面向智慧物流的多模車載網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計

陳紅芬何昭水吳宗澤陳文科.廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院　.華南理工大學(xué)電子信息學(xué)院

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面向智慧物流的多模車載網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計

陳紅芬1何昭水1吳宗澤2陳文科2
1.廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院2.華南理工大學(xué)電子信息學(xué)院

摘要：針對物流系統(tǒng)中存在的物流基礎(chǔ)設(shè)施的配套性、兼容性差，標準化建設(shè)滯后的問題，文章設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于GPS、GPRS、Zigbee技術(shù)的多模車載網(wǎng)關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)，搭建了一個由手機實時監(jiān)控終端和貨物安全公共服務(wù)平臺組成的安全運輸監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)。詳細設(shè)計了車載網(wǎng)關(guān)和WSN的硬、軟件模塊的功能和實現(xiàn)方法。本文所設(shè)計的系統(tǒng)通過在相關(guān)項目中的實際應(yīng)用得到了充分驗證，有效地確保物流貨物和運輸車輛的在途安全監(jiān)管。

關(guān)鍵字：智慧物流 車載載關(guān) WSN GPS GPRS Zigbee

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，智慧物流也進入全面發(fā)展階段。智慧物流將新一代信息技術(shù)應(yīng)用于物流業(yè)中，實現(xiàn)物流的自動化、可視化、可控化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化，從而提高資源利用率和生產(chǎn)力水平的創(chuàng)新服務(wù)模式。智慧物流的概念早在2009年就已經(jīng)提出，物聯(lián)網(wǎng)是智慧物流系統(tǒng)的基礎(chǔ)，結(jié)合運輸技術(shù)和物流管理將有助于改善顯著的物流服務(wù)。目前，國內(nèi)外對智慧物流也開始大規(guī)模廣泛的研究，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、北京郵電大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)以及無錫市國家傳感網(wǎng)信息中心等科研院所及高校對物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)及軟硬 件開發(fā)進行了相關(guān)的研究。沈蘇彬等人從信息物品自主網(wǎng)絡(luò)智能應(yīng)用3個維度提出了一個物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)。Zonghua Gu； Zhu Wang等開發(fā)出一種基于虛擬化技術(shù)的軟件平臺。Tan-Hsu Tan，Munkhjargal Gocho等提出一種基于傳感器裝置，網(wǎng)絡(luò)攝像頭，2.4GHz ISM頻段RF模塊，ZigBee，GPS，谷歌地圖和WiMAX移動網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的實時交通信息的RTIEMS 系統(tǒng)。Reddy ， A.V.D.G. ；Dhadyalla， G等提出一種基于CAN系統(tǒng)產(chǎn)品各自為政的關(guān)鍵問題，比如GPS定協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)的藍牙。目前市場上已經(jīng)運行的一些物流信息化系統(tǒng)，存在智慧物流標準體系不統(tǒng)一、車載位系統(tǒng)、電子關(guān)鎖、胎壓監(jiān)控、物品 （如食品和?；罚顟B(tài)監(jiān)控等，迫切需要有效的將車載系統(tǒng)統(tǒng)一起來，建立統(tǒng)一、完善的智慧物流標準體系。本文實現(xiàn)了基于GPS、GPRS、Zigbee技術(shù)的多模車載網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，有效的改善了物流信息采集問題，使得現(xiàn)代物流過程的可見性明顯增加。適合于物流運輸?shù)脑谕颈O(jiān)控、倉儲管理等環(huán)境，比如民用物流中包括食品、?；?、冷藏品、液體的運輸，槽罐車、集裝箱等，甚至在軍事物流中也可發(fā)揮著重要作用。該系統(tǒng)構(gòu)建物流運輸車載網(wǎng)關(guān)及WSN，搭建物流安全公共服務(wù)平臺，通過實時采集和傳輸各類貨物在途狀態(tài)及運輸車輛及儲運設(shè)備的運行信息、狀態(tài)信息和定位數(shù)據(jù)，確保貨物在途安全監(jiān)管和運輸車輛安全監(jiān)管。

1　車載網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)架構(gòu)

