貨物運(yùn)輸智能化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳 迅

（湖北物資流通技術(shù)研究所，湖北 襄陽 441002）

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，貨物運(yùn)輸已經(jīng)成為國民經(jīng)濟(jì)中的重中之重。但是近年來，隨著貨物運(yùn)輸量的增大，在運(yùn)輸過程中的貨物損失也越來越大，不僅給貨物承運(yùn)人和保險(xiǎn)公司帶來損失，而且也給貨物接收單位帶來巨大的傷害。因此，我們亟需一種能對(duì)貨物運(yùn)輸過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的設(shè)備及系統(tǒng)，以減少運(yùn)輸中的損失。

本文以在運(yùn)貨物為研究對(duì)象，利用貼在貨物包裝上的能夠采集多個(gè)參數(shù)的智能化電子標(biāo)簽(WWSID，Wisdom Wireless Sensor Identification)來采集貨物包裝上的參數(shù)變化，以便在貨物發(fā)生包裝異常變形、受壓、震動(dòng)、過度位移、溫濕度超范圍變化、盜竊丟失等時(shí)能夠及時(shí)向貨車司機(jī)和監(jiān)控中心發(fā)出警示，以便及時(shí)的對(duì)貨物進(jìn)行處理，將可能發(fā)生或即將發(fā)生的事故消滅在萌芽狀態(tài)。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的在運(yùn)貨物智能化監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

該系統(tǒng)由三部分組成，第一部分為智能化電子標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)通過節(jié)點(diǎn)上附帶的傳感器采集貨物包裝上面的各種信息，并把該信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送到無線接收節(jié)點(diǎn)。第二部分為車載終端，該終端通過無線接收節(jié)點(diǎn)接收智能化電子標(biāo)簽傳送過來的信息，并把該信息顯示在帶有操作系統(tǒng)的LCD 屏幕上，以供司機(jī)直觀地了解貨物的各種狀態(tài)。第三部分為互聯(lián)網(wǎng)終端，該終端通過車載終端的GPRS 接收車載終端發(fā)送過來的貨物信息和GPS 定位信息，以供監(jiān)控中心人員參考。

3 智能化電子標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

3.1 硬件的設(shè)計(jì)

智能化電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)必須滿足：（1）具有數(shù)據(jù)采集的功能，采集貨物包裝箱上面的各種數(shù)據(jù)。（2）具有無線傳輸?shù)墓δ?，把采集到的?shù)據(jù)傳送出去。（3）功耗低，成本低，便于便攜式使用以及推廣。

對(duì)于數(shù)據(jù)采集來說，因?yàn)槎际侵悄芑难b置，所以裝置里面都有控制器，控制器基本上都能滿足數(shù)據(jù)采集的要求，對(duì)于無線傳輸功能來說，可用的有WIFI、Bluetooth、Zigbee 等，但WIFI 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大，因此硬件處理器的處理速度要高，造成成本高昂，不適合作為電子標(biāo)簽傳輸協(xié)議使用。Bluetooth 是一種可見即可傳的設(shè)備，由于車廂環(huán)境比較復(fù)雜，因而也不適合用來作為電子標(biāo)簽協(xié)議使用。由于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很小，距離為車廂到駕駛室之間，所有Zigbee 協(xié)議非常適合用來作為電子標(biāo)簽使用。又由于協(xié)議本身具有低功耗的特性，使用Zigbee 協(xié)議的設(shè)備成本低廉，所以選擇使用Zigbee 協(xié)議作為電子標(biāo)簽的無線傳輸協(xié)議。

在本設(shè)計(jì)中采用了美國TI 公司生產(chǎn)的CC2530 芯片作為無線電子標(biāo)簽的微控制器，該芯片是TI 公司專門為了Zigbee協(xié)議而開發(fā)的一款無線通信芯片，它結(jié)合了世界領(lǐng)先的RF 收發(fā)器，增強(qiáng)型8051 內(nèi)核，并具有不同的運(yùn)行模式，使它能適應(yīng)超低功耗的要求，而且更重要的是它能以極低的成本建立起強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 智能化電子標(biāo)簽結(jié)構(gòu)圖

智能化電子標(biāo)簽由CC2530 微控制器、電源模塊、復(fù)位電路、數(shù)據(jù)采集電路、RF 天線電路構(gòu)成，其中電源模塊采用TI 公司的一種新型電源芯片TPS61027 供電，該芯片具有低電壓自動(dòng)斷電功能，效率能達(dá)到96%。數(shù)據(jù)采集模塊包括傳感器電路和信號(hào)調(diào)理電路。RF 天線電路采用巴比倫電路，當(dāng)該電路的輸出阻抗等于50 歐姆時(shí)，該電路能夠獲得足夠大的天線輻射輸出。

3.2 軟件的設(shè)計(jì)

由于智能化電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)采用了專門為Zigbee 協(xié)議而開發(fā)的CC2530 芯片，所以為了簡便起見，軟件的設(shè)計(jì)采用了美國TI 公司專門為此芯片編制的協(xié)議棧，在此協(xié)議棧的基礎(chǔ)之上，編寫智能化電子標(biāo)簽的應(yīng)用軟件程序。該協(xié)議棧以O(shè)SAL 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，采用分層的思想，在主函數(shù)中初始化了芯片所使用的各個(gè)端口，檢查了芯片的電源本身溫度是否正常，并初始化DMA 傳輸。在系統(tǒng)應(yīng)用層，初始化了各個(gè)傳感器接口電路，并把采集到的傳感器數(shù)據(jù)通過2.4G 無線開發(fā)網(wǎng)絡(luò)傳送出去。其簡單的程序流程圖如圖3 所示。

圖3 智能化電子標(biāo)簽程序設(shè)計(jì)流程圖

4 車載終端的設(shè)計(jì)

