面向物流運輸遠程監(jiān)控的智能終端系統(tǒng)＊

周受欽 陳婉真 曹廣忠 呂潔印 邱 洪 張保祥

（1．中國國際海運集裝箱（集團）股份有限公司 廣東 深圳518067；2．深圳大學自動化研究所 廣東 深圳518060）

0 引 言

計算機的出現(xiàn)逐漸改變了人工現(xiàn)場監(jiān)控的工作方式，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的興起很好地解決了對空間分布距離較遠的監(jiān)控對象的監(jiān)控管理［1］。隨著經(jīng)濟區(qū)域化的發(fā)展，物流運輸日益頻繁，隨之而來的對供應(yīng)鏈中運輸?shù)陌踩O(jiān)控越發(fā)重要。

應(yīng)對現(xiàn)代物流的需求，一體封閉廂式貨車具有防雨、防塵、環(huán)保、高效等諸多優(yōu)勢，凸顯了其解決裸露運輸不可替代的專用性，在我國呈現(xiàn)大范圍增長的局面［2］。伴隨全球定位系統(tǒng)（GPS）的廣泛應(yīng)用和移動通用分組無線業(yè)務(wù)（general packet radio service，GPRS）的出現(xiàn)，以車輛定位和調(diào)度管理為主的各種監(jiān)控終端已經(jīng)出現(xiàn)，而針對廂式貨車的無線遠程監(jiān)控設(shè)備卻少之又少。本文依據(jù)廂式貨車車廂不漏水、不透光等封閉性特點［3］，提出并設(shè)計了車廂電子鎖式狀態(tài)電子鎖，對途中運輸信息進行實時監(jiān)控，將移動車輛的動態(tài)信息實時地通過無線通信鏈路上傳至監(jiān)控中心，監(jiān)控中心在具有地理信息處理和查詢功能的電子地圖上進行車輛運動軌跡的顯示，并對被監(jiān)控車輛的準確位置、速度、運動方向、行車狀態(tài)等參數(shù)進行監(jiān)控和查詢。監(jiān)控中心也可以向移動終端發(fā)送操作指令和調(diào)度信息。同時對非法開門或廂體破壞行為進行實時報警，并利用成熟的無線遠程通信技術(shù)和全球定位技術(shù)構(gòu)建1種新型遠程運輸安全監(jiān)控系統(tǒng)，以在第1時間預(yù)警破壞行為，強有力地保障貴重貨物供應(yīng)鏈中運輸過程的安全。

1 系統(tǒng)方案

1．1 物流運輸遠程監(jiān)控系統(tǒng)

物流運輸遠程監(jiān)控系統(tǒng)由3部分構(gòu)成：車載智能終端部分、無線移動通信部分和數(shù)據(jù)監(jiān)控中心部分。

車載智能終端安裝在移動車輛上，是整個監(jiān)控系統(tǒng)的核心。智能終端一要接收導航衛(wèi)星發(fā)出的GPS數(shù)據(jù)包，解析出重要的經(jīng)緯坐標數(shù)據(jù)和時間信息，獲得運輸車輛目前的位置和速度等狀態(tài)數(shù)據(jù)；二要查詢車廂電子鎖獲得的車廂狀態(tài)，判斷車廂的安全與否，并定時將有用數(shù)據(jù)包上傳到遠程數(shù)據(jù)中心，以供監(jiān)控中心及時掌握車輛及貨物的運輸狀態(tài)。無線移動通信是智能終端與監(jiān)控中心互動的數(shù)據(jù)通道，是實現(xiàn)無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，由已有的移動通信業(yè)務(wù)實現(xiàn)。監(jiān)控計算機實時讀取數(shù)據(jù)服務(wù)器數(shù)據(jù)，并動態(tài)顯示于電子地圖平臺，方便監(jiān)控人員觀察車輛位置和貨物狀態(tài)。同時，監(jiān)控人員也可通過監(jiān)控平臺向智能終端發(fā)送操作指令或調(diào)度信息等。監(jiān)控系統(tǒng)的3個部分有機統(tǒng)一，共同保障整個運輸過程的安全監(jiān)控。系統(tǒng)原理見圖1。

圖1 系統(tǒng)原理圖Fig．1 System diagram

1．2 智能終端方案

智能終端包含終端主機和電子鎖2部分，單元之間采用無線射頻方式進行通信，結(jié)構(gòu)框圖見圖2。

圖2 智能終端結(jié)構(gòu)框圖Fig．2 Block diagram of intelligent terminal

終端主機置于貨車駕駛室，由電源模塊、微處理器、GPS模塊、GPRS模塊和射頻模塊等組成，主要負責衛(wèi)星GPS數(shù)據(jù)的接收和處理，并通過GPRS模塊與監(jiān)控中心進行數(shù)據(jù)通信。終端主機采用充電電池供電和外部汽車電源供電2種方式，由電源模塊為各模塊提供所需電壓。2種供電方式通過自動切換的方式確保設(shè)備持續(xù)工作。

