方式為USB接口。它以超低功耗單片MSP430F149為核心，在0～15℃時(shí)使用PT1000測(cè)量溫度，配合高增益運(yùn)放，測(cè)量精度為0.1℃，其他區(qū)間的溫度和濕度均使用數(shù)字式溫濕度傳感器SHT75測(cè)量。數(shù)據(jù)傳輸部分采用射頻模塊APC240，它具有低功耗、多模式工作、可修改信道等優(yōu)點(diǎn)。此外，每個(gè)溫濕度模塊出廠時(shí)均帶有唯一的設(shè)備編號(hào)，編號(hào)為24位二進(jìn)制碼，容納40多億終端采集節(jié)點(diǎn)，足夠量產(chǎn)。采集模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架圖Fig.1 System design frame diagram

圖2 采集模塊結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Acquisition module structure diagram

2.2 數(shù)據(jù)匯傳模塊最小系統(tǒng)

數(shù)據(jù)匯傳模塊實(shí)現(xiàn)接收中央控制與信息處理系統(tǒng)發(fā)來的指令、完成與采集模塊的組網(wǎng)，接收采集模塊的數(shù)據(jù)、GPS定位等功能。它以低功耗嵌入式處理器STM32F103為核心，采用2.8 V模擬與數(shù)字電壓供電。外部晶振分別采用32.768 k和8 MHz，以便在不同工作模式下進(jìn)行選擇。啟動(dòng)模式選擇為嵌入式 SRAM 啟動(dòng)，即[BOOT0：BOOT1]=[1：1]，方便下載調(diào)試。復(fù)位電路由阻容電路組成，按下SW-PB產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。匯傳模塊最小系統(tǒng)硬件電路圖如圖3所示。

2.3 GPS接口電路

圖3 匯傳模塊最小系統(tǒng)Fig.3 Collection module minimum system

該電路的作用是接收GPS傳回的數(shù)據(jù)，保存到處理器存儲(chǔ)單元，處理后等待GPRS發(fā)送。GPS部分使用臺(tái)灣產(chǎn)SiRFstarIII系列模塊ST_200，供電電壓3～6 V，最大工作電流26 mA；定位時(shí)間：熱啟動(dòng)（<1 s）、暖啟動(dòng)（<35 s）、冷啟動(dòng)（<42 s）；定位精度：-159 dBm。GPS模塊通過GPS_TXD向MCU傳回定位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式遵循NMEA 0183協(xié)議[5]，在程序中從一條有效的$GPRMC語句中得到定位的時(shí)間（UTC時(shí)間）、緯度、經(jīng)度、海拔、速度、方向等信息。圖4為調(diào)試GPS模塊時(shí)得到的定位數(shù)據(jù)及其他信息顯示。

圖4 GPS模塊傳回的數(shù)據(jù)Fig.4 GPSmodule return data

系統(tǒng)默認(rèn)GPS為關(guān)閉狀態(tài)，以降低功耗，使用前需通過指令使GPS_ON=1；串口波特率選擇9 600。圖5為GPS接口電路硬件連接圖。

圖5 GPS接口電路Fig.5 GPSinterface circuit

2.4 GPRS接口電路

該電路的作用是通過GPRS模塊[6]接收服務(wù)器的指令，并發(fā)送冷鏈車輛的位置、車內(nèi)溫濕度等信息。GPRS模塊使用SIM900A芯片，它采用功能強(qiáng)大的ARM926EJ-S芯片處理器，屬于雙頻GSM/GPRS模塊，完全采用SMT封裝形式，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口（GPIO、SPI、COM 口、I2C、音頻接口等），工作頻率為GSM/GPRS 900/1 800 MHz，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸。MCU通過串口使用AT指令完成數(shù)據(jù)的傳輸過程[7]。其硬件接口電路如圖6所示。

SIM卡（Subscriber Identity Module客戶識(shí)別模塊）使用標(biāo)準(zhǔn)卡尺寸，本系統(tǒng)使用GPRS包月流量套餐，降低成本。

圖6 GPRS硬件接口電路Fig.6 GPRShardware interface circuit

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件包括數(shù)據(jù)的采集與處理和信息服務(wù)平臺(tái)兩部分。其中，數(shù)據(jù)采集與處理部分的程序分別是在μVision4和EW430編譯環(huán)境下使用C語言編寫，它實(shí)現(xiàn)監(jiān)控信息的采集、傳輸與簡(jiǎn)單處理，信息服務(wù)平臺(tái)是在Windows 2003的Microsoft Visual Studio.NET開發(fā)環(huán)境下，采用C#編寫，它實(shí)現(xiàn)不同權(quán)限用戶對(duì)信息的查詢與參數(shù)設(shè)定等功能。

在軟件設(shè)計(jì)中，服務(wù)器首先完成自身的初始化，然后發(fā)送系統(tǒng)組網(wǎng)指令，組網(wǎng)完成后配置系統(tǒng)各硬件參數(shù)，采集冷藏車的溫濕度及位置等信息，經(jīng)處理后存儲(chǔ)。隨后根據(jù)不同權(quán)限用戶的訪問，進(jìn)入不同的服務(wù)系統(tǒng)，可完成采集數(shù)據(jù)、定位信息實(shí)時(shí)顯示，打印報(bào)表等功能。具體軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。

圖7 軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.7 Software design flow chart

4 應(yīng)用測(cè)試

該遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)用于測(cè)量冷藏車的現(xiàn)場(chǎng)信息，并對(duì)發(fā)車信息進(jìn)行管理。在進(jìn)行應(yīng)用測(cè)試時(shí)，首先安裝服務(wù)器應(yīng)用軟件，以管理員身份設(shè)置好系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)，包括不同用戶的權(quán)限，然后將所有采集模塊和匯傳模塊上電，并將其置于臨近位置的相同的環(huán)境下測(cè)試應(yīng)用軟件，最后改變采集模塊的位置和所處環(huán)境測(cè)試硬件系統(tǒng)，將得到的結(jié)果與理論值進(jìn)行比較，并將結(jié)果進(jìn)行顯示。圖8為車輛GPS定位地圖。實(shí)際應(yīng)用表明，該測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠。

5 結(jié) 論

該遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用高性能服務(wù)器配以超低功耗MCU為核心的溫濕度采集與車輛定位微型模塊作為其硬件平臺(tái)，安裝簡(jiǎn)便，可長(zhǎng)期穩(wěn)定工作；軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，提高了系統(tǒng)的可靠性和維護(hù)性。該系統(tǒng)已在某冷鏈企業(yè)進(jìn)行運(yùn)營(yíng)測(cè)試，實(shí)際應(yīng)用表明該系統(tǒng)具有采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠、人機(jī)界面友好等特點(diǎn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖8 車輛GPS定位地圖Fig.8 Vehicle GPSlocation map

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