基于RFID、GPS、GPRS的物流追蹤系統(tǒng)的研制

趙 超，陳壽元，邵增珍，林 健，李麗娟，李 琳

（山東師范大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250014）

隨著人們生活節(jié)奏的加快，促使物流行業(yè)突飛猛進(jìn)的快速的發(fā)展，物流行業(yè)的快速發(fā)展也導(dǎo)致物流過程出現(xiàn)了一系列的問題。近年來貴重物品在物流中的比例越來越多，同時(shí)貴重物流在物流過程中的丟失也越來越多，貴重物品丟失后無法查詢?cè)谀膫€(gè)環(huán)節(jié)丟失的問題引起了物流行業(yè)的高度重視。不僅貴重物品需要全程監(jiān)控，危險(xiǎn)品的運(yùn)輸也急需全程的監(jiān)控，確保在危險(xiǎn)品出現(xiàn)事故時(shí)可以第一時(shí)間解決[1]。

傳統(tǒng)的物流追蹤是通過物流人員掃描物流單上的條碼將物流的基本信息傳遞給物流管理系統(tǒng)中，這種操作方式的弊端是沒有實(shí)時(shí)性，物流人員操作有一定的滯后性，而且人為操作缺乏準(zhǔn)確性。

本文提出的貴重物品和危險(xiǎn)品的的物流追蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，引入了RFID技術(shù)，采用RFID、GPS、GPRS技術(shù)對(duì)物流環(huán)節(jié)中的物品進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)管。

利用RFID和GPS技術(shù)能夠動(dòng)態(tài)采集物流過程中物品的變化信息和地理位置信息，RFID自動(dòng)讀取物流車裝載的物品，無需人工操作，在該系統(tǒng)中加入GPRS模塊，利用當(dāng)前成熟的移動(dòng)通信技術(shù)，在沒有有線網(wǎng)絡(luò)的情況下，也能做到與管理平臺(tái)數(shù)據(jù)庫之間的通信，既能滿足監(jiān)管平臺(tái)對(duì)物品實(shí)時(shí)信息的需求，當(dāng)物品出現(xiàn)丟失時(shí)或出現(xiàn)異常替換時(shí)，實(shí)時(shí)報(bào)告給監(jiān)管平臺(tái)，對(duì)物流環(huán)節(jié)中物品進(jìn)行全程追蹤。有效解決了目前貴重物品和危險(xiǎn)品物流過程中信息不能實(shí)時(shí)采集和物品丟失、掉包的問題。

1 物流追蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

物流追蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹：基于對(duì)貴重物品物流環(huán)節(jié)的考察，提出了以STM32F103RB系列的MCU為核心的物流追蹤系統(tǒng)，利用RFID和GPS技術(shù)實(shí)時(shí)采集物流過程中的物品的具體信息如地理位置信息和物品變動(dòng)信息。利用GPRS模塊借助現(xiàn)在已經(jīng)存在的成熟的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，將RFID采集到的物品變化信息和GPS采集到的實(shí)時(shí)地理位置信息通過GPRS的傳輸方式傳輸?shù)奖O(jiān)管平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫，同時(shí)如果車輛上的物品出現(xiàn)異常的變動(dòng)、物流車所走的線路沒有按照平臺(tái)的命令行駛，車載物流追蹤設(shè)備都將向平臺(tái)實(shí)時(shí)報(bào)警。顧客可以通過網(wǎng)絡(luò)或者手機(jī)訪問監(jiān)管平臺(tái)的服務(wù)器，查詢自己的物品的準(zhǔn)確詳細(xì)物流信息。取代了現(xiàn)在物流中落后的手持掃描傳輸物流動(dòng)態(tài)信息的方式，既節(jié)省了人力、物力，又確保了物流信息的準(zhǔn)確性，更重要的作用是能夠防止貴重物品的丟失和掉包，減少危險(xiǎn)品出現(xiàn)事故的危害程度[2]。