整個智慧物流系統(tǒng)以車載網(wǎng)關(guān)終端和WSN為核心部分，WSN負責(zé)實時采集車載無線傳感自組網(wǎng)的運輸車輛的貨物信息，通過同步定位衛(wèi)星實時獲取車輛的定位信息，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將信息實時發(fā)送到遠程管理后臺服務(wù)器，建立了一個由手機實時監(jiān)控終端和貨物安全公共服務(wù)平臺組成的安全運輸監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)。系統(tǒng)可以分為感知層、傳輸層、應(yīng)用層三個層次。感知層各類傳感器自組織成為一個WSN，主要解決傳感器數(shù)據(jù)的采集問題。其關(guān)鍵技術(shù)是Zigbee的組網(wǎng)技術(shù)。傳輸層通過現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)建立起來的，綜合利用現(xiàn)有的移動通信網(wǎng)，使用3G/4G、GPRS等通信技術(shù)，實現(xiàn)感知網(wǎng)與通信網(wǎng)的結(jié)合，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠距離傳輸。傳輸層的關(guān)鍵技術(shù)是長距離無線通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。應(yīng)用層主要解決信息數(shù)據(jù)的處理和服務(wù)提供的問題。感知層是智慧物流系統(tǒng)發(fā)展和應(yīng)用的基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)層是智慧物流系統(tǒng)發(fā)展和應(yīng)用的先決條件，應(yīng)用層是智慧物流系統(tǒng)發(fā)展和應(yīng)用的重要目的。

2　車載網(wǎng)關(guān)設(shè)計

2.1車載網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計

車載網(wǎng)關(guān)硬件部分，車載網(wǎng)關(guān)終端的總體結(jié)構(gòu)包括MDK1808核心板模塊，交互模塊、 GPS模塊、GPRS模塊、藍牙模塊、Zigbee模塊，電源模塊。

MDK1808核心板模塊采用ARM主控芯片，植入嵌入式linux系統(tǒng)，負責(zé)協(xié)調(diào)各模塊數(shù)據(jù)處理。交互模塊實現(xiàn)實時顯示集裝箱內(nèi)貨物以及車輛的各種狀態(tài)信息，并可通過所述觸摸屏進行指令輸入，實現(xiàn)對該運輸車輛及貨物的安全監(jiān)控。GPS模塊實現(xiàn)實時獲取到車輛所在的經(jīng)緯度等地理位置信息，并可以獲取到車輛的運行速度等附加信息。GPRS模塊實現(xiàn)將所述的這些地理位置信息上傳到后臺服務(wù)器，使后臺人員和車輛管理人員可以實時了解車輛位置 狀況，并進一步對車輛進行行駛路線的軌跡記錄。藍牙模塊實現(xiàn)對終端與車輛自身診斷系統(tǒng)的互聯(lián)，使得司機可以實時了解車輛自身的各種狀態(tài)信息，實現(xiàn)對車輛自身狀態(tài)的監(jiān)控。Zigbee模塊作為WSN 網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點，用來接收WSN中路由節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)過來的各種傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)對車輛貨物狀態(tài)的獲取和監(jiān)控。通過技術(shù)集成創(chuàng)新，將創(chuàng)造性地實現(xiàn)車載貨物在途安全狀態(tài)的全方位監(jiān)測與跟蹤，確保車載貨物貨物運輸安全，配套以緊急事件應(yīng)急處理機制，從而可極大地減少和避免事故的發(fā)生，避免生態(tài)災(zāi)難，確保車載貨物運輸與環(huán)境安全。

2.2車載網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計

本文中系統(tǒng)采用Linux開源操作系統(tǒng)，是一種采用模塊化設(shè)計的系統(tǒng)。在此只保留了必須的功能模塊，刪除了冗余模塊，并對內(nèi)核重新編譯，從而使系統(tǒng) 運行所需的硬件資源顯著減少。Linux系統(tǒng)內(nèi)核集成 了大量的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，支持全部的標準Internet協(xié)議和技術(shù)，因此將其應(yīng)用到智慧物流系統(tǒng)的設(shè)計，具有代碼量小、運行消耗資源少、可靠性高、開發(fā) 周期短等優(yōu)點，適用于系統(tǒng)信息采集和傳輸要求。

