基于ZigBee和GSM的農(nóng)產(chǎn)品物流信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

顧延濤，劉成忠，徐緯芳

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

在農(nóng)產(chǎn)品物流運(yùn)輸過程中，及時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)產(chǎn)品儲(chǔ)運(yùn)信息十分重要。針對(duì)現(xiàn)有車載系統(tǒng)大多局限于運(yùn)輸車輛的定位監(jiān)測(cè)，而很少對(duì)封閉式貨倉車的內(nèi)部儲(chǔ)運(yùn)環(huán)境的參數(shù)實(shí)行監(jiān)測(cè)的缺點(diǎn)，筆者設(shè)計(jì)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(shù)和GPS定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)運(yùn)參數(shù)的采集，采用GSM網(wǎng)絡(luò)的短信業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)運(yùn)參數(shù)的傳輸，可以有效的對(duì)運(yùn)輸中的農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在出現(xiàn)問題時(shí)能夠及時(shí)采取有效措施，保證農(nóng)產(chǎn)品運(yùn)輸中質(zhì)量，同時(shí)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的儲(chǔ)運(yùn)調(diào)配起到指導(dǎo)作用。這為建立一個(gè)高效快捷實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的農(nóng)產(chǎn)品物流網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)提供了有效的解決方案，對(duì)于降低農(nóng)產(chǎn)品物流成本具有實(shí)際意義。

1 ZigBee技術(shù)簡介

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)，主要工作于免授權(quán)的2.4 GHz頻段，傳輸速率為10～250 kbit/s，傳輸距離可達(dá)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(shù)具有延時(shí)短，傳輸數(shù)據(jù)可靠，支持鑒權(quán)和安全認(rèn)證等特點(diǎn)，使其適用于實(shí)時(shí)的工程控制應(yīng)用。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能需求

農(nóng)產(chǎn)品物流所需采集的儲(chǔ)運(yùn)信息分為兩類：一是儲(chǔ)運(yùn)車輛的地理位置信息，如經(jīng)度、緯度等；二是儲(chǔ)運(yùn)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(chǔ)運(yùn)信息采集準(zhǔn)確性與數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性的突出問題。

2.2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)對(duì)儲(chǔ)運(yùn)信息采集管理的需要，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集平臺(tái)和數(shù)據(jù)管理中心所組成，二者通過GSM網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)系。數(shù)據(jù)采集平臺(tái)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(fù)責(zé)接收從衛(wèi)星傳送過來的儲(chǔ)運(yùn)車輛的經(jīng)度、緯度等地理位置信息，ZigBee收發(fā)模塊負(fù)責(zé)對(duì)儲(chǔ)運(yùn)環(huán)境參數(shù)信息的采集，GSM通信模塊負(fù)責(zé)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(wù)器組成。GSM通信模塊接收數(shù)據(jù)采集平臺(tái)發(fā)送過來的編碼信息，Web服務(wù)器通過串口和GSM通信模塊通信，對(duì)通信信息進(jìn)行解譯，并存儲(chǔ)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(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集平臺(tái)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(tái)硬件結(jié)構(gòu)

3.1 ARM11處理器模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集平臺(tái)需要高傳輸效率的數(shù)據(jù)集成儲(chǔ)存、智能處理、傳輸通訊的能力，所以在平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)時(shí)，選擇了一款低功耗、高性價(jià)比的ARM11系列處理器，其內(nèi)核型號(hào)為ARM1176JZF-S，擁有一條具有獨(dú)立的load-store和算術(shù)流水線的8級(jí)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(cuò)算法，很好的保證了運(yùn)行的可靠性，使用線性電源和開關(guān)電源相組合的電源管理方式，在降低功耗的同時(shí)保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3.2 GPS接收模塊和GSM通信模塊設(shè)計(jì)

