基于SIM908的冷藏車箱內(nèi)溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何友國，袁朝春

HE You-guo, YUAN Chao-chun

（江蘇大學(xué) 汽車工程研究院，鎮(zhèn)江 212013）

0 引言

長期以來，我國的冷鏈運(yùn)輸技術(shù)落后，以農(nóng)產(chǎn)品為例，果蔬、肉類、水產(chǎn)品流通腐損率分別達(dá)到20%～30%、12%、15%，僅果蔬一類每年損失就達(dá)到1000億元以上[1]。其主要原因是我國在冷鏈運(yùn)輸中缺乏對(duì)冷藏車廂內(nèi)溫濕度進(jìn)行控制，無法為易腐食品提供合理的溫濕度保障。針對(duì)冷藏車監(jiān)控問題，國內(nèi)外一些研究機(jī)構(gòu)和高校都進(jìn)行了相應(yīng)的研究并開發(fā)出了相應(yīng)的產(chǎn)品。文獻(xiàn)[2]提出了一種肉品冷鏈物流監(jiān)控與調(diào)度解決方案，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，集成GIS/GPS技術(shù)，開發(fā)了GIS物流監(jiān)控系統(tǒng)和溯源查詢系統(tǒng)。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了一種基于通用分組無線業(yè)務(wù)(GPRS)技術(shù)的冷鏈物流實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)箱內(nèi)溫度和行車軌跡的實(shí)時(shí)監(jiān)控和報(bào)警。文獻(xiàn)[4]基于CC2530開發(fā)了一種冷藏車智能無線傳感器節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)冷藏車進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。文獻(xiàn)[5]基于RFID、GPS和GPRS技術(shù)設(shè)計(jì)了一種農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)監(jiān)控生鮮食品的溫度參數(shù)，確保貨物在運(yùn)輸過程中始終保持在一個(gè)安全的條件下。文獻(xiàn)[6]提出了以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與云計(jì)算相結(jié)合來監(jiān)控冷鏈物流的方法，在環(huán)境中的感知實(shí)體收集數(shù)據(jù)，并連接到云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了一種理想的冷鏈物流系統(tǒng)。文獻(xiàn)[7]針對(duì)醫(yī)藥冷鏈物流體體系自動(dòng)化和信息化的問題，將物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新技術(shù)與醫(yī)藥冷鏈物流相結(jié)合，構(gòu)建了基于云計(jì)算的智能醫(yī)藥冷鏈物流體系。文獻(xiàn)[8]將ZigBee、GPRS和RFID引入溫度控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了溫度的在線監(jiān)控和智能控制。

從現(xiàn)有文獻(xiàn)來看，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)冷藏車監(jiān)控系統(tǒng)做了大量研究，已取得了很好的效果。但目前多數(shù)冷藏車監(jiān)控系統(tǒng)采用的都是基于無線通信方式傳輸數(shù)據(jù)，雖然省去了布線環(huán)節(jié)，但由于每一個(gè)溫度采集點(diǎn)都需要增加無線傳輸模塊，增加了整個(gè)系統(tǒng)成本。另外，目前冷藏車監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于濕度監(jiān)控較少，而濕度也是影響冷藏車運(yùn)輸貨物質(zhì)量的關(guān)鍵因素。即使有溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，其溫濕度傳感器都是分離的，對(duì)于多個(gè)監(jiān)控點(diǎn)來說也增加了系統(tǒng)成本。因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于SIM908的冷藏車箱內(nèi)溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)，克服了上述缺陷，實(shí)現(xiàn)了單總線上溫濕度集中采集，并且進(jìn)行了實(shí)車測試，測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性，可以獲得良好的冷藏車箱內(nèi)溫濕度監(jiān)測效果。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

