滕志軍，張明儒，郭素陽(yáng)，許建軍

（東北電力大學(xué) 信息工程學(xué)院，吉林 132012）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，物流行業(yè)迅速興起，而與此同時(shí)，貨物跟蹤間斷性明顯，貨物不能準(zhǔn)確進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，尤其運(yùn)輸貴重物品或具有危險(xiǎn)性物品時(shí)，使得在運(yùn)輸過程中物品丟失或有毒氣體泄露，事發(fā)之后難以判定責(zé)任，這對(duì)國(guó)家和人民生活財(cái)產(chǎn)造成極大的威脅[1]。另外，傳統(tǒng)的定位系統(tǒng)主要依賴于國(guó)外。針對(duì)上述問題，本文提出的物流跟蹤體系采用北斗定位系統(tǒng)，不但能夠全天候、高精度和快速提供導(dǎo)航定位和通信服務(wù)而且打破定位系統(tǒng)主要依賴于國(guó)外的局面。北斗定位系統(tǒng)可在車輛偏離預(yù)定路徑、發(fā)生盜搶和出現(xiàn)交通事故等意外情況下，支持車輛位置及相關(guān)情況的報(bào)告，實(shí)現(xiàn)精確、有效的全過程運(yùn)輸監(jiān)管[2]。高速發(fā)展的中國(guó)經(jīng)濟(jì)勢(shì)必拉動(dòng)物流產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，借助北斗衛(wèi)星定位優(yōu)勢(shì)，將極大促進(jìn)現(xiàn)代物流業(yè)更加智能化、信息化、人性化、多功能化和集成化[3]。

1 北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)簡(jiǎn)介

北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)是我國(guó)正在實(shí)施的自主研發(fā)、自主運(yùn)行的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)是采用主動(dòng)式雙向測(cè)距二維導(dǎo)航，地面中心控制系統(tǒng)解算，供用戶三維定位數(shù)據(jù)，通常情況下，一個(gè)地區(qū)有6顆左右北斗衛(wèi)星，但只有2顆北斗衛(wèi)星進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。北斗衛(wèi)星除具有定位功能外，還具有短報(bào)文通信功能。北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)與GPS一樣，也是由空間段、地面段和用戶段3部分組成?？臻g段包括靜止軌道衛(wèi)星和非靜止軌道衛(wèi)星，地面段包括主控站、注入站和監(jiān)測(cè)站等若干個(gè)地面站，用戶段包括北斗用戶終端以及與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端。2000年，首先建成北斗導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)，使我國(guó)成為繼美、俄之后的世界上第3個(gè)擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家，如今中國(guó)的衛(wèi)星研究取得了階段性成果[4]。截止到2014年11月3日，我國(guó)一共成功發(fā)送了16顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。北斗定位系統(tǒng)三維定位精度10 m，測(cè)速精度0.2 m/s，授時(shí)精度10 ns。與美國(guó)GPS應(yīng)用領(lǐng)域相類似，該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于測(cè)繪、電信、水利、漁業(yè)、交通運(yùn)輸、森林防火、減災(zāi)救災(zāi)和公共安全等諸多領(lǐng)域，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[5]。

2 物流車載終端系統(tǒng)架構(gòu)

車載終端設(shè)計(jì)的基本技術(shù)路線：北斗定位系統(tǒng)含有地理信息采集模塊（GIS），用來采集物流運(yùn)輸車的實(shí)時(shí)位置信息，實(shí)時(shí)位置信息的數(shù)據(jù)幀經(jīng)ARM處理器處理和存儲(chǔ)，以3G無線通信網(wǎng)絡(luò)為傳輸平臺(tái)，將車輛實(shí)時(shí)定位信息傳到物流調(diào)度中心，物流調(diào)度中心對(duì)收到的定位信息數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析，及時(shí)將定位信息反饋給客戶，同時(shí)將實(shí)時(shí)位置信息存儲(chǔ)在SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)，方便以后查找。現(xiàn)代物流監(jiān)控系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖如圖1所示[6-7]。如果貨物在運(yùn)輸過程中一旦丟失，行車軌跡回放后，可以方便用戶和物流調(diào)度中心查找原因，收集證據(jù)，盡可能給用戶減少不必要的損失。

圖1 物流監(jiān)控系統(tǒng)框架圖Fig.1 Car terminal logistics framework map

3 硬件設(shè)計(jì)