4.1 硬件的設(shè)計(jì)

車載終端的設(shè)計(jì)必須滿足：（1）能夠接收智能化電子標(biāo)簽傳送過來的數(shù)據(jù)。（2）能夠把從智能化電子標(biāo)簽接收到的數(shù)據(jù)顯示在顯示屏上供司機(jī)參考。（3）能夠把GPS 定位信息以及智能化電子標(biāo)簽傳送過來的數(shù)據(jù)通過GPRS 傳送到互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控中心，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 車載終端結(jié)構(gòu)圖

由于智能化電子標(biāo)簽使用的是CC2530 來采集貨物包裝箱上的數(shù)據(jù)，而CC2530 的協(xié)調(diào)器可以用來接收路由器和終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的信息，所以采用CC2530 協(xié)調(diào)器來接收智能化電子標(biāo)簽傳送過來的數(shù)據(jù)。由于用到了顯示屏，所以采用性價(jià)比高的ARM來驅(qū)動(dòng)顯示屏，因?yàn)轱@示屏只是顯示一些畫面和采集到的數(shù)據(jù)，所以采用了價(jià)格比較便宜的M系列ARM處理STM32F103ZET6，利用該處理器的串口來接收CC2530 協(xié)調(diào)器傳送過來的數(shù)據(jù)，利用該處理器的FSMC 接口來加速驅(qū)動(dòng)LCD屏幕。為了使處理器能夠得到合理的利用，使用了UC/OS 操作系統(tǒng)來對(duì)設(shè)備的各個(gè)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，為了使畫面更加賞心悅目，使用了德國產(chǎn)的STemwin GUI 作為顯示畫面的支持，為了能在大的程序下運(yùn)行，還增加了內(nèi)存SRAM和SD 卡設(shè)備。使用了ARM串口來連接GPS 和GPRS 模塊，通過串口把車載終端接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRS，GPRS 通過互聯(lián)網(wǎng)把數(shù)據(jù)傳送到互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控中心。

4.2 軟件的設(shè)計(jì)

由于車載終端的主控制器芯片采用的是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的ARM 芯片，又采用了操作系統(tǒng)和GUI，所以車載終端軟件的設(shè)計(jì)采用了分層的結(jié)構(gòu)。首先編制芯片的啟動(dòng)程序和時(shí)鐘程序，在啟動(dòng)程序和時(shí)鐘程序的基礎(chǔ)之上編寫所使用的芯片端口和內(nèi)存分配程序；接著編寫操作系統(tǒng)任務(wù)切換函數(shù)程序，移植操作系統(tǒng)；操作系統(tǒng)移植完畢以后，接著編寫電容觸摸屏LCD 驅(qū)動(dòng)程序和電容屏觸摸程序；由于增加了SD 卡電路，緊接著移植由日本人編寫的FAT 程序用以實(shí)現(xiàn)SD 卡的文件管理；在此基礎(chǔ)之上，接著編寫應(yīng)用程序，調(diào)用Stemwin 制作顯示畫面，并編寫數(shù)據(jù)幀處理程序把數(shù)據(jù)顯示到LCD 屏幕上面；最后為了提高車載終端的性能，在以上程序的基礎(chǔ)之上做程序優(yōu)化處理。其簡單程序流程圖如圖5 所示。

圖5 車載終端程序流程圖

5 互聯(lián)網(wǎng)終端的設(shè)計(jì)

互聯(lián)網(wǎng)終端的設(shè)計(jì)必須滿足：（1）能夠顯示采集到的貨物包裝上的所有信息，并在采集到的貨物信息異常時(shí)進(jìn)行報(bào)警顯示，以供監(jiān)控中心人員參考。（2）能夠顯示車輛的具體位置以及行徑路線信息。因此，采用了美國國家儀器公司出品的Labview軟件來編制監(jiān)控中心軟件。該軟件使用G 語言進(jìn)行編程，而且可以編制復(fù)雜的各種程序，并且對(duì)于本監(jiān)控終端來說，該軟件提供了互聯(lián)網(wǎng)TCP 處理模塊，可以很容易同過該模塊與GPRS 通信，并處理接收采集到的貨物包裝上的數(shù)據(jù)。其次，Labview 模塊提供了Activex 容器，可以直接加載Mapx 控件，利用Mapx 控件可以迅速開發(fā)出地圖導(dǎo)航，并且可以直接調(diào)用Matlab 軟件里面的算法，進(jìn)行軟件數(shù)據(jù)處理優(yōu)化。

6 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的在運(yùn)貨物智能化監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用基于Zigbee 協(xié)議的CC2530 芯片，設(shè)計(jì)了能夠采集在運(yùn)貨物狀態(tài)參數(shù)的智能化電子標(biāo)簽，該電子標(biāo)簽每隔5s 采集一次貨物包裝上的數(shù)據(jù)，并把該數(shù)據(jù)發(fā)送出去。利用ARM處理器設(shè)計(jì)了車載終端，并把智能化電子標(biāo)簽采集到的數(shù)據(jù)顯示在LCD 屏幕上，利用NI 公司出品的Labview 軟件編寫了監(jiān)控終端的程序，該程序能夠顯示所有采集到的貨物包裝上的信息并在數(shù)據(jù)異常時(shí)報(bào)警，不僅如此，還能通過電子地圖給車輛定位，讓監(jiān)控中心人員知道貨物包裝發(fā)生異常時(shí)的車輛具體位置。這樣，當(dāng)在運(yùn)貨物發(fā)生或是即將發(fā)生損壞時(shí)，貨車司機(jī)或監(jiān)控中心人員能夠及時(shí)進(jìn)行處理，減少貨物運(yùn)輸過程中的損失。

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