GPS接收模塊采用芬蘭FASTRAX公司的i－Trax03-02 GPS_OEM接收機(jī)。其具有較小的尺寸，休眠時(shí)功耗僅為20μW，連續(xù)導(dǎo)航時(shí)不超過95 mW，并且冷啟動(dòng)時(shí)間為35 s，熱啟動(dòng)時(shí)間為4.5 s，具有極快的信號(hào)獲取引擎，可接收NMEA0183格式的數(shù)據(jù)和二進(jìn)制的iTack格式數(shù)據(jù)[3]。OEM接收機(jī)帶有串口可直接和開發(fā)板S3C6410的串口連接工作，省時(shí)方便。GSM通信模塊采用SIEMENS公司的TC35i模塊。該模塊可以實(shí)現(xiàn)語音、短消息服務(wù)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(guān)斷信號(hào)實(shí)現(xiàn)重啟和故障恢復(fù)。開發(fā)板S3C6410通過串口與TC35i進(jìn)行通訊，并通過兩根I/O口控制TC35i的開關(guān)機(jī)、復(fù)位[4]。

3.3 ZigBee收發(fā)模塊設(shè)計(jì)

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(diǎn)都是由FB2530RF射頻模塊和FB2530EB全功能擴(kuò)展板組成，支持對(duì)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(kuò)展串口與Zig－Bee協(xié)調(diào)器模塊相連接。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 數(shù)據(jù)采集平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

平臺(tái)選用Wiondows Embedded CE 6.0構(gòu)建實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。平臺(tái)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(shè)備平臺(tái)上。平臺(tái)的系統(tǒng)應(yīng)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(yīng)用程序，通過Microsoft ActiveSync4.5實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序從PC機(jī)到設(shè)備平臺(tái)的部署。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)完成，運(yùn)行信息采集軟件，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化和參數(shù)設(shè)置，完成后就開始進(jìn)入數(shù)據(jù)采集狀態(tài)。Wiondows CE具有多線程和多進(jìn)程機(jī)制，所以主控制進(jìn)程可以分別調(diào)用ZigBee接收進(jìn)程、GPS接收進(jìn)程。當(dāng)數(shù)據(jù)采集進(jìn)程完畢后，主控進(jìn)程對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)。然后調(diào)用GSM通信進(jìn)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(wù)（圖2）。

4.2 ZigBee節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

圖2 信息采集程序流程

在此項(xiàng)目中ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和ZigBee終端節(jié)點(diǎn)兩個(gè)部分。ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、建立網(wǎng)絡(luò)、接收采集數(shù)據(jù)等。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)主要通過查找加入網(wǎng)絡(luò)，驅(qū)動(dòng)傳感器進(jìn)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(duì)于協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)，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(gè)最基本的輪轉(zhuǎn)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(wù)進(jìn)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(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)板中，并完成對(duì)節(jié)點(diǎn)板的設(shè)定，便可組網(wǎng)。

4.3 GPS數(shù)據(jù)接收程序設(shè)計(jì)

GPS_OEM接收機(jī)輸出的定位信息符合NMEA-0183通信標(biāo)準(zhǔn)。NMEA-0183通信標(biāo)準(zhǔn)采用ASCII碼，其串行通信默認(rèn)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(yàn)[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$（幀命令起始位）開始，以換行結(jié)束，緊跟著$后的5個(gè)字符解釋了信息的基本類型，多個(gè)參數(shù)之間用逗號(hào)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(xiàn)[6]。當(dāng)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$后的5個(gè)字符，當(dāng)接收到“$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(guān)閉GPS模塊（圖3）。

4.4 GSM數(shù)據(jù)發(fā)送程序設(shè)計(jì)

圖3 GPS數(shù)據(jù)接收程序流程

SMS短消息服務(wù)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)與數(shù)據(jù)管理中心的數(shù)據(jù)傳輸，具有實(shí)現(xiàn)簡單、抗干擾強(qiáng)、成本低廉的特點(diǎn)。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(shí)現(xiàn)對(duì)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(yàn)位[7]。系統(tǒng)運(yùn)行本程序后，首先進(jìn)行初始化串口和GSM模塊，使用AT指令對(duì)GSM進(jìn)行必要設(shè)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(jìn)行信息發(fā)送；最后通過檢測(cè)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(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)管理中心采用B/S（Browser/Server）結(jié)構(gòu)基于J2EE架構(gòu)的總體開發(fā)方案，使用JSP（Java Server Pages）技術(shù)對(duì)串口進(jìn)行操作，采用SQL Server 2005作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫[8]?；贘SP技術(shù)開發(fā)的動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁，具有平臺(tái)無關(guān)性、訪問數(shù)據(jù)庫快、安全性高等特點(diǎn)，更適合數(shù)據(jù)管理中心網(wǎng)站建設(shè)。

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