電子鎖主要包含電源模塊、微處理器、傳感器模塊和射頻模塊等，各模塊共同構(gòu)成無線傳感器節(jié)點［4－5］，對車廂門及各個側(cè)面進行實時檢測，并對異常情況進行報警。本文采用電子鎖射頻通信的方式，既不會因為布置導線破壞廂體原有的密封性，也避免了通信線路被人為破壞的可能。

2 智能終端硬件設(shè)計

2．1 終端主機設(shè)計

終端主機采用TI公司的MSP430F149微處理器協(xié)調(diào)單元中各模塊的工作和進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。該單片機低電壓供電，超低功耗，具有強大的數(shù)據(jù)處理能力，且運行環(huán)境溫度為－40～＋85℃，適于工業(yè)環(huán)境下運行［6－7］。

GPS模塊采用U－BLOX公司的TIM－4H定位模塊，該GPS接收器靈敏度高、功耗低，使定位范圍擴展到傳統(tǒng)GPS系統(tǒng)不能覆蓋的地方，動態(tài)定位精度可控制在10m以內(nèi)。GPRS模塊通信質(zhì)量直接影響整個監(jiān)控系統(tǒng)的性能，本文選擇Sony－Ericsson公司的GR47模塊，該模塊具有連網(wǎng)速度快，在線時間長等優(yōu)點，內(nèi)嵌TCP／IP協(xié)議使其GPRS數(shù)據(jù)傳輸非常容易［8］。射頻芯片選用nRF905，采用433MHz進行無線通信。

微處理器與各模塊之間采用串行通信，MSP430F149有2個USART通信接口，分別作為UART口和SPI口與GR47模塊和nRF905模塊通信，與GPS模塊通信采用I／O口模擬串口的方式，用軟件程序?qū)崿F(xiàn)串口功能［9－10］。終端主機模塊接口連接見圖3。

圖3 終端主機各模塊接口連接圖Fig．3 Connection diagram of master unit

2．2 電子鎖設(shè)計

電子簽封鎖的硬件設(shè)計包含機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和電子電路設(shè)計，機械結(jié)構(gòu)采用堅固的金屬合金打造，內(nèi)部各機械結(jié)構(gòu)件通過一體式模具澆注而成，各結(jié)構(gòu)之間功能配合得簡單、可靠，抗震、防水性能佳。電路設(shè)計包括電機驅(qū)動模塊、射頻通信模塊、狀態(tài)監(jiān)測模塊和電源管理模塊等，電子鎖是確保貨運安全的重要設(shè)備。

現(xiàn)有的貨車車廂安全檢測設(shè)備主要有以下幾種：第1種是保險桿，用于車廂后門，長度與車廂寬度相當，關(guān)門后從車廂側(cè)面靠近車門特定位置處插入，防止車門打開。第2種是非法開門報警器，由金屬夾板和報警器兩部分組成，夾板一經(jīng)破壞分離駕駛室報警器鳴笛提示。第3種是視頻監(jiān)視器，包括攝像頭和顯示屏兩部分。攝像頭安裝在車廂尾部外側(cè)上端，監(jiān)視車廂車門，司機通過駕駛室顯示屏隨時觀察車尾狀況。

針對上述設(shè)備的不足，本文采用傳統(tǒng)機械鎖和電子鎖相結(jié)合設(shè)計了1種新型的箱門電子鎖，其自身安全性高，不易被破壞，且定時向本地數(shù)據(jù)中心報告自身狀態(tài)。電子鎖具有機械上鎖和電子施封雙重功能，并可記錄貨物裝卸信息。

電路設(shè)計中選用Nordic Semiconductor公司的nRF9E5射頻芯片作為電子鎖的主控制器，該芯片集成了nRF905射頻收發(fā)器和兼容8051的微處理器［11］，減少了外圍器件的使用。存儲芯片選擇25AA320，存儲電子鎖處理器程序。電子鎖主控制器的應(yīng)用電路見圖4，無線收發(fā)天線采用50阻抗單端天線。由于nRF9E5的ANT1、ANT2輸出引腳為差分輸出，輸出阻抗不同于天線的輸入阻抗，為提高無線收發(fā)性能，必須在ANT引腳和天線之間設(shè)置匹配網(wǎng)絡(luò)。整個電子鎖所需的能量由電池提供，通過DC－DC轉(zhuǎn)換獲得所需電壓。

