基于GPS/GPRS的冷鏈物流信息監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

秦 旭，謝亞蓮，陳 煥

(1.上海理工大學(xué) 光電信息與計算機(jī)工程學(xué)院，上海200093;2.上海工業(yè)自動化儀表研究院，上海200233)

隨著人們生活水平的改善，對飲食的要求也越來越高，新鮮蔬菜、海鮮等經(jīng)常需要跨區(qū)域運輸，冷鏈的應(yīng)用勢在必行［1］。據(jù)中國食品工業(yè)協(xié)會指出，全國由于冷鏈物流管理的缺失或存在問題，導(dǎo)致每年約1 200萬噸水果和1.2億噸蔬菜的浪費，總價值超過1 000億元人民幣。震驚全國的山西疫苗事件等，表明監(jiān)管水平低下，直接影響食品安全和醫(yī)療安全［2］。研究一種低功耗、運行可靠、易于維護(hù)的系統(tǒng)對車載冷庫(冷鏈)物流進(jìn)行實時監(jiān)控迫在眉睫。

針對冷鏈物流的特點，本文設(shè)計了基于GPS/GPRS的車載冷庫(冷鏈)物流信息監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)能遠(yuǎn)程實時監(jiān)控冷庫運輸車輛的地理位置、車速以及車載冷庫內(nèi)部的溫濕度。為相關(guān)部門實時了解、安排調(diào)度物流運輸車輛提供依據(jù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

車載冷庫物流信息監(jiān)控系統(tǒng)主要由車載終端系統(tǒng)和上位機(jī)監(jiān)控平臺構(gòu)成，其中車載終端又分為車載冷庫內(nèi)部系統(tǒng)和司機(jī)駕駛艙系統(tǒng)，兩者通過nRF24L01無線模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖1中，GPRS模塊負(fù)責(zé)車載終端和上位機(jī)監(jiān)控平臺的通信，主要傳輸物流車輛的位置信息以及車載冷庫內(nèi)部的溫濕度信息等;GPS模塊負(fù)責(zé)對物流車輛進(jìn)行實時定位;nRF24L01無線模塊負(fù)責(zé)將車載冷庫內(nèi)部的溫濕度信息傳輸?shù)剿緳C(jī)駕駛艙系統(tǒng);LCD顯示模塊負(fù)責(zé)顯示設(shè)備ID號、車載冷庫內(nèi)部的溫濕度信息;上位機(jī)監(jiān)控平臺動態(tài)顯示、實時更新系統(tǒng)內(nèi)全部物流車輛的位置、車速及車載冷庫內(nèi)部的溫濕度信息等。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 MCU模塊

MCU是一個系統(tǒng)的核心，本系統(tǒng)中選用的是STM32F103C8，采用ARM32位Crotex－M3內(nèi)核，最高72 MHz的工作頻率，3個串口，36個快速I/O口，2.0～3.6 V的工作電壓，最低可承受工作溫度－40℃［3］，可滿足該系統(tǒng)的設(shè)計要求。

2.2 GPRS模塊

GPRS模塊負(fù)責(zé)向監(jiān)控中心傳輸數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)中選用的是移遠(yuǎn)公司的Quectel－M35，采用LCC封裝，內(nèi)嵌強(qiáng)大的TCP/IP協(xié)議棧，具有GSM850 MHz，DCS1800 MHz，GSM900 MHz和PCS1900 MHz四頻段通信，頻段自動搜索或通過AT命令配置。模塊主串口與MCU連接時可選擇全功能的串口連接方式、帶流控制的串口連接方式和三線制的串口連接方式。由于模塊典型工作電壓為4 V，且啟動電流要＞2 A，在為Quectel－M35供電時選擇Micrel公司型號為MIC29302WU的低壓差線性穩(wěn)壓器(Low Dropout Regulator，LDO)作為供電模塊，其的輸出電壓可調(diào)，負(fù)載電流峰值可到3 A。為確保輸出電壓的穩(wěn)定，在輸出端口靠近模塊VBAT管腳處放置一個反向擊穿電壓為5.1 V，耗散功率為1 W以上的穩(wěn)壓管。電路如圖2所示。