物流追蹤系統(tǒng)的框圖如圖1所示，物流車上裝有車載終端，車載終端集成了GPS模塊、RFID讀寫器、GPRS模塊，當(dāng)帶有電子鉛封或者電子標(biāo)簽的物品裝車時(shí)，RFID讀寫器將所有裝車的物品進(jìn)行掃描，掃描完成后將物品的基本信息和GPS地理位置信息通過微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，將處理后的信息通過GPRS傳輸方式傳輸?shù)奖O(jiān)管平臺(tái)服務(wù)器，監(jiān)管平臺(tái)服務(wù)器將采集到的物流信息存入數(shù)據(jù)庫，此時(shí)客戶和物流監(jiān)管平臺(tái)可以通過訪問數(shù)據(jù)庫進(jìn)行物流信息的查詢。當(dāng)物流車在行駛過程中，RFID不斷掃描車內(nèi)的的物品，如果物品沒有異常變化定時(shí)將GPS地理位置信息上傳到服務(wù)器，如果物流車中物品需要進(jìn)行合法變動(dòng)時(shí)，服務(wù)器監(jiān)管平臺(tái)通過移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)將要變化的信息傳輸?shù)杰囕d終端，車載終端將根據(jù)命令信息允許帶有電子標(biāo)簽的物品進(jìn)行合法變動(dòng)。如果中途出現(xiàn)異常變動(dòng)，車載終端將立刻向監(jiān)管平臺(tái)服務(wù)器發(fā)送報(bào)警信息[3]。

圖1 物流追蹤系統(tǒng)的框圖Fig. 1 Logistics tracking system block diagram

2 物流追蹤系統(tǒng)的各部分功能設(shè)計(jì)開發(fā)

2.1 車輛車載終端設(shè)計(jì)分析

車載終端包含微控制器MCU、GPS模塊、GPRS模塊和RFID模塊以及供電電源部分。

2.1.1 車載終端處理器設(shè)計(jì)分析

STM32F103RBT6是物流追蹤系統(tǒng)車載終端的MPU和軟件運(yùn)行的平臺(tái)，STM32F103是32位標(biāo)準(zhǔn)RISC嵌入式微處理器，該類處理器工作頻率為72 MHz，內(nèi)置128 kB的FLASH存儲(chǔ)器和20 kB的SRAM，存儲(chǔ)器支持CF卡、SRAM、PSRAM、NOR和NAND存儲(chǔ)器，內(nèi)嵌串行單線 JTAG 調(diào)試接口，內(nèi)嵌跟蹤模塊(ETM)，可以提供芯片運(yùn)行時(shí)清晰的指令運(yùn)行與數(shù)據(jù)流動(dòng)的信息，擁有睡眠，停機(jī)，待機(jī)模式 3 種低功耗模式。該信息采集終端配置了u-Blox公司的NEO-5Q高性能GPS芯片、RFID讀寫器部分、西門子公司的GPRS模塊MC52i、液晶顯示部分和SD卡等。

物流車接到運(yùn)輸任務(wù)后就通過車載終端的人機(jī)界面和按鍵啟動(dòng)車載終端并于監(jiān)管平臺(tái)連接，進(jìn)行登記。在裝載過程中讀取所有物品標(biāo)簽并與監(jiān)管平臺(tái)進(jìn)行校對(duì)。然后在運(yùn)輸過程中與監(jiān)管平臺(tái)不斷進(jìn)行通信傳輸平臺(tái)需要的信息[4]。物流追蹤車載終端的結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2 車載終端的結(jié)構(gòu)組成圖Fig. 2 Car terminal structural composition diagram

2.1.2 GPS模塊設(shè)計(jì)分析

為了滿足高精度定位的要求，物流追蹤車載終端采用NEO-5Q GPS模塊接受定位信息。由瑞士u-Blox公司推出的采用最新的第五代定位引擎u-Blox 5，該模組具有50個(gè)通道的u-Blox引擎，100多萬個(gè)有效相關(guān)器，能夠同步追蹤GPS和Galileo的導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)，熱啟動(dòng)和輔助啟動(dòng)首次定位時(shí)間小于1秒。同時(shí)支持AssistNow Online和AssistNow Office等A-GPS功能。