冷藏車箱內(nèi)溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)由車載終端和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)組成。車載終端以STC12C5A60S2單片機(jī)為主控制器，以集成式數(shù)字溫濕度模塊AM2301作為傳感器，利用SIM908通信模塊實(shí)現(xiàn)GPS定位和GPRS遠(yuǎn)程無線通信。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由VC++6.0和SQL server2005數(shù)據(jù)庫聯(lián)合開發(fā)而成，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)車載終端信息的顯示和保存，并能夠通過GPS信息在百度地圖上顯示冷藏車位置。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

車載終端由主控制器、AM2301傳感器、SIM908通信模塊組成。主控制器負(fù)責(zé)各個(gè)采集點(diǎn)溫濕度數(shù)據(jù)的采集，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將冷藏車內(nèi)各點(diǎn)溫濕度數(shù)據(jù)、冷藏車位置信息傳送給遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。各個(gè)采集點(diǎn)采用集成式數(shù)字溫濕度傳感器AM2301，采用單總線通信方式，各個(gè)傳感器掛接在單總線上，由主控制器控制溫濕度采集和數(shù)據(jù)的讀取。SIM908通信模塊負(fù)責(zé)采集冷藏車GPS信息和GPRS無線通信。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收車載終端發(fā)送的冷藏車?yán)湎鋬?nèi)各點(diǎn)溫濕度數(shù)據(jù)、冷藏車位置信息，對(duì)這些信息進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示，同時(shí)，將冷藏車的位置顯示在百度地圖上，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷藏車箱內(nèi)溫濕度及冷藏車位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 主控電路

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控電路

STC12C5A60S2單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8～12倍。因此車載終端采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控制器，主控電路如圖2所示。

由圖2可知，主控電路主要由主控制器電路、電源電路、傳感器接口電路組成。

1）主控制器電路

圖2 中P 2 接 口 與各個(gè)數(shù)字溫濕度傳感器A M 2 3 0 1 相連，通過單總線結(jié)構(gòu)讀取每一個(gè)傳感器的溫濕度信息，由P2.4完成單總線通信。圖2中GPS-TXD、GPS-RXD與SIM908模塊的GPS串口相連，接收和解析SIM908模塊輸出的GPS信息。圖2中TXD、RXD與SIM908模塊的GPRS串口相連，通過AT指令實(shí)現(xiàn)GPRS通信。為了實(shí)現(xiàn)在線編程，這里采用拔碼開關(guān)S2進(jìn)行切換，當(dāng)下載程序時(shí)，撥動(dòng)拔碼開關(guān)使TXD、RXD與ISP相連，進(jìn)行程序在線編程，當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，拔碼開關(guān)使TXD、RXD與SIM908模塊的GPRS串口相連，進(jìn)行GPRS通信。通過P3.5口控制蜂鳴器，實(shí)現(xiàn)冷藏車箱內(nèi)溫濕度異常報(bào)警。冷藏車箱內(nèi)各點(diǎn)溫濕度信息、溫濕度異常報(bào)警信息和冷藏車位置信息通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸給遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)所有車載信息進(jìn)行保存和數(shù)據(jù)分析。

2）電源電路

由SIM908模塊的數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，SIM908模塊供電電壓為4.3V，最大瞬時(shí)電流2A，采用車載12V電池作為系統(tǒng)的輸入電壓?？紤]到車載電池電壓輸出不穩(wěn)定及SIM908輸入電流最大達(dá)2A，這里選用德州儀器生產(chǎn)的3A電流輸出降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片片LM2596S-5.0，該芯片輸入電壓范圍5V～40V，最大輸出電流可達(dá)3A，具有完善的保護(hù)電路。圖2中P1接車載電池，經(jīng)穩(wěn)壓芯片LM2596穩(wěn)壓后輸出5V，考慮SIM908供電電壓4.3V，這里采用1N5822二極管進(jìn)行降壓。