圖2 GPRS模塊接線圖

其中，電平轉(zhuǎn)換芯片MIC29302的輸出電平滿足

2.3 GPS模塊

GPS模塊獲取物流車輛的位置信息。系統(tǒng)選用移遠(yuǎn)公司的Quectel－L70，其具有穩(wěn)定性好，準(zhǔn)確度高以及低功耗的TTFF(Time To Fist Fix)。由于是集成封裝，使用時只需給模塊供電，串口就可發(fā)出位置信息。PCB布線時，天線RF要有50Ω的阻抗匹配，且長度盡可能的短。為了保證天線的穩(wěn)定性，選擇了有源接法，同時為提高抗干擾性，增加了低噪聲放大器(Low Noise Amplifier，LNA)電路，電路如圖3所示。

圖3 GPS模塊天線接線圖

其中，天線Antenna 1為沒有LNA電路的天線接法，天線Antenna 2為有LNA電路的天線接法，在此設(shè)有2個天線是為對比LNA電路對天線性能改善的程度，實驗對比顯示:接有LNA電路的天線抗干擾能力顯著提高，信號穩(wěn)定性明顯改善。

2.4 nRF24L01無線收發(fā)模塊

nRF24L01無線收發(fā)模塊負(fù)責(zé)車載冷庫內(nèi)部系統(tǒng)和司機(jī)駕駛艙系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸，即將冷庫內(nèi)的溫濕度信息傳到司機(jī)駕駛艙設(shè)備。nRF24L01無線射頻芯片共有8個引腳，分別為VCC、GND、CE、CSN、SCK、MISO、MOSI和IRQ。其中，GND為電源地，VCC為3.3 V工作電壓、IRQ為外部中斷引腳，其它為芯片的控制引腳和數(shù)據(jù)引腳［4］。VCC引腳接MCU的一個I/O口，當(dāng)需要模塊工作時，PB0口輸出高電平，無需模塊工作時，只需拉低PB0口即可，此舉可降低功耗，延長電池的使用壽命。由于STM32單片機(jī)的I/O口輸出為3.3 V，符合nRF24L01的供電工作范圍，故可直接將nRF24L01模塊與MCU連接，不需要分壓電阻，其電路接法如圖4所示［5］。

2.5 溫濕度采集模塊

圖4 nRF24L01模塊接線圖

負(fù)責(zé)采集車載冷庫內(nèi)部的溫濕度信息。系統(tǒng)選用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，其具有響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、性價比高等優(yōu)點。采用4引腳封裝，方便與MCU的連接，其引腳分別為VCC、GND、DATA、NC，其中VCC為3.3 V工作電壓，GND為電源地，DATA為串行數(shù)據(jù)、單總線，NC為空腳，使用時懸空，其電路接法如圖5所示［6－7］。其中單總線通常要求外接一個5.1 kΩ的上拉電阻，這樣當(dāng)總線空閑時，其狀態(tài)為高電平。

圖5 DHT11溫濕度采集模塊接線圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 車載終端軟件設(shè)計

車載終端軟件設(shè)計分為車載冷庫內(nèi)部系統(tǒng)軟件設(shè)計和司機(jī)駕駛艙系統(tǒng)軟件設(shè)計。車載冷庫內(nèi)部系統(tǒng)軟件主要包括DHT11數(shù)字溫濕度傳感器采集程序和nRF24L01無線發(fā)送數(shù)據(jù)程序。司機(jī)駕駛艙系統(tǒng)軟件包括MCU、GPS、GPRS、nRF24L01、LCD1602等模塊的初始化，GPS數(shù)據(jù)解析，nRF24L01無線模塊接收溫濕度數(shù)據(jù)及GPRS通信程序，軟件流程圖如圖6所示。

