何友國，袁朝春

HE You-guo, YUAN Chao-chun

（江蘇大學 汽車工程研究院，鎮(zhèn)江 212013）

0 引言

長期以來，我國的冷鏈運輸技術落后，以農產品為例，果蔬、肉類、水產品流通腐損率分別達到20%～30%、12%、15%，僅果蔬一類每年損失就達到1000億元以上[1]。其主要原因是我國在冷鏈運輸中缺乏對冷藏車廂內溫濕度進行控制，無法為易腐食品提供合理的溫濕度保障。針對冷藏車監(jiān)控問題，國內外一些研究機構和高校都進行了相應的研究并開發(fā)出了相應的產品。文獻[2]提出了一種肉品冷鏈物流監(jiān)控與調度解決方案，應用物聯(lián)網技術，集成GIS/GPS技術，開發(fā)了GIS物流監(jiān)控系統(tǒng)和溯源查詢系統(tǒng)。文獻[3]設計了一種基于通用分組無線業(yè)務(GPRS)技術的冷鏈物流實時監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對箱內溫度和行車軌跡的實時監(jiān)控和報警。文獻[4]基于CC2530開發(fā)了一種冷藏車智能無線傳感器節(jié)點，實現(xiàn)了對冷藏車進行實時監(jiān)控。文獻[5]基于RFID、GPS和GPRS技術設計了一種農產品冷鏈物流監(jiān)控系統(tǒng)，可實時監(jiān)控生鮮食品的溫度參數(shù)，確保貨物在運輸過程中始終保持在一個安全的條件下。文獻[6]提出了以無線傳感器網絡與云計算相結合來監(jiān)控冷鏈物流的方法，在環(huán)境中的感知實體收集數(shù)據(jù)，并連接到云平臺，實現(xiàn)了一種理想的冷鏈物流系統(tǒng)。文獻[7]針對醫(yī)藥冷鏈物流體體系自動化和信息化的問題，將物聯(lián)網、云計算等新技術與醫(yī)藥冷鏈物流相結合，構建了基于云計算的智能醫(yī)藥冷鏈物流體系。文獻[8]將ZigBee、GPRS和RFID引入溫度控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)了溫度的在線監(jiān)控和智能控制。

從現(xiàn)有文獻來看，國內外學者對冷藏車監(jiān)控系統(tǒng)做了大量研究，已取得了很好的效果。但目前多數(shù)冷藏車監(jiān)控系統(tǒng)采用的都是基于無線通信方式傳輸數(shù)據(jù)，雖然省去了布線環(huán)節(jié)，但由于每一個溫度采集點都需要增加無線傳輸模塊，增加了整個系統(tǒng)成本。另外，目前冷藏車監(jiān)控系統(tǒng)對于濕度監(jiān)控較少，而濕度也是影響冷藏車運輸貨物質量的關鍵因素。即使有溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，其溫濕度傳感器都是分離的，對于多個監(jiān)控點來說也增加了系統(tǒng)成本。因此，本文設計了一種基于SIM908的冷藏車箱內溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)，克服了上述缺陷，實現(xiàn)了單總線上溫濕度集中采集，并且進行了實車測試，測試結果表明，本系統(tǒng)具有良好的實時性、穩(wěn)定性，可以獲得良好的冷藏車箱內溫濕度監(jiān)測效果。

1 系統(tǒng)總體設計

冷藏車箱內溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)由車載終端和遠程監(jiān)控系統(tǒng)組成。車載終端以STC12C5A60S2單片機為主控制器，以集成式數(shù)字溫濕度模塊AM2301作為傳感器，利用SIM908通信模塊實現(xiàn)GPS定位和GPRS遠程無線通信。遠程監(jiān)控系統(tǒng)由VC++6.0和SQL server2005數(shù)據(jù)庫聯(lián)合開發(fā)而成，能夠實現(xiàn)對車載終端信息的顯示和保存，并能夠通過GPS信息在百度地圖上顯示冷藏車位置。系統(tǒng)結構如圖1所示。