該GPS芯片工作電壓的范圍為2.7～3.6 V，在實(shí)際設(shè)計(jì)中采用AMS117-3.3為其提供3.3 V 穩(wěn)定電源。其定位數(shù)據(jù)支持NMEA-0183協(xié)議和UBX二進(jìn)制。如圖3所示為GPS模塊電路原理圖。

圖3 GPS模塊原理圖Fig. 3 GPS module schematic

NEO-5Q的TXD引腳和RXD引腳分和STM32F103RBT6的RXD2和TXD2連接在一起。該模塊支持UART、USB、I2C和SPI接口的數(shù)據(jù)輸入輸出，其中UART默認(rèn)波特率為9 600，8位數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗(yàn)位。NEO-5Q能夠提供達(dá)4 Hz的定位跟新速率，其定位跟新速率和定位數(shù)據(jù)輸出格式均可使用軟件進(jìn)行設(shè)置。在本設(shè)計(jì)考慮到實(shí)用性和低功耗的原則，設(shè)置其定位跟新速率為1 Hz，輸出協(xié)議為NMEA-0183，輸出格式為GPRMC（建議使用最小GPS定位信息）。GPS芯片在搜索到有效衛(wèi)星情況下，還能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供精確地授時(shí)服務(wù)[5]。

2.1.3 GPRS模塊設(shè)計(jì)分析

車載終端選用的GPRS通信模塊是西門子的MC52i,該模塊是一款雙頻的GSM/GPRS模塊，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧；具有快速GPRS技術(shù)，該模塊體積小、重量輕、功耗低，支持?jǐn)?shù)據(jù)、語音、短信息和傳真等功能，AT命令控制符合GSM07.05，工作頻率在900/1 800 MHz[6]。

MC52i支持的電壓范圍是3.3～4.4 V，電流消耗在睡眠狀態(tài)是3.0 mA，在閑置的狀態(tài)下是10.0 μA，在通話狀態(tài)下電流消耗是300 mA，最高時(shí)可達(dá)到2.0 A，在掉電狀態(tài)下電流僅為100 μA。功率在900 MHz時(shí)是2 W，在1 800 MHz時(shí)是1 W。數(shù)據(jù)特征為CSD最大達(dá)到14.4 kbps、USSD、不透明模式。該模塊使用方便具備電源接口，1.8 V/3.0 V SIM卡接口，全雙工UART接口，TTL輸出，50歐姆天線連接器。

MC52i的TXD引腳和RXD引腳分和STM32F103RBT6的RXD和TXD連接在一起。該模塊支持UART接口的數(shù)據(jù)輸入輸出，其中UART默認(rèn)波特率為9 600，8位數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗(yàn)位。

2.1.4 RFID模塊設(shè)計(jì)分析

RFID模塊主要是采用通道式讀寫器和電子標(biāo)簽通信的方式，檢查電子標(biāo)簽的變動(dòng)信息，將電子標(biāo)簽的變動(dòng)信息傳輸?shù)紺PU，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理后通過GPRS模塊將需要傳送的信息傳送到監(jiān)管平臺(tái)。