3）傳感器接口電路

AM2301濕敏電容數(shù)字溫濕度模塊是一款含有己校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)單總線接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20米以上。AM2301的供電電壓范圍為3.5V～5.5V，濕度輸出16bit數(shù)據(jù)，精度±2%RH，溫度輸出16bit數(shù)據(jù)，精度±0.5℃。本系統(tǒng)采用外部供電方式，由一根電源線為每一個(gè)AM2301分別供電，保證AM2301轉(zhuǎn)換精度。當(dāng)采用普通信號(hào)電纜傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，通信距離超過20米時(shí)，讀取的溫濕度數(shù)據(jù)就發(fā)生錯(cuò)誤。同時(shí)，單根總線上所接AM2301傳感器超過8個(gè)時(shí)就會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。為提高通信距離，本系統(tǒng)信號(hào)電纜采用屏蔽4芯雙絞線，其中一對(duì)雙絞線接地線與信號(hào)線，另一對(duì)雙絞線接VCC和地線。采用屏蔽4芯雙絞線通信方式，總線通信距離可達(dá)100米以上，總線上最多可接AM2301傳感器 20個(gè)。

圖3 SIM908模塊與單片機(jī)接口電路

2.2 SIM908電路

本系統(tǒng)采用SIMCOM公司的SIM908模塊實(shí)現(xiàn)GPS采集和GPRS通信功能。該模塊集成GPS和GPRS在一個(gè)SMT封裝內(nèi)，大大節(jié)省了客戶開發(fā)時(shí)間和成本。SIM908模塊也采用兩個(gè)串口與單片機(jī)的兩串口分別交叉相連，電路設(shè)計(jì)簡單，SIM908模塊與單片機(jī)接口電路如圖3所示。

由圖3可知，SIM908模塊的GPS串口分別與單片機(jī)的串口GPS-TXD、GPS-RXD相連，SIM908模塊的GPRS串口分別與單片機(jī)的串口TXD、RXD相連，單片機(jī)通過串口即可實(shí)現(xiàn)GPS信息采集和GPRS通信。圖中J1是SIM卡接口電路，通過SIM908模塊的SIM-DATA、SIM-RST、SIM-CLK實(shí)現(xiàn)對(duì)SIM卡的讀寫。為了實(shí)現(xiàn)讀寫數(shù)據(jù)的可靠性，在SIM908模塊的SIM-DATA、SIMRST、SIM-CLK引腳與SIM卡引腳之間串接了22歐姆電阻，實(shí)現(xiàn)匹配負(fù)載阻抗。為了實(shí)現(xiàn)SIM908的可靠上電，通過單片機(jī)的P1.4口控制SIM908的上電。D5為GPS指示燈，當(dāng)D5滅時(shí)表示GPS未搜到有效衛(wèi)星，當(dāng)D5亮?xí)r表示GPS搜到至少四顆以上的衛(wèi)星，工作正常。D6為GPRS指示燈，當(dāng)D6閃爍模式為64ms亮/800ms滅時(shí)表示模塊未注冊(cè)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)D6閃爍模式為64ms亮/3000ms滅時(shí)表示模塊已注冊(cè)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)D6閃爍模式為64ms亮/300ms滅時(shí)表示模塊GPRS連接建立。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括AM2301數(shù)據(jù)讀取、GPS數(shù)據(jù)解析、GPRS通信及蜂鳴器控制功能，分別由相應(yīng)的子函數(shù)構(gòu)成。由于篇幅所限，本文只給出AM2301讀取數(shù)據(jù)流程圖和車載終端總體流程圖。

AM2301采用單總線數(shù)據(jù)格式，一次傳送40位數(shù)據(jù)，高位先出。其通信格式如表1所示。

根據(jù)表1所示，AM2301單總線讀取流程圖如圖4所示。

圖4 AM2301單總線讀取流程圖

圖4 (a)為單個(gè)AM2301讀取流程圖，圖4(b)為單總線上多個(gè)AM2301讀取流程圖。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行由主函數(shù)控制，主函數(shù)程序流程圖如圖5所示。