車載終端由主控制器、AM2301傳感器、SIM908通信模塊組成。主控制器負責各個采集點溫濕度數(shù)據(jù)的采集，并通過GPRS網絡將冷藏車內各點溫濕度數(shù)據(jù)、冷藏車位置信息傳送給遠程監(jiān)控系統(tǒng)。各個采集點采用集成式數(shù)字溫濕度傳感器AM2301，采用單總線通信方式，各個傳感器掛接在單總線上，由主控制器控制溫濕度采集和數(shù)據(jù)的讀取。SIM908通信模塊負責采集冷藏車GPS信息和GPRS無線通信。遠程監(jiān)控系統(tǒng)負責接收車載終端發(fā)送的冷藏車冷箱內各點溫濕度數(shù)據(jù)、冷藏車位置信息，對這些信息進行存儲和顯示，同時，將冷藏車的位置顯示在百度地圖上，實現(xiàn)對冷藏車箱內溫濕度及冷藏車位置進行實時監(jiān)控的功能。

圖1 系統(tǒng)結構圖

圖2 主控電路

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 主控電路

STC12C5A60S2單片機是宏晶科技生產的單時鐘/機器周期（1T）的單片機，是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8～12倍。因此車載終端采用STC12C5A60S2單片機作為主控制器，主控電路如圖2所示。

由圖2可知，主控電路主要由主控制器電路、電源電路、傳感器接口電路組成。

1）主控制器電路

圖2 中P 2 接 口 與各個數(shù)字溫濕度傳感器A M 2 3 0 1 相連，通過單總線結構讀取每一個傳感器的溫濕度信息，由P2.4完成單總線通信。圖2中GPS-TXD、GPS-RXD與SIM908模塊的GPS串口相連，接收和解析SIM908模塊輸出的GPS信息。圖2中TXD、RXD與SIM908模塊的GPRS串口相連，通過AT指令實現(xiàn)GPRS通信。為了實現(xiàn)在線編程，這里采用拔碼開關S2進行切換，當下載程序時，撥動拔碼開關使TXD、RXD與ISP相連，進行程序在線編程，當程序運行時，拔碼開關使TXD、RXD與SIM908模塊的GPRS串口相連，進行GPRS通信。通過P3.5口控制蜂鳴器，實現(xiàn)冷藏車箱內溫濕度異常報警。冷藏車箱內各點溫濕度信息、溫濕度異常報警信息和冷藏車位置信息通過GPRS網絡傳輸給遠程監(jiān)控系統(tǒng)，遠程監(jiān)控系統(tǒng)對所有車載信息進行保存和數(shù)據(jù)分析。

2）電源電路

由SIM908模塊的數(shù)據(jù)手冊可知，SIM908模塊供電電壓為4.3V，最大瞬時電流2A，采用車載12V電池作為系統(tǒng)的輸入電壓。考慮到車載電池電壓輸出不穩(wěn)定及SIM908輸入電流最大達2A，這里選用德州儀器生產的3A電流輸出降壓開關型集成穩(wěn)壓芯片片LM2596S-5.0，該芯片輸入電壓范圍5V～40V，最大輸出電流可達3A，具有完善的保護電路。圖2中P1接車載電池，經穩(wěn)壓芯片LM2596穩(wěn)壓后輸出5V，考慮SIM908供電電壓4.3V，這里采用1N5822二極管進行降壓。

3）傳感器接口電路

AM2301濕敏電容數(shù)字溫濕度模塊是一款含有己校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器。傳感器采用標準單總線接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷，信號傳輸距離可達20米以上。AM2301的供電電壓范圍為3.5V～5.5V，濕度輸出16bit數(shù)據(jù)，精度±2%RH，溫度輸出16bit數(shù)據(jù)，精度±0.5℃。本系統(tǒng)采用外部供電方式，由一根電源線為每一個AM2301分別供電，保證AM2301轉換精度。當采用普通信號電纜傳輸數(shù)據(jù)時，通信距離超過20米時，讀取的溫濕度數(shù)據(jù)就發(fā)生錯誤。同時，單根總線上所接AM2301傳感器超過8個時就會出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤。為提高通信距離，本系統(tǒng)信號電纜采用屏蔽4芯雙絞線，其中一對雙絞線接地線與信號線，另一對雙絞線接VCC和地線。采用屏蔽4芯雙絞線通信方式，總線通信距離可達100米以上，總線上最多可接AM2301傳感器 20個。