物流車載終端以基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)的ARM9為平臺(tái)，融合北斗定位技術(shù)和3G無線通信技術(shù)，用于采集物流運(yùn)輸車的實(shí)時(shí)定位信息，定位信息數(shù)據(jù)幀$BDRMC經(jīng)3G無線通信模塊傳輸?shù)轿锪髡{(diào)度中心。車載終端包括北斗定位模塊（內(nèi)含地理信息系統(tǒng)GIS）、3G無線通信模塊、電源模塊、存儲(chǔ)器和外圍電路等[8-10]。車載終端與物流調(diào)度中心之間的傳輸協(xié)議是TCP/IP，ARM通過串口通信接口UART1和UART2分別與北斗定位模塊、3G無線通信模塊進(jìn)行通信。物流車載終端組成框圖如圖2所示。

圖2 物流車載終端組成框圖Fig.2 Block diagram of the logistics vehicle terminal

嵌入式主控模塊ARM9采用S3C2440，該芯片是大容量片內(nèi)存儲(chǔ)器，它以3.3 V電壓供電，低功耗，寬電壓范圍，自帶視頻設(shè)備驅(qū)動(dòng)。它采用了被稱為高級(jí)微控制器總線架構(gòu) （AMBA）的新的總線架構(gòu)。16/32位RISC架構(gòu)和以ARM920T CPU為核心的強(qiáng)大的指令集，增強(qiáng)ARM架構(gòu)的MMU支持WinCE，EPOC32 和 Linux，指令緩存，數(shù)據(jù)緩存，寫緩沖和物理地址TAG RAM性能，以減少主內(nèi)存帶寬和延遲的效果。嵌入式主控模塊與北斗接收模塊、3G通信模塊之間采用異步串行通信，嵌入式主控模塊分別通過監(jiān)測(cè)UART1和UART2來接收北斗定位信息和3G無線通信模塊的短信息收發(fā)。

北斗衛(wèi)星定位模塊采用麥宏科技設(shè)計(jì)的UM220-III N。UM220-III N采用片上SoC（system on chip）芯片，該芯片具有雙系統(tǒng)、多頻率、高性能、低成本、低功耗等優(yōu)勢(shì)，能夠同時(shí)支持BD2 B1/GPS L1兩個(gè)頻點(diǎn)。可以在低功耗的情況下提供很高的靈敏度。能夠在各種情況下選擇適合的定位系統(tǒng)來方便自己定位。本模塊包含地理信息系統(tǒng)（GIS）采集模塊，物流運(yùn)輸車的實(shí)際位置信息都包含在幀$BDRMC結(jié)構(gòu)中，有固定的格式規(guī)范。該模塊波特率為 9600 b/s，數(shù)據(jù)位為 8 bit，停止位為 1 bit，無奇偶校驗(yàn)位，串口電壓是TTL低電平3.3 V。

3G無線通信模塊采用的是華為公司生產(chǎn)的MU509（UMTS/HSDPA 2100 MHz GSM/GPRS/EDGE 850/900/1800/1900 MHz）通訊模塊，是雙頻WCDMA工業(yè)級(jí)無線模塊，支持3.6 Mb/s下行速率；提供高質(zhì)量的語音、短信功能，F(xiàn)OTA功能，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，以及華為擴(kuò)展AT命令集。工作電壓范圍為3.3 V～4.2 V，MU509有8個(gè)wire UART。采用標(biāo)準(zhǔn)RS232串行接口，支持語音數(shù)據(jù)以及短消息（SMS）的接收、發(fā)送以及對(duì)短信的管理，支持TCP/IP，UDP/IP，PPP protocol通信協(xié)議。嵌入式ARM微處理器可以借助3G無線通信模塊強(qiáng)大的數(shù)據(jù)傳輸功能實(shí)時(shí)地進(jìn)行信息處理。MU509的數(shù)據(jù)輸入、輸出接口實(shí)際上是一個(gè)串口，它可以與S3C2440中的串口直接相連接。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 調(diào)用Google Maps API

由于谷歌地圖為開發(fā)人員設(shè)有地圖接口函數(shù)，因此在Qt下可直接調(diào)用接口函數(shù)來顯示地圖信息。在Qt下，使用webkit組件和Google Maps API來實(shí)現(xiàn)顯示物流運(yùn)輸車的實(shí)時(shí)位置信息的功能，在窗口中添加一個(gè)webview用于顯示電子地圖，調(diào)用setUrl（）函數(shù)，setUrl（QUrl（“http：//www.google.com”））。 用QThread實(shí)現(xiàn)多線程處理，通過串口UART1來接收北斗定位模塊的數(shù)據(jù)幀$BDRMC，并加以解析，最終獲得實(shí)時(shí)的經(jīng)緯度定位信息。

