多功能包裹智能監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

邵君輝，曾獻(xiàn)輝

（東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620）

0 引言

近年來，我國的互聯(lián)網(wǎng)電子商務(wù)行業(yè)迅速發(fā)展，快遞行業(yè)如雨后春筍般迅猛發(fā)展。巨大的市場充滿了激烈的競爭，許多快遞公司盲目地追求經(jīng)濟利益，在快速發(fā)展的背后帶來了一系列問題。快遞延遲、損壞、丟失等現(xiàn)象層出不窮[1-2]。針對此現(xiàn)象，本文設(shè)計了一種多功能包裹監(jiān)測系統(tǒng)。將終端控制設(shè)備放置在包裹內(nèi)，可以監(jiān)測包裹內(nèi)的劇烈碰撞、破壞、延遲等信息，有效地避免現(xiàn)有問題，同時使得包裹運送更加可靠安全，提高了物流行業(yè)的服務(wù)水平。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計及主要功能

包裹智能監(jiān)測系統(tǒng)主要由終端控制器和客戶端兩個結(jié)構(gòu)單元組成，其框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的框架設(shè)計圖

終端控制器主要由ARM9微處理器、GPS定位模塊、GPRS數(shù)據(jù)傳輸、MMA8453振動傳感器等模塊組成。包裹內(nèi)安裝終端控制器，該終端整合GPS定位傳感器、GPRS數(shù)據(jù)傳輸傳感器及若干個傳感器。GPS定位傳感器接收來自衛(wèi)星的定位信息，通過UART串口將數(shù)據(jù)傳送給中央處理器。同時中央處理器采集溫度、濕度、震動等傳感器數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)按照一定的協(xié)議格式進行封裝，然后通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到固定IP地址的服務(wù)器上[3]。

客戶端單元主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)顯示等功能模塊。一方面，客戶端接收終端控制器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，接著對數(shù)據(jù)進行分析，將結(jié)果存儲在數(shù)據(jù)庫中。另一方面，客戶端單元將解析完成的數(shù)據(jù)實時顯示在電子地圖上。用戶就可以查看快遞的實時位置及狀態(tài)信息。當(dāng)快遞內(nèi)溫濕度超過設(shè)定閾值的時候，或者遭受碰撞、搖晃的時候，終端控制器內(nèi)的傳感器檢測這些數(shù)據(jù)，就會打開蜂鳴器發(fā)出警報。此時用戶可以在客戶端上面查看到詳細(xì)的報警信息。同時用戶可以利用客戶端與智能包裹終端控制器進行通信，終端控制器能接收操作指令并將其發(fā)送給下面的傳感器，傳感器將接收到的指令轉(zhuǎn)化為物理動作，實現(xiàn)遠(yuǎn)程配置工作參數(shù)。

2 終端控制器硬件設(shè)計

本系統(tǒng)硬件電路主要由ARM9微處理器、SIM908數(shù)據(jù)傳輸和定位模塊、MMA8453震動傳感器模塊、溫濕度模塊、電源模塊、時鐘模塊以及LCD顯示模塊組成。硬件電路如圖2所示。

圖2 硬件電路圖

2.1 中央控制器

終端控制器的硬件核心是中央處理器，所有的設(shè)備驅(qū)動控制、通信協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲等任務(wù)都需要通過中央處理器。從穩(wěn)定性、可擴展性、性能、安全及操作系統(tǒng)支持等方面考慮，選擇性能強大的32位ARM9微處理器S3C2440作為主處理器。S3C2440工作頻率最高可達(dá)533 MHz，擁有64 MB的Flash和64 MB的SDRAM、UART、I2C、SPI等多類串行接口，便于構(gòu)建外圍電路的拓展功能接口，具有高性價比、低功耗等特點[4]，完全滿足小型移動設(shè)備的低功耗和高性能需求，所以特別適合于本系統(tǒng)應(yīng)用。

2.2 SIM908數(shù)據(jù)傳輸和定位模塊

在本設(shè)計中，GPS、GPRS模塊傳感器的選型是關(guān)鍵，GPS模塊負(fù)責(zé)地理位置的準(zhǔn)確定位，GPRS模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，其性能的優(yōu)劣將會影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、完整性。通過比較各個公司的GPS/GPRS模塊，本文最后選用了SIMCOM公司的SIM908模塊。該模塊同時集成了GPS定位和GPRS數(shù)據(jù)傳輸功能，體積小，集成度高，穩(wěn)定性強[5]。SIM908電路如圖3所示。

其標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)接口，在信號覆蓋的地方，都可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無縫連接，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩煽?。GPRS模塊主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換業(yè)務(wù)，雖然它的數(shù)據(jù)傳輸速度不是很高，但是能夠滿足正常的數(shù)據(jù)傳輸要求，非常適合于智能包裹的集成應(yīng)用，可以節(jié)省開發(fā)時間和費用[6]。