圖3 SIM908模塊與單片機接口電路

2.2 SIM908電路

本系統(tǒng)采用SIMCOM公司的SIM908模塊實現(xiàn)GPS采集和GPRS通信功能。該模塊集成GPS和GPRS在一個SMT封裝內，大大節(jié)省了客戶開發(fā)時間和成本。SIM908模塊也采用兩個串口與單片機的兩串口分別交叉相連，電路設計簡單，SIM908模塊與單片機接口電路如圖3所示。

由圖3可知，SIM908模塊的GPS串口分別與單片機的串口GPS-TXD、GPS-RXD相連，SIM908模塊的GPRS串口分別與單片機的串口TXD、RXD相連，單片機通過串口即可實現(xiàn)GPS信息采集和GPRS通信。圖中J1是SIM卡接口電路，通過SIM908模塊的SIM-DATA、SIM-RST、SIM-CLK實現(xiàn)對SIM卡的讀寫。為了實現(xiàn)讀寫數(shù)據(jù)的可靠性，在SIM908模塊的SIM-DATA、SIMRST、SIM-CLK引腳與SIM卡引腳之間串接了22歐姆電阻，實現(xiàn)匹配負載阻抗。為了實現(xiàn)SIM908的可靠上電，通過單片機的P1.4口控制SIM908的上電。D5為GPS指示燈，當D5滅時表示GPS未搜到有效衛(wèi)星，當D5亮時表示GPS搜到至少四顆以上的衛(wèi)星，工作正常。D6為GPRS指示燈，當D6閃爍模式為64ms亮/800ms滅時表示模塊未注冊網絡，當D6閃爍模式為64ms亮/3000ms滅時表示模塊已注冊網絡，當D6閃爍模式為64ms亮/300ms滅時表示模塊GPRS連接建立。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件包括AM2301數(shù)據(jù)讀取、GPS數(shù)據(jù)解析、GPRS通信及蜂鳴器控制功能，分別由相應的子函數(shù)構成。由于篇幅所限，本文只給出AM2301讀取數(shù)據(jù)流程圖和車載終端總體流程圖。

AM2301采用單總線數(shù)據(jù)格式，一次傳送40位數(shù)據(jù)，高位先出。其通信格式如表1所示。

根據(jù)表1所示，AM2301單總線讀取流程圖如圖4所示。

圖4 AM2301單總線讀取流程圖

圖4 (a)為單個AM2301讀取流程圖，圖4(b)為單總線上多個AM2301讀取流程圖。整個系統(tǒng)運行由主函數(shù)控制，主函數(shù)程序流程圖如圖5所示。

4 遠程監(jiān)控系統(tǒng)

遠程監(jiān)控系采用VC++6.0和SQL server2005數(shù)據(jù)庫聯(lián)合開發(fā)而成，能夠實現(xiàn)對車載終端信息的顯示和保存，并能夠通過GPS信息在地圖上顯示汽車位置。

4.1 VC++6.0訪問SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫

在服務器上建立SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫，然后通過VC++訪問數(shù)據(jù)庫即可實現(xiàn)車載終端信息的顯示和保存。這里VC++采用ADO方式連接數(shù)據(jù)庫，用#import指令引入A D O 數(shù)據(jù)庫C O M 庫的初始化，然后創(chuàng)建Connection對象連接數(shù)據(jù)庫，通過執(zhí)行SQL命令實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的存儲于讀取。

表1 AM2301通信格式說明

圖5 主函數(shù)程序流程圖

4.2 VC++6.0 Socket編程

VC++6.0采用Socket編程實現(xiàn)接收車載終端發(fā)送的GPRS信息。為了實現(xiàn)接收GPRS數(shù)據(jù)，在服務器程序中添加兩個CSocket派生類：CSocListen和CSocRecv。分別用來實現(xiàn)偵聽連接請求和與請求連接的套接字建立連接，服務器與車載終端通信過程如下：

