集裝箱雙定位技術研究

0 引言

在經濟全球化大發展的趨勢下，中國“世界工廠”地位的確立和對國際資源的依賴，都將產生巨大的運輸需求。集裝箱運輸是一種先進的運輸方式，是現代物流業的重要組成部分。隨著物流行業的發展，集裝箱定位器（系統）變得越來越重要，對于物流過程中的安全及時效性要求越來越高。因為不管是在國內還是國外，客戶都希望通過手機或者電腦能夠及時了解貨物的位置及狀態，擔心著貨物是否能夠準時到達自己手中，以防誤工時。應用衛星定位，定位精確，只要能接收到四顆衛星的定位信號，就可以進行誤差在5~10米以內的定位。但衛星定位受天氣和位置的影響較大，當天氣不佳的時候或者處于高架橋下信號會發生中斷。因此通過借鑒國內外對集裝箱定位系統的研究理論和技術，采用融合衛星定位與基站無線定位方式可以解決信號覆蓋不完全的問題，兩種定位方式技術互相補充，構建一個無盲區、不間斷、實時的定位監控系統，運用此系統對集裝箱的位置、實時運行狀況等信息進行監控，從而能及時獲取集裝箱貨物的狀況并能及時地排除不必要的物品損失和人員傷亡。

1 系統的總體設計

雙定位系統對集裝箱運輸途中的位置進行追蹤，定位裝置利用衛星定位技術，并將經度、緯度、溫度、加速度、時間、電壓信息通過通信模塊回傳至中央信息系統。終端采用無線通信方式將原始采集信息直接發送至鐵路集裝箱定位信息系統，數據傳輸滿足集裝箱定位信息系統通信協議要求。

主體硬件架構：以實時快速追蹤定位為主要目的，采集位置、時間、溫度、濕度、加速度及電壓，能夠最大程度地減少電能的消耗。主要包含模塊：主控芯片、4G/3G/2G全網通通信芯片、衛星定位芯片、藍牙芯片、振動傳感器、溫濕度傳感器、電源轉換模塊、防爆電池、復合電容、計時模塊、外置flash、庫侖計、可觸發式RFID電子標簽、GSM天線、GPS天線、蜂鳴器?？傮w框圖如圖1所示。

圖1 定位系統的總體結構

2 系統硬件設計

MSP430F248是定位系統中的中心控制模塊的核心芯片，它的Flash存儲器用于MSP430F248和SIM7600E程序的存儲，SDRAM存儲器用于運行程序和緩存臨時數據，Msp430f248外部EEPROM存儲器用于保存測量結果等重要信息。其USART串口接口用來連接無線數據傳輸模塊和GPS定位模塊，通過DMA控制器實現模塊之間的通信。其I/O端口用于連接GPS定位模塊的射頻前端并控制相應的模塊，實現相應的模塊功能。Msp430f248與JTAG仿真接口外接，用于連接計算機，實現物聯網終端代碼的刻錄和調試。射頻前端的核心芯片是Nrf52840。無線數據傳輸模塊基帶信號處理部分和GPS定位模塊的核心芯片是Sim7600e，用于實現GPS信號的接收、采集和處理，并將信號傳輸到監控中心。硬件電路結構如圖2所示。

圖2 定位系統的硬件電路總體結構

3 定位器監控中心設計

監控中心客戶端由和Web監控系統組成。網絡監控系統包括數據庫和網絡系統服務器。客戶端的功能是實現查看集裝箱最后集裝箱實時定位、位置分布、歷史軌跡回放等。監控系統設計框圖如圖3所示。使用IIS構建Web服務器，SQL服務器構建數據庫，ASP Net 4.6在Windows操作系統上構建應用服務器，使用AJAX技術實現開發，并使用嵌入在Google Maps API中的WebGIS技術為客戶提供基于空間分布的位置定位和軌跡再現等多種信息服務，提高地理信息資源的利用和共享。

圖3 監控系統設計框圖

圖5 雙定位模式流程圖

4 定位器雙定位模式的軟件程序設計

4.1 MSP430主程序設計

根據物聯網終端的功能要求，MSP430的主要程序設計主要包括串口中斷處理功能、配置串口參數、數據處理功能和模塊初始化功能。MSP430的主要設計流程如圖4所示。硬件模塊使用5V DC作為輸入電源。通電后配置MSP430資源。首先初始化硬件：初始化硬件片上資源，如時鐘、定時器、串口、I/O端口和引腳，并設置波特率和數據位等；然后依次初始化串口、GPS和GPRS模塊；接著初始化nrf52840和sim7600e芯片。程序首先會檢查芯片的存在情況。如果存在，nrf52840將通過MSP430的I/O端口進行控制，sim7600e將使用AT命令對其進行初始化，包括檢測SIM卡的狀態以及GPRS網絡是否被覆蓋，當終端的位置覆蓋GPRS網絡并且與Web系統服務器的連接成功時，GPS初始化開始，GPS通過MSP430的串口2連接，直接接收定位數據，由DMA芯片的內外設備控制。當有GPS數據時，DMA被中斷，數據將由系統讀取。讀取的數據將通過GPRS網絡實時傳輸到服務器，實現定位終端的設計。

圖4 定位系統主程序流程圖

4.2 雙定位模式的實現

定位裝置支持衛星和基站定位雙定位模式。當裝置判斷注冊的移動通信商為國內運營商時自動選擇按照基站定位模式，當裝置判斷注冊的移動通信商為國外運營商時首先選擇衛星定位，衛星定位無效的情況下再轉為基站定位。

定位裝置在衛星定位模式下，存在無法獲取GPS信號的可能，為此定位裝置設置了GPS定位時間閾值，如果定位裝置超過定位時間閾值依然無法達到搜星要求并成功定位，則將本次定位轉為基站定位，獲取基站定位信息。

定位裝置在基站定位模式下，存在無法獲取基站信息的可能性，為此定位裝置設置了注冊時間閾值，如果定位裝置超過注冊時間閾值，依然無法獲取基站信息，實現基站定位，則將本次定位轉為GPS定位，獲取定位信息。

5 結論

本文提出了一種基于衛星定位和基站雙定位模式的集裝箱定位系統，對硬件和軟件進行了詳細的設計，建立了一種實時、可靠、高效的集裝箱運輸動態監控系統，通過實時跟蹤集裝箱，實現對車輛的動態監控，保證車輛的運輸安全，提高運輸效率。