本文選用可移植性強的 GUI應(yīng)用程序QT，系統(tǒng)應(yīng)用程序底層基于qextserialport類，實現(xiàn)了關(guān)于串口參數(shù)初始化，串口讀寫等操作。GPS數(shù)據(jù)解析、OBD數(shù)據(jù)解析、Zigbee數(shù)據(jù)解析這3個模塊是應(yīng)用程序的中間部分，主要是根據(jù)各自的協(xié)議來對從串口讀取出來的數(shù)據(jù)進行解析，或者按照各自的協(xié)議通過串口發(fā)送命令對該模塊進行控制。Upload程序主要用于將下層獲得的數(shù)據(jù)根據(jù)制定好的與后臺服務(wù)器的通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)封裝，然后發(fā)送到遠程服務(wù)器端。

2.2.1GPS定位解析

GPS接收機根據(jù) NMEA-0183協(xié)議的標準規(guī)范，將位置、速度等信息通過串口發(fā)送到MDK1808核心板。NMEA-0183是以語句形式發(fā)送數(shù)據(jù)的，接收機可能發(fā)送很多類型的語句，包括$GPGGA、$GPGLL、$GPVTG、$GPGSA、$GPRMC等信息，在這里，我們只需對$GPRMC語句進行解析以獲得時間、經(jīng)緯度、速度、方位等主要信息。

該語句為： $GPGGA，053152，3957.7484，N，11626.7626 ，E，1，06， 1.5，88.1，M，-8.0，M，，*64 其中“$”為語句起始標志，“，”為域分隔符， “*”為校驗和識別符，其后面的兩位數(shù)為校驗和，代 表了“$”和“*”之間所有字符的按位異或值。

本系統(tǒng)讀取串口是使用定時器查詢（T=300ms） 讀取的方式，所有不能保證每一次都將所有的信息 （GPS模塊每一秒鐘傳輸過來的數(shù)據(jù)信息）完整地讀 取出來，或者由于信號不好導(dǎo)致收到的信息不全。為保證數(shù)據(jù)的完整性，在獲取該語句信息時，檢測 $GPRMC字符判斷語句頭，一直到換行回車結(jié)束一條語句，若無$GPRMC則丟棄，再利用字符串比較和顯示格式的變換對語句進行解析獲得需要的信息。

最后，為了確保所采集的GPS數(shù)據(jù)的可靠性，必須 進行檢驗和的計算與比較。若不同，按出錯處理， 并繼續(xù)運行；若相同，則說明通訊成功，數(shù)據(jù)接收 正確，可以處理該語句，提取所需數(shù)據(jù)。

2.2.2 GPRS無線通信

GPRS模塊的啟動包括初始化和聯(lián)網(wǎng)兩個部分。 GPRS的初始化需要檢查GPRS模塊是否正常工作，關(guān)閉回顯功能，檢查SIM卡能否正常工作和配置 APN參數(shù)。這可以用過ARM的UART發(fā)送AT指令來控制GPRS模塊的啟動。GPRS的聯(lián)網(wǎng)需要完成GPRS 模塊信號強度查詢，設(shè)置GPRS通信的用戶名、密碼， 以及設(shè)置TCP/IP連接對象的IP地址和端口號。

Linux下使用pppd通過GPRS撥號上網(wǎng)，如果撥號成功，將生成一個新的默認網(wǎng)絡(luò)接口ppp0，并自動為ppp0分配一個IP地址。GPRS的TCP/IP數(shù)據(jù)包具有固定的格式。

本系統(tǒng)上位機界面程序基于Qt庫中 的網(wǎng)絡(luò)通信QtNetwork類實現(xiàn)。當GPRS模塊成功之后，服務(wù)器會返回信號，收到信息后，把需要發(fā)送的數(shù)據(jù)信息按照數(shù)據(jù)格式寫入，傳輸IP數(shù)據(jù)包。