1）在服務器端聲明一個用于監(jiān)聽客戶端的CSocListen對象，同時對應某個端口設定為監(jiān)聽狀態(tài)；

2）在車載終端單片機通過AT指令控制SIM908，通過IP地址和端口向服務器請求連接；

3）服務器端監(jiān)聽到請求指令后，新建一個CSocRecv對象，用于與車載終端綁定，傳送和接收數(shù)據(jù)。

4.3 VC++6.0訪問百度地圖

VC++6.0中有一個CHtmlView類，利用這個類，可以實現(xiàn)在對話框的控制中顯示HTML文件。因此，本系統(tǒng)通過繼承CHtmlView類創(chuàng)建了一個CHtmlCtrl類，通過CHtmlCtrl類訪問百度地圖，將通過GPRS接收到的車輛GPS信息從VC++中傳入到JS版的百度地圖的API中，進行相應的顯示。將VC++6.0和CHtmlCtrl結合開發(fā)，一方面保證了程序的安全性和高效性，同時還保證了程序展示的美觀性。

5 系統(tǒng)測試

為了驗證整個系統(tǒng)性能，在鎮(zhèn)江市學府路上進行了實車驗證。車載終端能夠將采集到的冷藏車箱內溫濕度信息、GPS信息通過GPRS網絡傳輸?shù)竭h程監(jiān)控系統(tǒng)。遠程監(jiān)控系統(tǒng)能夠實時顯示存儲車載終端信息，并能夠實時在百度地圖上顯示車輛位置。遠程監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖6所示。

圖6 遠程監(jiān)控系統(tǒng)界面

6 結束語

本文介紹了一種基于SIM908的冷藏車箱內溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的總體結構。系統(tǒng)由車載終端和遠程監(jiān)控系統(tǒng)組成。詳細介紹了車載終端主控制器電路設計、電源電路設計、SIM908電路設計和傳感器接口電路設計。同時，采用Visual C++ 6.0和SQL Server 2005設計了遠程監(jiān)控系統(tǒng)，給出了數(shù)據(jù)庫訪問方法、Socket編程方法和百度地圖訪問方法。為驗證整個系統(tǒng)性能，在鎮(zhèn)江市學府路上進行了實車驗證，試驗結果表明，該系統(tǒng)本系統(tǒng)具有良好的實時性、穩(wěn)定性，可以獲得良好的冷藏車箱內溫濕度監(jiān)測效果。

[1] 沈艷.國外農產品流通現(xiàn)代化模式的借鑒意義[J].企業(yè)導報, 2014,2:141-142.

[2] 于浚烽,陳蔚芳,馬萬太.基于GIS/GPS 技術的肉品冷鏈物流監(jiān)控與調度系統(tǒng)[J].計算機應用,2014,34(S1):312-314.

[3] 李曉鵬,袁濤.冷鏈物流實時監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].傳感器與微系統(tǒng), 2014,33(2):131-137.

[4] 韓玉冰,齊林,傅澤田,等.水產品冷藏車無線傳感器網絡節(jié)點設計-基于CC2530[J].農機化研究,2013,4:174-178.

[5] Tong Jin,Wang Ya-Hui,Fan Xue-Mei. Monitoring system of cold chain logistics for farm fresh produce[J].Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition),2013,43(6):1707-1711.

[6] Chandra Abel Avitesh, Le Seong Ro. A method of WSN and sensor cloud system to monitor cold chain logistics as part of the IoT technology[J].International Journal of Multimedia and Ubiquitous Engineering,2014,9(10):145-152.

[7] 楊瑋,黨培.基于云計算的醫(yī)藥冷鏈物流體系構建[J].制造業(yè)自動化,2014,36(12):6-9.

[8] 王紹卜.基于WSN的冷鏈物流監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].微型機與應用, 2013,32(8):26-31.