4 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

遠(yuǎn)程監(jiān)控系采用VC++6.0和SQL server2005數(shù)據(jù)庫聯(lián)合開發(fā)而成，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)車載終端信息的顯示和保存，并能夠通過GPS信息在地圖上顯示汽車位置。

4.1 VC++6.0訪問SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫

在服務(wù)器上建立SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫，然后通過VC++訪問數(shù)據(jù)庫即可實(shí)現(xiàn)車載終端信息的顯示和保存。這里VC++采用ADO方式連接數(shù)據(jù)庫，用#import指令引入A D O 數(shù)據(jù)庫C O M 庫的初始化，然后創(chuàng)建Connection對(duì)象連接數(shù)據(jù)庫，通過執(zhí)行SQL命令實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的存儲(chǔ)于讀取。

表1 AM2301通信格式說明

圖5 主函數(shù)程序流程圖

4.2 VC++6.0 Socket編程

VC++6.0采用Socket編程實(shí)現(xiàn)接收車載終端發(fā)送的GPRS信息。為了實(shí)現(xiàn)接收GPRS數(shù)據(jù)，在服務(wù)器程序中添加兩個(gè)CSocket派生類：CSocListen和CSocRecv。分別用來實(shí)現(xiàn)偵聽連接請(qǐng)求和與請(qǐng)求連接的套接字建立連接，服務(wù)器與車載終端通信過程如下：

1）在服務(wù)器端聲明一個(gè)用于監(jiān)聽客戶端的CSocListen對(duì)象，同時(shí)對(duì)應(yīng)某個(gè)端口設(shè)定為監(jiān)聽狀態(tài)；

2）在車載終端單片機(jī)通過AT指令控制SIM908，通過IP地址和端口向服務(wù)器請(qǐng)求連接；

3）服務(wù)器端監(jiān)聽到請(qǐng)求指令后，新建一個(gè)CSocRecv對(duì)象，用于與車載終端綁定，傳送和接收數(shù)據(jù)。

4.3 VC++6.0訪問百度地圖

VC++6.0中有一個(gè)CHtmlView類，利用這個(gè)類，可以實(shí)現(xiàn)在對(duì)話框的控制中顯示HTML文件。因此，本系統(tǒng)通過繼承CHtmlView類創(chuàng)建了一個(gè)CHtmlCtrl類，通過CHtmlCtrl類訪問百度地圖，將通過GPRS接收到的車輛GPS信息從VC++中傳入到JS版的百度地圖的API中，進(jìn)行相應(yīng)的顯示。將VC++6.0和CHtmlCtrl結(jié)合開發(fā)，一方面保證了程序的安全性和高效性，同時(shí)還保證了程序展示的美觀性。

5 系統(tǒng)測試

為了驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)性能，在鎮(zhèn)江市學(xué)府路上進(jìn)行了實(shí)車驗(yàn)證。車載終端能夠?qū)⒉杉降睦洳剀囅鋬?nèi)溫濕度信息、GPS信息通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)顯示存儲(chǔ)車載終端信息，并能夠?qū)崟r(shí)在百度地圖上顯示車輛位置。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖6所示。

圖6 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)界面

6 結(jié)束語

本文介紹了一種基于SIM908的冷藏車箱內(nèi)溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)由車載終端和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)組成。詳細(xì)介紹了車載終端主控制器電路設(shè)計(jì)、電源電路設(shè)計(jì)、SIM908電路設(shè)計(jì)和傳感器接口電路設(shè)計(jì)。同時(shí)，采用Visual C++ 6.0和SQL Server 2005設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，給出了數(shù)據(jù)庫訪問方法、Socket編程方法和百度地圖訪問方法。為驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)性能，在鎮(zhèn)江市學(xué)府路上進(jìn)行了實(shí)車驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)本系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性，可以獲得良好的冷藏車箱內(nèi)溫濕度監(jiān)測效果。

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