4.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)流程

嵌入式Linux操作系統(tǒng)的ARM應(yīng)用平臺(tái)，來實(shí)現(xiàn)信息處理以及各個(gè)模塊間的通信。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分為：應(yīng)用程序、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、嵌入式Linux內(nèi)核。系統(tǒng)中的信息獲取均采用中斷方式進(jìn)行，主程序只需要處理采集后的數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)總體流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖Fig.3 Overall system design flow chart

首先系統(tǒng)進(jìn)行初始化，嵌入式主控模塊通過調(diào)用串口分別與北斗定位模塊和3G無線通信模塊進(jìn)行串行通信，調(diào)用AT指令啟動(dòng)3G無線通信模塊并設(shè)置模塊參數(shù)，網(wǎng)絡(luò)開始撥號(hào)和PPT協(xié)商，車載終端與物流調(diào)度中心服務(wù)器建立網(wǎng)絡(luò)連接。啟動(dòng)北斗定位并設(shè)置模塊參數(shù)，程序通過中斷方式提取物流運(yùn)輸車定位信息數(shù)據(jù)幀$BDRMC保存在緩沖器buffer中。北斗定位信息經(jīng)3G無線模塊傳輸?shù)轿锪髡{(diào)度中心。物流調(diào)度中心檢測(cè)收到的控制指令，如果指令符合協(xié)議規(guī)范，通過UART2來完成數(shù)據(jù)交換，對(duì)收到的定位信息數(shù)據(jù)幀加以解析，及時(shí)將定位信息反饋給客戶。北斗定位模塊主要使用的函數(shù)：

車載終端與物流調(diào)度中心的連接通過TCP/IP協(xié)議完成，類似于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信里面的客戶端與服務(wù)器端的通信方式（C/S模式），即“三次握手”，首先車載終端向物流調(diào)度中心發(fā)送請(qǐng)求，物流調(diào)度中心確認(rèn)請(qǐng)求并且建立連接，這時(shí)車載終端才開始向調(diào)度中心發(fā)送定位信息的頭文件，調(diào)度中心確認(rèn)之后，開始發(fā)送文件體，最后車載終端請(qǐng)求斷開連接，物流調(diào)度中心確認(rèn)斷開連接，這時(shí)數(shù)據(jù)交換過程才結(jié)束。

5 測(cè)試結(jié)果及分析

硬軟件調(diào)試之后，定位系統(tǒng)從東北電力大學(xué)校園石頭樓開始進(jìn)行測(cè)試。系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行了測(cè)試目標(biāo)定位信息接收速率為1次/s，Qt界面以1 Hz頻率實(shí)時(shí)更新物流車輛的經(jīng)緯度信息。物流調(diào)度中心監(jiān)視器選用裝有Linux操作系統(tǒng)的筆記本電腦，Secure CRT遠(yuǎn)程控制Linux，波特率與北斗定位模塊同為9600 b/s，使用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的Qt顯示物流車輛實(shí)時(shí)定位信息。Qt界面在Windows下顯示，在石頭樓附近接收到的數(shù)據(jù)幀為$BDRMC，110912.000，A，4349.303805，N，12629.796685，E，0.472，166.584，物流車輛軌跡實(shí)時(shí)記錄衛(wèi)星地圖如圖4所示。經(jīng)過多次測(cè)試該系統(tǒng)，方案正確可行，系統(tǒng)穩(wěn)定，Qt界面能夠顯示車輛位置信息，延時(shí)誤差基本上是在2 s～5 s之間。由于物流運(yùn)輸車實(shí)際位置信息的傳輸是以3G為信息載體，在惡劣天氣、放學(xué)時(shí)學(xué)生較為集中的地方和3G盲區(qū)，信號(hào)受到一定的干擾，會(huì)有一定的延遲。

圖4 車輛軌跡實(shí)時(shí)記錄衛(wèi)星地圖Fig.4 Vehicle tracks recorded in real time satellite map

6 結(jié)語

物流車載終端以ARM9處理器為開發(fā)平臺(tái)，采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)，選用北斗定位模塊UM220-III來采集物流車的實(shí)時(shí)位置信息。車載終端經(jīng)過設(shè)計(jì)和調(diào)試，具有加載Google Maps、顯示經(jīng)緯度定位信息和車輛軌跡實(shí)時(shí)記錄等功能，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，延時(shí)較小。下一階段主要工作是降低系統(tǒng)檢測(cè)延時(shí)，以適應(yīng)高速行駛車輛的定位要求。

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