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        冷鏈運(yùn)輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的GPS與GPRS技術(shù)

        2013-01-18 12:03:56邊寶祥杜太行賈科進(jìn)
        電子設(shè)計(jì)工程 2013年2期
        關(guān)鍵詞:低功耗溫濕度冷鏈

        邊寶祥,杜太行,賈科進(jìn)

        (河北工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院,天津 300401)

        冷鏈物流是指肉類(lèi)、鮮奶等需要冷藏的食品,在生產(chǎn)、貯藏運(yùn)輸、銷(xiāo)售,到消費(fèi)前的各個(gè)環(huán)節(jié)中,始終處于規(guī)定的低溫環(huán)境下,以保證食品質(zhì)量,減少食品損耗的一項(xiàng)系統(tǒng)工程。文中提出了基于GPS和GPRS技術(shù)的冷鏈物流監(jiān)控系統(tǒng),解決了冷鏈車(chē)輛位置監(jiān)控、車(chē)內(nèi)信息查詢(xún)等問(wèn)題。GPS具有實(shí)時(shí)性、全天候、連續(xù)、快速、高精度的特點(diǎn),結(jié)合GPRS技術(shù)運(yùn)用到冷鏈監(jiān)控行業(yè)給其帶來(lái)一場(chǎng)實(shí)質(zhì)性的轉(zhuǎn)變。使用GPRS實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分組發(fā)送和接收,用戶(hù)永遠(yuǎn)在線且按流量、時(shí)間計(jì)費(fèi)、服務(wù)成本低。因此,冷鏈物流應(yīng)用 GPS,GPRS[1-4]進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控是可行的。

        1 系統(tǒng)總體方案

        本系統(tǒng)主要由檢測(cè)與監(jiān)控單元、中央控制與信息處理系統(tǒng)兩部分組成。 其中,檢測(cè)與監(jiān)控單元包括溫濕度采集、數(shù)據(jù)匯傳等兩種模塊。它們之間的通信采用無(wú)線射頻方式。數(shù)據(jù)匯傳模塊把溫濕度信息、冷鏈車(chē)輛所在的地理信息等通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給中央控制與信息處理系統(tǒng)。中央控制與信息處理系統(tǒng)包括“通信數(shù)據(jù)處理軟件”、“數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器”、“系統(tǒng)管理軟件”、“用戶(hù)仿真”4部分構(gòu)成?!巴ㄐ艛?shù)據(jù)處理軟件”負(fù)責(zé)與GPRS通信,按照通信協(xié)議的要求收發(fā)數(shù)據(jù),把數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中;并在檢測(cè)到觸發(fā)預(yù)設(shè)值時(shí),通過(guò)GPRS模塊短信或語(yǔ)音報(bào)警?!皵?shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器”存儲(chǔ)各種模塊的歷史數(shù)據(jù)、用戶(hù)信息等內(nèi)容,并提供用戶(hù)查詢(xún)功能;“系統(tǒng)管理軟件”安裝在系統(tǒng)管理員計(jì)算機(jī)或特許用戶(hù)計(jì)算機(jī)上,系統(tǒng)管理員可以指定特約用戶(hù)的權(quán)限。系統(tǒng)管理員或特許用戶(hù)可根據(jù)不同的權(quán)限,對(duì)不同范圍的檢測(cè)與傳輸單元進(jìn)行相應(yīng)操作?!坝脩?hù)仿真”可以模擬委托冷鏈企業(yè)托運(yùn)的客戶(hù),對(duì)托運(yùn)物品進(jìn)行查詢(xún)功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架圖如圖1所示。

        2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

        2.1 溫濕度采集模塊

        溫濕度采集模塊采用3.2 V磷酸鐵鋰電池供電,無(wú)線射頻模塊、數(shù)字式溫濕度模塊均可正常工作,充電方式為USB接口。它以超低功耗單片MSP430F149為核心,在0~15℃時(shí)使用PT1000測(cè)量溫度,配合高增益運(yùn)放,測(cè)量精度為0.1℃,其他區(qū)間的溫度和濕度均使用數(shù)字式溫濕度傳感器SHT75測(cè)量。數(shù)據(jù)傳輸部分采用射頻模塊APC240,它具有低功耗、多模式工作、可修改信道等優(yōu)點(diǎn)。此外,每個(gè)溫濕度模塊出廠時(shí)均帶有唯一的設(shè)備編號(hào),編號(hào)為24位二進(jìn)制碼,容納40多億終端采集節(jié)點(diǎn),足夠量產(chǎn)。采集模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

        圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架圖Fig.1 System design frame diagram

        圖2 采集模塊結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Acquisition module structure diagram

        2.2 數(shù)據(jù)匯傳模塊最小系統(tǒng)

        數(shù)據(jù)匯傳模塊實(shí)現(xiàn)接收中央控制與信息處理系統(tǒng)發(fā)來(lái)的指令、完成與采集模塊的組網(wǎng),接收采集模塊的數(shù)據(jù)、GPS定位等功能。它以低功耗嵌入式處理器STM32F103為核心,采用2.8 V模擬與數(shù)字電壓供電。外部晶振分別采用32.768 k和8 MHz,以便在不同工作模式下進(jìn)行選擇。啟動(dòng)模式選擇為嵌入式 SRAM 啟動(dòng),即[BOOT0:BOOT1]=[1:1],方便下載調(diào)試。復(fù)位電路由阻容電路組成,按下SW-PB產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。匯傳模塊最小系統(tǒng)硬件電路圖如圖3所示。