2.2.3Zigbee模塊

WSN采用樹形拓撲結(jié)構(gòu)，從Zigbee網(wǎng)絡(luò)配置上講，其組網(wǎng)節(jié)點分為：終端節(jié)點、路由節(jié)點、中心節(jié)點。中心節(jié)點負責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立、網(wǎng)絡(luò)地址的分配以及接收路由節(jié)點和終端節(jié)點發(fā)送來的信息，是整個WSN的核心，一直處于工作狀態(tài)。路由節(jié)點負責(zé)傳送數(shù)據(jù)和控制信息，定期發(fā)送信標，使網(wǎng)內(nèi)節(jié)點 能做到很好的同步，便于節(jié)點定期進入休眠狀態(tài)，降低功耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。終端節(jié)點完成在每隔一段時間采集一次數(shù)據(jù)；接收車載網(wǎng)關(guān)發(fā)送過來的命令，并做出相應(yīng)的動作。中心節(jié)點負責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立和初始參數(shù)設(shè)定，網(wǎng)絡(luò)都可以通過Zigbee路由節(jié)點進行擴展，通過串口線連接待配置設(shè)備，可以配置設(shè)備類型為Zigbee 終端設(shè)備、路由設(shè)備、協(xié)調(diào)器設(shè)備和點對點透傳設(shè)備；可以配置入網(wǎng)參數(shù)，比如PANID值、信道、網(wǎng)絡(luò)模型、網(wǎng)絡(luò)層次等；可以配置傳感器發(fā)送周期，使各傳感器通道數(shù)據(jù)可以同一周期發(fā)送，也可以不相同周期發(fā)送等。部具體函數(shù)如下：

PANID設(shè)置函數(shù)：

ZDO_NetworkDiscoveryConfirmCB（）；

信道設(shè)置函數(shù)：

macRadioSetChannel（）；

傳感器發(fā)送周期函數(shù)：

afStatus_t AF_DataRequest（）；

Zigbee模塊作為WSN網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點，通過軟串口與MDK1808核心板連接，讀取串口數(shù)據(jù)，解析Zigbee數(shù)據(jù)包并發(fā)送信號。該模塊查詢參數(shù)設(shè)置如下：信號發(fā)射周期T=100ms，采用Polling查詢模式，波特率為115200bps。

2.2.4數(shù)據(jù)上傳格式

上傳數(shù)據(jù)到后臺需要實現(xiàn)將傳感器信息、GPS信息和藍牙獲取信息等其他需要采集的信息重寫，實現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換。協(xié)議內(nèi)容即各個傳感器的數(shù)據(jù)，依據(jù)實際的傳感個數(shù)和種類為準，本文研究中，傳感器包括溫度傳感器、液位傳感器、壓力傳感器、真空度傳感器、門開關(guān)五類。

數(shù)據(jù)內(nèi)容中，報警標識位為2字節(jié)，高位字節(jié)從低位bit0、bit1、bit2 、bit3、bit4分別標示溫度、壓力、液位、真空度、門開關(guān)五種傳感器的上限報警情況，此位為1表示該傳感器出現(xiàn)上限報警，為0表示該傳感器檢測值正常。

3　WSN設(shè)計

在硬件設(shè)計方面，三類Zigbee節(jié)點的設(shè)計相同，根據(jù)集裝箱貨物運輸?shù)沫h(huán)境，合理的設(shè)計和布置終結(jié)點，使得傳感器可以有效的采集信息。