圖4 電子鎖硬件原理圖Fig．4 Schematic diagram of detecting unit

3 智能終端軟件設(shè)計

3．1 終端主機軟件

終端主機處理器對從導航衛(wèi)星接受的GPS數(shù)據(jù)和電子鎖發(fā)來的車廂信息進行有用信息的提取，并將處理后的車輛狀態(tài)信息依靠GPRS無線鏈路上傳至監(jiān)控中心。

終端主機上電后，單片機自動完成對GPS模塊和GPRS模塊的初始化，GPS模塊自動尋找衛(wèi)星并接受GPS數(shù)據(jù)，并通過串口送到MSP430F149處理器。由于GPRS模塊內(nèi)嵌TCP／IP協(xié)議，處理過的GPS數(shù)據(jù)和車廂狀態(tài)數(shù)據(jù)可以直接通過AT命令控制GPRS模塊以數(shù)據(jù)包形式發(fā)送到GPRS網(wǎng)關(guān)。車廂狀態(tài)有報警和正常兩個狀態(tài)，車載上電時初始化為正常，當電子鎖有報警數(shù)據(jù)上傳時，狀態(tài)變量置為報警。報警狀態(tài)會一直保持，直到終端主機報警復位鍵按下或接到后臺報警撤銷指令后恢復為正常。終端主機主程序流程見圖5。

3．2 電子鎖軟件與低功耗設(shè)計

電子鎖上電初始化后，nRF9E5處理器主動連續(xù)讀取鎖桿、鎖體狀態(tài)值，并判斷是否存在異常

圖5 終端主機主程序流程圖Fig．5 Program flow diagram of terminal unit

打開或破壞行為，如出現(xiàn)緊急情況，電子鎖主動向終端主機申請報警，否則表示車廂狀態(tài)正常。電子鎖的主程序流程圖見圖6。

在實際應(yīng)用中，射頻模塊（監(jiān)測節(jié)點）的功耗是影響整個系統(tǒng)工作壽命的關(guān)鍵因素。箱門安全狀態(tài)監(jiān)測節(jié)點采用電池供電。由于電池能量有限，所以必須設(shè)法降低節(jié)點的功耗，延長其可靠的工作時間。

電池的能量主要消耗在傳感器模塊、處理器模塊和無線收發(fā)模塊上，如何有效地降低這3個模塊的功耗是該系統(tǒng)低功耗設(shè)計時的重點。其中，處理器和傳感器模塊的功耗很低，監(jiān)測節(jié)點絕大部分能量消耗在無線收發(fā)模塊上，見圖7。

系統(tǒng)設(shè)計時通過以下措施來降低系統(tǒng)的功耗：

圖6 電子鎖主程序流程圖Fig．6 Program flow diagram of detecting unit

圖7 監(jiān)測節(jié)點能量消耗分布圖Fig．7 Distribution map of energy consumption of detecting unit

1）正常情況下電子鎖不主動上傳數(shù)據(jù)，只有當收到終端主機操作指令時會進行響應(yīng)，并上傳對應(yīng)數(shù)據(jù)。

2）增加休眠時間。發(fā)射模塊存在發(fā)送、接收、空閑和休眠4種模式狀態(tài)，減少不必要的重復發(fā)送，當不需進行通信時，盡快進入休眠狀態(tài)。

3）減少無線收發(fā)模塊之間的通信數(shù)據(jù)流量，減少通信模塊發(fā)送和接收的比特數(shù)。

4）nRF9E5中內(nèi)嵌的處理器盡可能采用待機或掉電模式運行，以縮短CPU的運行時間。

5）傳感器檢測電路的供電電源管理。采用可控間歇供電。

4 結(jié)束語

本文給出了針對物聯(lián)網(wǎng)供應(yīng)鏈廂式貨車運輸過程的安全監(jiān)控方案，并且該車載移動終端系統(tǒng)經(jīng)過嚴格的工程測試和現(xiàn)場安裝運行對運輸貴重貨物的車輛進行了遠程監(jiān)控，結(jié)果表明利用箱門外掛電子鎖監(jiān)測車廂狀態(tài)的方法可行，能夠?qū)崟r地檢測到車廂的安全狀態(tài)，工作穩(wěn)定、性能可靠，目前已批量生產(chǎn)。另外，本文設(shè)計的車載智能終端和車廂安全電子鎖具有不易破壞、功耗低、穩(wěn)定等特點，在廂式貨車運輸日益遞增的局面下，對實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的物聯(lián)網(wǎng)將具有重要的參考價值。

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