        2.3 GPS接口電路

        圖3 匯傳模塊最小系統(tǒng)Fig.3 Collection module minimum system

        該電路的作用是接收GPS傳回的數(shù)據(jù),保存到處理器存儲(chǔ)單元,處理后等待GPRS發(fā)送。GPS部分使用臺(tái)灣產(chǎn)SiRFstarIII系列模塊ST_200,供電電壓3~6 V,最大工作電流26 mA;定位時(shí)間:熱啟動(dòng)(<1 s)、暖啟動(dòng)(<35 s)、冷啟動(dòng)(<42 s);定位精度:-159 dBm。GPS模塊通過(guò)GPS_TXD向MCU傳回定位數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)格式遵循NMEA 0183協(xié)議[5],在程序中從一條有效的$GPRMC語(yǔ)句中得到定位的時(shí)間(UTC時(shí)間)、緯度、經(jīng)度、海拔、速度、方向等信息。圖4為調(diào)試GPS模塊時(shí)得到的定位數(shù)據(jù)及其他信息顯示。

        圖4 GPS模塊傳回的數(shù)據(jù)Fig.4 GPSmodule return data

        系統(tǒng)默認(rèn)GPS為關(guān)閉狀態(tài),以降低功耗,使用前需通過(guò)指令使GPS_ON=1;串口波特率選擇9 600。圖5為GPS接口電路硬件連接圖。

        圖5 GPS接口電路Fig.5 GPSinterface circuit

        2.4 GPRS接口電路

        該電路的作用是通過(guò)GPRS模塊[6]接收服務(wù)器的指令,并發(fā)送冷鏈車(chē)輛的位置、車(chē)內(nèi)溫濕度等信息。GPRS模塊使用SIM900A芯片,它采用功能強(qiáng)大的ARM926EJ-S芯片處理器,屬于雙頻GSM/GPRS模塊,完全采用SMT封裝形式,工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口(GPIO、SPI、COM 口、I2C、音頻接口等),工作頻率為GSM/GPRS 900/1 800 MHz,可以低功耗實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸。MCU通過(guò)串口使用AT指令完成數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程[7]。其硬件接口電路如圖6所示。

        SIM卡(Subscriber Identity Module客戶(hù)識(shí)別模塊)使用標(biāo)準(zhǔn)卡尺寸,本系統(tǒng)使用GPRS包月流量套餐,降低成本。

        圖6 GPRS硬件接口電路Fig.6 GPRShardware interface circuit

        3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

        本系統(tǒng)的軟件包括數(shù)據(jù)的采集與處理和信息服務(wù)平臺(tái)兩部分。其中,數(shù)據(jù)采集與處理部分的程序分別是在μVision4和EW430編譯環(huán)境下使用C語(yǔ)言編寫(xiě),它實(shí)現(xiàn)監(jiān)控信息的采集、傳輸與簡(jiǎn)單處理,信息服務(wù)平臺(tái)是在Windows 2003的Microsoft Visual Studio.NET開(kāi)發(fā)環(huán)境下,采用C#編寫(xiě),它實(shí)現(xiàn)不同權(quán)限用戶(hù)對(duì)信息的查詢(xún)與參數(shù)設(shè)定等功能。

        在軟件設(shè)計(jì)中,服務(wù)器首先完成自身的初始化,然后發(fā)送系統(tǒng)組網(wǎng)指令,組網(wǎng)完成后配置系統(tǒng)各硬件參數(shù),采集冷藏車(chē)的溫濕度及位置等信息,經(jīng)處理后存儲(chǔ)。隨后根據(jù)不同權(quán)限用戶(hù)的訪問(wèn),進(jìn)入不同的服務(wù)系統(tǒng),可完成采集數(shù)據(jù)、定位信息實(shí)時(shí)顯示,打印報(bào)表等功能。具體軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。

        圖7 軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.7 Software design flow chart

        4 應(yīng)用測(cè)試

        該遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)用于測(cè)量冷藏車(chē)的現(xiàn)場(chǎng)信息,并對(duì)發(fā)車(chē)信息進(jìn)行管理。在進(jìn)行應(yīng)用測(cè)試時(shí),首先安裝服務(wù)器應(yīng)用軟件,以管理員身份設(shè)置好系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù),包括不同用戶(hù)的權(quán)限,然后將所有采集模塊和匯傳模塊上電,并將其置于臨近位置的相同的環(huán)境下測(cè)試應(yīng)用軟件,最后改變采集模塊的位置和所處環(huán)境測(cè)試硬件系統(tǒng),將得到的結(jié)果與理論值進(jìn)行比較,并將結(jié)果進(jìn)行顯示。圖8為車(chē)輛GPS定位地圖。實(shí)際應(yīng)用表明,該測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠。

        5 結(jié) 論

        該遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用高性能服務(wù)器配以超低功耗MCU為核心的溫濕度采集與車(chē)輛定位微型模塊作為其硬件平臺(tái),安裝簡(jiǎn)便,可長(zhǎng)期穩(wěn)定工作;軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想,提高了系統(tǒng)的可靠性和維護(hù)性。該系統(tǒng)已在某冷鏈企業(yè)進(jìn)行運(yùn)營(yíng)測(cè)試,實(shí)際應(yīng)用表明該系統(tǒng)具有采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠、人機(jī)界面友好等特點(diǎn),達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

        圖8 車(chē)輛GPS定位地圖Fig.8 Vehicle GPSlocation map

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