WSN硬件架構(gòu)包括各類傳感器接口、通信接口、 Zigbee RF模塊、開關(guān)控制電路、電源模塊、按鍵、指示燈等。傳感器接口設(shè)計成一個可通用的具有4個物理引腳的連接接口，用戶可通過上位機軟件端設(shè)置邏輯采集量，每個接口都與開關(guān)電路相接，實現(xiàn)接口供電的接通和斷開。Zigbee RF模塊采用TI公司的CC2530F256作為主控芯片，集成有射頻模塊，具有無線發(fā)送接收功能，完成上位機指令或數(shù)據(jù)接收、模擬量傳感器AD轉(zhuǎn)換、信號調(diào)理、開關(guān)控制電路的控制。通信接口電路采用一般的RS485/232串口通信電路。電源模塊包括內(nèi)部多規(guī)格電壓和外部供電，內(nèi)部由電池組組成。當使用外部電源輸入時，將添加過壓TVS保護電路，外部電源經(jīng)過 AMS1117-3.3V芯片轉(zhuǎn)換成3.3V給內(nèi)部電路供電。開關(guān)控制電路采用晶體管元件、濾波電阻電容電路，控制傳感器的電源通斷和接口使能。在軟件設(shè)計中，需要將終端模塊中的CC2530的設(shè)備類型配置成網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點，路由模塊中的 CC2530的設(shè)備類型配置成網(wǎng)絡(luò)路由器節(jié)點，將中心協(xié)調(diào)模塊的CC2530的設(shè)備類型配置成網(wǎng)絡(luò)中心協(xié)調(diào)節(jié)點。任意箱體內(nèi)的節(jié)點都可作為終端節(jié)點與數(shù)據(jù) 中轉(zhuǎn)節(jié)點通過串口進行通信，來搜集網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點的數(shù)據(jù)。具體的配置方法如2.2.3節(jié)所述。

4　測試結(jié)果及分析

4.1車載網(wǎng)關(guān)終端測試

基于上述系統(tǒng)的設(shè)計，在LCD顯示屏中可以顯示傳感器的信息、網(wǎng)絡(luò)連接信息、GPS定位信息。

4.2Android手機客戶端軟件測試

Android手機客戶端是通過藍牙與安裝在車上的 車載網(wǎng)關(guān)終端連接，實現(xiàn)了實時讀取車載網(wǎng)關(guān)終端上的傳感器信息，基于Google地圖上顯示車輛的位置信息?；谒{牙的手機客戶端主要包括登陸，數(shù)據(jù)顯示和設(shè)置三部分。 登陸部分包括選擇通信方式，藍牙檢測和安卓登陸三個頁面。通信方式有“本地藍牙”和“遠程服務(wù) 器”兩種?！氨镜厮{牙”表示將通過藍牙與安裝在車輛上的車載網(wǎng)關(guān)終端進行通信?！斑h程服務(wù)器”作為與后臺服務(wù)器通信的預(yù)留方式，還未實現(xiàn)。選擇“本地 藍牙”按鈕，程序會自動掃描可見的藍牙設(shè)備。

登錄安卓客戶端之后，就會進入數(shù)據(jù)顯示部分。數(shù)據(jù)顯示主要有傳感器數(shù)據(jù)顯示，和地圖顯示兩部分組成。默認以列表的形式顯示當前傳感器的數(shù)據(jù)。點擊此頁面左上方的“歷史曲線”按鈕，就能以曲線圖的形式顯示傳感器的歷史數(shù)據(jù)。歷史信息頁面中，可以選擇要顯示的傳感器數(shù)據(jù)，當通過下方選擇框選擇了傳感器類型時候，就能顯示相應(yīng)的傳感器數(shù)據(jù)的歷史曲線。點擊界面下方的“地圖”按鈕，就能進入地圖顯示頁面，顯示車輛現(xiàn)在的位置信息。在軟件設(shè)置部分，點擊“設(shè)置”按鈕，可以進行賬號管理，設(shè)置數(shù)據(jù)的刷新頻率。

5　結(jié)束語

本文詳細介紹了系統(tǒng)車載網(wǎng)關(guān)和WSN核心部分 的設(shè)計，集成了GPS、GSM/GPRS、WSN、藍牙等 關(guān)鍵技術(shù)，并基于Linux/ Qt和Android程序開發(fā)，實現(xiàn)了物流車輛和貨物信息的實時安全可靠的采集與傳輸。該系統(tǒng)的實現(xiàn)為相關(guān)項目的產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)推廣提供了可靠保證，同時也為基于該系統(tǒng)的各種應(yīng)用研究提供了更加廣泛的發(fā)展空間。該系統(tǒng)具有良好的發(fā)展前景，也必將產(chǎn)生一定的經(jīng)濟價值和社會價值。

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