圖3 SIM908電路圖

2.3 MMA8453振動傳感器模塊

選用加速度傳感器MMA8453檢測包裹的振動數(shù)據(jù)。該款加速度計擁有三檔量程、2個可編程的中斷引腳，內(nèi)部集成了10位的ADC，可檢測自由落體、碰撞、方向變化等多種狀態(tài)。外圍連接電路簡單，帶有I2C通信接口，具有低功耗及低噪聲特點。振動傳感器電路如圖4所示。

圖4 MMA8453振動傳感器電路

3 終端控制器軟件設(shè)計

3.1 終端控制器的系統(tǒng)移植

終端控制器系統(tǒng)軟件使用Linux嵌入式操作系統(tǒng)。其穩(wěn)定性和開放性能夠很好地符合終端系統(tǒng)對系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠性的要求。

系統(tǒng)開發(fā)的宿主機選用Ubuntu12.04，首先安裝內(nèi)核源碼，在編譯前進入根目錄，更改其目錄下的Makefile文件，設(shè)置目標(biāo)平臺和交叉編譯器，然后運行makexcon-fig進入配置菜單，合理地設(shè)置內(nèi)核編譯配置選項，保存退出，執(zhí)行內(nèi)核編譯命令make，編譯成功后會在/usr/src/kernel/arch/arm/boot/目錄下生成 zImage，即為 Linux內(nèi)核映像文件。最后通過bootloaer引導(dǎo)進行操作系統(tǒng)移植，裝載完畢文件系統(tǒng)之后，編寫應(yīng)用服務(wù)程序[7]。

3.2 終端控制器程序設(shè)計

終端控制器的程序流程圖如圖5所示。系統(tǒng)上電開機后，首先進行系統(tǒng)初始化，設(shè)置時鐘頻率，初始化GPIO口、I2C和UART總線。接著開始硬件自檢，對內(nèi)存等進行檢查，同時開始對GSM/GPRS、GPS模塊初始化，上傳第一次GPS定位數(shù)據(jù)。然后系統(tǒng)進入休眠模式，每隔10 min喚醒一次CPU以及相關(guān)模塊，同時在休眠的過程中，如果收到查詢短信的指令，直接通過中斷喚醒CPU以及相關(guān)模塊。當(dāng)外圍模塊正常工作時，讀取GPS定位數(shù)據(jù)，并判斷幀頭數(shù)據(jù)，如果正確就通過GSM/GPRS模塊傳輸GPS及溫濕度傳感器和振動傳感器的數(shù)據(jù)，傳輸結(jié)束進入休眠模式。

圖5 終端控制器的程序流程圖

本系統(tǒng)采用低功耗的設(shè)計，CPU不能一直處于工作狀態(tài)，本文設(shè)置系統(tǒng)每10 min或者當(dāng)接收到短信時喚醒CPU，每次工作大約2 min，以此降低電量的消耗。由于此系統(tǒng)可以方便地放置在重要物品上，必須具有體積小、重量輕的特點，所以使用鋰電池供電。

3.3 數(shù)據(jù)采集和傳輸

實現(xiàn)ARM Linux平臺下SIM908數(shù)據(jù)的采集和傳輸，涉及到Linux下UART編程技術(shù)。首先給出Linux下UART串口的原理，然后使用多線程多進程技術(shù)來完成SIM908模塊的GPS數(shù)據(jù)采集和GPRS模塊的數(shù)據(jù)傳輸。

UART串口是一種終端設(shè)備，它不是簡單地初始化硬件設(shè)備并傳輸數(shù)據(jù)，而是在它們上面封裝了許多功能函數(shù)。UART串口驅(qū)動程序從上到下可以概括為：用戶應(yīng)用層-＞線路規(guī)劃層-＞TTY層-＞底層驅(qū)動層。

線路規(guī)程和TTY驅(qū)動層是與硬件平臺無關(guān)的，在Linux源碼中已經(jīng)實現(xiàn)，所以本文只需關(guān)心底層驅(qū)動和應(yīng)用程代碼的實現(xiàn)，s3c2440驅(qū)動層主要由dirivers/serial/下的s3c2440.c和samsung.c實現(xiàn)。移植幾個必要的函數(shù)，就可以運行串口驅(qū)動了[8]。

具體的SIM908模塊數(shù)據(jù)采集和傳輸都在應(yīng)用層實現(xiàn)。S3C2440提供3路 UART接口。UART0用于RS232電路，主要負(fù)責(zé)軟件調(diào)試，UART1和UART2用于SIM908模塊，負(fù)責(zé)GPRS和GPS數(shù)據(jù)傳輸。

為減少系統(tǒng)資源的開銷，提高執(zhí)行效率，提高程序的響應(yīng)，數(shù)據(jù)的采集和處理函數(shù)都采用多線程技術(shù)，從而可以提高系統(tǒng)的性能。同時在Linux下，所有的硬件設(shè)備都被看成是普通文件，可以通過與普通文件相同的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)調(diào)用完成打開、關(guān)閉、讀取和寫入設(shè)備等操作。表1列出了數(shù)據(jù)采集和傳輸程序的主要函數(shù)和功能描述[9]。