RFID標(biāo)簽，也稱智能標(biāo)簽，由于其一系列優(yōu)點(diǎn)，正得到越來越廣泛的應(yīng)用[7]。通常是由印刷層、芯片層與底層構(gòu)成。芯片層在印刷層與底層之間，是標(biāo)簽的核心部分，芯片層不能承受印刷壓力，因此通常的做法是先印好印刷層，做好底層，再與芯片層復(fù)合。智能標(biāo)簽是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，識(shí)別工作無須人工干預(yù)。它通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，與條形碼相比，智能標(biāo)簽是可擦寫的，非接觸性的，可同時(shí)讀取，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量大，且包含的是單個(gè)產(chǎn)品的信息。按照頻率劃分，包括125 kHz、13.56 MHz、9.15 MHz、2.45 GHz、5.8 GHz。本系統(tǒng)采用的是一種無源R FID H4006芯片。其基本性能如下：工作頻率范圍為10～15 兆赫茲，通常選用13.56 MHz來進(jìn)行身份識(shí)別。片內(nèi)有一個(gè)64 位可編程存儲(chǔ)器，可用于存儲(chǔ)相關(guān)信息。H4006的信息傳輸方式采用負(fù)載調(diào)制，編碼為密勒碼，數(shù)據(jù)傳輸速率為26 484 波特(亦可為其他速率，但需預(yù)先選定)。由于H4006內(nèi)含諧振電路和電源濾波電容，因而使用更方便。H4006 在無線方式下為只讀存貯卡，其編程采用在線編程方式。

RFID模塊中另一個(gè)重要的部分是高頻多通道讀寫器，本系統(tǒng)選用的是捷通的四通道高頻讀寫器，該讀寫器能夠一次識(shí)讀200個(gè)標(biāo)簽，將該讀寫器裝載物流車廂頂部即可，通過485總線的方式與控制器相連接。RFID模塊的連接電路圖如圖4所示。

圖4 RFID模塊連接電路圖Fig. 4 RFID module connection diagram

2.2 物流監(jiān)管平臺(tái)設(shè)計(jì)分析

物流監(jiān)管平臺(tái)主要是GPRS接收模塊和服務(wù)器組成，GPRS模塊將接收到的物流信息上傳到服務(wù)器，服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后存入數(shù)據(jù)庫，同時(shí)服務(wù)器也可以接收到客戶的訪問需求，實(shí)時(shí)下發(fā)信心查詢物流車和貨物的動(dòng)態(tài)信息[8]。

3 軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的軟件部分主要由上位機(jī)軟件和車載物流終端兩部分組成。在此詳細(xì)介紹車載物流終端的軟件設(shè)計(jì)。

物流車載終端設(shè)備在開機(jī)后進(jìn)行初始化，初始化包括GPS初始化、GPRS初始化、RFID初始化3個(gè)部分，初始化正常后進(jìn)入while循環(huán)等待上位機(jī)的中斷請(qǐng)求，當(dāng)上位機(jī)出現(xiàn)中斷請(qǐng)求時(shí)，控制器采集GPS模塊和RFID的數(shù)據(jù)，通過GPRS模塊上傳到上位機(jī)平臺(tái)，上位機(jī)平臺(tái)對(duì)采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，檢查是否出現(xiàn)異常變動(dòng)情況。當(dāng)上位機(jī)沒有中斷請(qǐng)求時(shí)，車載中斷控制器進(jìn)行計(jì)時(shí)等待，等到規(guī)定時(shí)間后自動(dòng)采集GPS模塊的地理位置信息和RFID的標(biāo)簽信息，將采集到的信息上傳到上位機(jī)平臺(tái)[9]。物流車載中斷的主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖Fig. 5 Main program flow chart

4 結(jié)束語

文中針對(duì)當(dāng)今物流過程中的貴重物品丟失和物流信息無法實(shí)時(shí)性采集的問題，研究了基于GPS、GPRS和RFID的物流追蹤系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)能夠?qū)F重物品在物流過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦出現(xiàn)異常情況，能夠及時(shí)報(bào)警通知物流人員，減少貴重物品和危險(xiǎn)品的丟失。在接下來的研究中不僅將物流信息實(shí)時(shí)的上傳到物流監(jiān)管平臺(tái)，更進(jìn)一步的與顧客進(jìn)行信息溝通，使顧客能夠?qū)崟r(shí)了解并監(jiān)管自己物品的物流過程，是物流行業(yè)更加安全，操作更加高效。

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