圖6 車載終端軟件流程圖

3.1.1 GPRS模塊信息配置

首先拉低模塊的PWRKEY引腳，當(dāng)STATUS引腳輸出高電平之后，表示開機(jī)成功，PWRKEY引腳可釋放［8］。然后分3步對GPRS模塊進(jìn)行配置:(1)發(fā)送“AT+IPR=X＆W”命令配置模塊波特率。例如發(fā)送“AT+IPR=115200＆W”配置模塊波特率為115200。(2)發(fā)送“AT+CPIN?”查詢SIM卡狀態(tài)，若模塊返回+CPIN:READY，表示SIM卡已成功檢測到。(3)發(fā)送“AT+CGREG?”檢查模塊是否注冊到GPRS網(wǎng)絡(luò)，若模塊返回+CGREG:0，5或+CGREG:0，1，表示模塊已成功注冊到GPRS網(wǎng)絡(luò)。此時，GPRS模塊配置完成，可進(jìn)行GPRS通信了。

3.1.2 GPS數(shù)據(jù)解析

按照GPS數(shù)據(jù)協(xié)議(NEMA－0183協(xié)議)，GPS模塊通過串口發(fā)出的數(shù)據(jù)有GPRMC、GPVTG、GPGGA、GPGSA、GPGSV、GPGLL等幾種格式，本系統(tǒng)采用GPRMC格式解析GPS數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)格式為［9］:

3.2 上位機(jī)監(jiān)控平臺軟件設(shè)計

上位機(jī)監(jiān)控平臺使用Microsoft Visual Studio 2010編寫C++程序，QT Creator3.1.0設(shè)計用戶界面，聯(lián)合搭建上位機(jī)監(jiān)控平臺。使其具有接收GPRS數(shù)據(jù)包并提取其中有效信息，如車輛經(jīng)緯度、車載冷庫溫濕度信息等;加載經(jīng)緯度信息到百度地圖腳本文件，顯示車輛位置信息;用戶界面顯示設(shè)備ID號、經(jīng)緯度、海拔高度、車速、溫濕度信息;將數(shù)據(jù)存入SQL數(shù)據(jù)庫，并實現(xiàn)可查詢歷史數(shù)據(jù)等功能。

4 實驗測試

在系統(tǒng)調(diào)試完成后進(jìn)行了模擬測試，檢驗系統(tǒng)的運行效果以及測試精度。溫濕度數(shù)據(jù)如表1所示，其中“測量溫濕度”欄數(shù)據(jù)為系統(tǒng)采集，“標(biāo)準(zhǔn)溫濕度”欄數(shù)據(jù)為某型號溫濕度測量儀采集。GPS定位信息如表2所示，其中“測量經(jīng)緯度”欄數(shù)據(jù)為系統(tǒng)采集，“標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)緯度”欄數(shù)據(jù)從百度地圖獲得。

表1 溫濕度實驗數(shù)據(jù)

表2 GPS實驗數(shù)據(jù)

經(jīng)多次測試、實驗并與某型號溫濕度測量儀對比，該系統(tǒng)的溫濕度誤差小于5%;GPS定位在地域開闊、天氣晴朗的條件下，測量誤差＜50 m，表明該系統(tǒng)是一個運行可靠、精度高的冷鏈物流監(jiān)控系統(tǒng)。

5 結(jié)束語

針對冷鏈物流的特點，設(shè)計了一種基于GPS和GPRS的冷鏈物流信息監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)ξ锪鬈囕v進(jìn)行快速、精確定位，同時能實時監(jiān)控車載冷庫內(nèi)部的溫濕度信息。目前，該系統(tǒng)已投入試運行。但該系統(tǒng)還有一些不足之處，例如監(jiān)控中心只能顯示車載冷庫內(nèi)部的溫濕度信息，若溫濕度超過設(shè)定的閾值，系統(tǒng)出現(xiàn)報警時，只能由現(xiàn)場人員手動調(diào)控，而不能智能調(diào)控，這也是今后繼續(xù)研究改進(jìn)的地方。

［1］ 周國燕，張今，周新麗，等.基于RFID的食品冷鏈系統(tǒng)設(shè)計及試驗［C］.北京:第六屆全國食品冷鏈大會·食品安全與節(jié)能，2008.

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