表1 主要函數(shù)和功能描述

4 客戶端軟件設(shè)計

客戶端是監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分，主要功能分為三部分：設(shè)置模塊、顯示模塊和報警模塊?？蛻舳塑浖褂胿s2012開發(fā)環(huán)境，客戶端界面如圖6所示。

圖6 客戶端界面

（1）設(shè)置模塊：可以設(shè)置終端控制器的溫濕度閾值和振動范圍，一旦溫濕度或者振動量超過設(shè)置的值，客戶端界面將會顯示紅色的報警信息。并且該模塊可以設(shè)置終端控制器的GPRS模塊的傳輸速率、發(fā)送間隔等功能。

（2）顯示模塊：主要功能是對智能包裹終端控制器進行實時定位和軌跡回放。點擊定位按鈕，程序?qū)鲃酉掳l(fā)命令查詢智能包裹終端的地理位置，將接受到的返回數(shù)據(jù)進行處理后直接在地圖上顯示更新。點擊軌跡回放按鈕時，會彈出對話框，接著輸入需要查詢的時間段。如果該時間段有智能包裹終端的信息，則顯示運行的軌跡路線。如果沒有智能包裹終端的信息，則彈出對話框顯示沒有數(shù)據(jù)。同時模塊也會顯示車輛的運行速度、運行路程距離、運行的方向及包裹的溫濕度等信息。智能包裹終端實時定位模塊和軌跡回放模塊的流程如圖 7、8所示。

（3）報警模塊：一旦包裹受到劇烈震動、搖晃、溫濕度超過閾值等情況，界面就會顯示紅色報警，并彈出警告框。

圖7 智能包裹終端實時定位模塊的流程圖

圖8 智能包裹終端軌跡回放模塊的流程圖

5 系統(tǒng)測試方案設(shè)計

5.1 GPS調(diào)試

GPS定位模塊能否快速準(zhǔn)備定位是實時定位的關(guān)鍵部分。使用GPS模塊進行定位，受密集的高樓和樹木影響較大，因此本文將控制器放在空曠場地，去除環(huán)境的干擾因素[10]。 選取四個時間段 5 s，15 s，30 s，60 s，每個時間點采樣10個樣本，然后將采集到的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇蛻舳?，并繪制出圖9所示的定位精度與時間的關(guān)系圖。

圖9 定位精度與時間的關(guān)系圖

從圖9可以得出，增加GPS定位時間，可以提高定位的精度和可靠度。當(dāng)定位時間為60 s時，定位精度基本維持在4 m，當(dāng)定位時間為30 s時，定位精度保持在5 m；當(dāng)定位時間為 15 s時，定位精度保持在 7～8 m，當(dāng)定位時間為5 s時，定位精度保持在9～10 m。這樣的定位誤差可以滿足包裹定位的要求。同時觀察得出，隨著定位時間的增加，定位誤差變化不是很大，因此本系統(tǒng)可以選擇一個合適的定位時間。

5.2 GPRS數(shù)據(jù)模塊調(diào)試

運行智能包裹終端控制器，采集GPS數(shù)據(jù)，然后通過GPRS模塊傳輸?shù)娇蛻舳?。同時將終端控制器通過USB轉(zhuǎn)串口連接電腦，電腦上打開串口調(diào)試工具。最后比較客戶端數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù) （圖10）和串口助手采集的GPS數(shù)據(jù)（圖11），數(shù)據(jù)完全一致。該GPS模塊運行安全穩(wěn)定，符合設(shè)計要求。

5.3 整體系統(tǒng)調(diào)試

圖10 客戶端數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)

圖11 串口助手采集的數(shù)據(jù)

將整個終端設(shè)備燒錄程序，安裝鋰電池，放在空曠的場地上，進行整體系統(tǒng)測試。打開終端設(shè)備電源開關(guān)，等待幾分鐘，讓系統(tǒng)完全啟動，然后運行客戶端登錄主界面后。點擊定位按鈕，程序?qū)鲃酉掳l(fā)命令查詢智能包裹終端的地理位置，此時終端的GPRS模塊數(shù)據(jù)燈閃爍，表示正在傳輸數(shù)據(jù)?？蛻舳藢⒔邮艿降姆祷財?shù)據(jù)進行處理后直接在地圖上顯示，界面會顯示包裹的溫濕度、車輛運行速度等信息。運行結(jié)果如圖12。

圖12 運行結(jié)果

6 結(jié)束語

本文實現(xiàn)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能包裹系統(tǒng)，它夠能實時監(jiān)測包裹的狀態(tài)。系統(tǒng)的硬件采用模塊化設(shè)計，GPS模塊和GPRS模塊高度集成，整個硬件具有體積小、攜帶方便等特點。系統(tǒng)的軟件采用低功耗設(shè)計，大部分狀態(tài)下CPU處于休眠，將系統(tǒng)設(shè)置為每隔10 min喚醒一次CPU或者接受到短信時喚醒CPU，每次工作大約2 min，以此降低電量的消耗。本文的下一步是優(yōu)化客戶端軟件，將客戶端分成服務(wù)器與客戶端兩部分，服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸和數(shù)據(jù)的存儲，而客戶端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的顯示。

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