陳紅芬何昭水吳宗澤陳文科.廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)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(jì)

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(dòng)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(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)滯后的問題，文章設(shè)計(jì)并實(shí)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(gè)由手機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控終端和貨物安全公共服務(wù)平臺組成的安全運(yùn)輸監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)。詳細(xì)設(shè)計(jì)了車載網(wǎng)關(guān)和WSN的硬、軟件模塊的功能和實(shí)現(xiàn)方法。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)通過在相關(guān)項(xiàng)目中的實(shí)際應(yīng)用得到了充分驗(yàn)證，有效地確保物流貨物和運(yùn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)物流的自動(dòng)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(yùn)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(jìn)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(gè)維度提出了一個(gè)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的實(shí)時(shí)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(lán)牙。目前市場上已經(jīng)運(yùn)行的一些物流信息化系統(tǒng)，存在智慧物流標(biāo)準(zhǔn)體系不統(tǒng)一、車載位系統(tǒng)、電子關(guān)鎖、胎壓監(jiān)控、物品 （如食品和危化品）狀態(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(biāo)準(zhǔn)體系。本文實(shí)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(shí)時(shí)采集和傳輸各類貨物在途狀態(tài)及運(yùn)輸車輛及儲運(yùn)設(shè)備的運(yùn)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(yùn)輸車輛安全監(jiān)管。

1　車載網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)架構(gòu)

整個(gè)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(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集車載無線傳感自組網(wǎng)的運(yùn)輸車輛的貨物信息，通過同步定位衛(wèi)星實(shí)時(shí)獲取車輛的定位信息，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將信息實(shí)時(shí)發(fā)送到遠(yuǎn)程管理后臺服務(wù)器，建立了一個(gè)由手機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控終端和貨物安全公共服務(wù)平臺組成的安全運(yùn)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(gè)層次。感知層各類傳感器自組織成為一個(gè)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(dòng)通信網(wǎng)，使用3G/4G、GPRS等通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)感知網(wǎng)與通信網(wǎng)的結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)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(jì)

2.1車載網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

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(lán)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(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各模塊數(shù)據(jù)處理。交互模塊實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(jìn)行指令輸入，實(shí)現(xiàn)對該運(yùn)輸車輛及貨物的安全監(jiān)控。GPS模塊實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(yùn)行速度等附加信息。GPRS模塊實(shí)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(shí)時(shí)了解車輛位置 狀況，并進(jìn)一步對車輛進(jìn)行行駛路線的軌跡記錄。藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)對終端與車輛自身診斷系統(tǒng)的互聯(lián)，使得司機(jī)可以實(shí)時(shí)了解車輛自身的各種狀態(tài)信息，實(shí)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(diǎn)，用來接收WSN中路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)過來的各種傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息，實(shí)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(shí)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(yùn)輸安全，配套以緊急事件應(yīng)急處理機(jī)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(yùn)輸與環(huán)境安全。

2.2車載網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

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(jì)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(yùn)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(biāo)準(zhǔn)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(jì)，具有代碼量小、運(yùn)行消耗資源少、可靠性高、開發(fā) 周期短等優(yōu)點(diǎn)，適用于系統(tǒng)信息采集和傳輸要求。

本文選用可移植性強(qiáng)的 GUI應(yīng)用程序QT，系統(tǒng)應(yīng)用程序底層基于qextserialport類，實(shí)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(gè)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行數(shù)據(jù)封裝，然后發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器端。

2.2.1GPS定位解析

GPS接收機(jī)根據(jù) NMEA-0183協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(jìn)行解析以獲得時(shí)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(biāo)志，“，”為域分隔符， “*”為校驗(yàn)和識別符，其后面的兩位數(shù)為校驗(yàn)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(shí)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(shí)，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(jìn)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(jìn)行檢驗(yàn)和的計(jì)算與比較。若不同，按出錯(cuò)處理， 并繼續(xù)運(yùn)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(dòng)包括初始化和聯(lián)網(wǎng)兩個(gè)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(dòng)。GPRS的聯(lián)網(wǎng)需要完成GPRS 模塊信號強(qiáng)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(gè)新的默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)接口ppp0，并自動(dòng)為ppp0分配一個(gè)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(jī)界面程序基于Qt庫中 的網(wǎng)絡(luò)通信QtNetwork類實(shí)現(xiàn)。當(dāng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從Zigbee網(wǎng)絡(luò)配置上講，其組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)分為：終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、中心節(jié)點(diǎn)。中心節(jié)點(diǎn)負(fù)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(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的信息，是整個(gè)WSN的核心，一直處于工作狀態(tài)。路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)傳送數(shù)據(jù)和控制信息，定期發(fā)送信標(biāo)，使網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn) 能做到很好的同步，便于節(jié)點(diǎn)定期進(jìn)入休眠狀態(tài)，降低功耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。終端節(jié)點(diǎn)完成在每隔一段時(shí)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(dòng)作。中心節(jié)點(diǎn)負(fù)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(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)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(diǎn)對點(diǎn)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(diǎn)，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(shí)現(xiàn)將傳感器信息、GPS信息和藍(lán)牙獲取信息等其他需要采集的信息重寫，實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換。協(xié)議內(nèi)容即各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，依據(jù)實(shí)際的傳感個(gè)數(shù)和種類為準(zhǔn)，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(bào)警標(biāo)識位為2字節(jié)，高位字節(jié)從低位bit0、bit1、bit2 、bit3、bit4分別標(biāo)示溫度、壓力、液位、真空度、門開關(guān)五種傳感器的上限報(bào)警情況，此位為1表示該傳感器出現(xiàn)上限報(bào)警，為0表示該傳感器檢測值正常。

3　WSN設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)方面，三類Zigbee節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)相同，根據(jù)集裝箱貨物運(yùn)輸?shù)沫h(huán)境，合理的設(shè)計(jì)和布置終結(jié)點(diǎn)，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(jì)成一個(gè)可通用的具有4個(gè)物理引腳的連接接口，用戶可通過上位機(jī)軟件端設(shè)置邏輯采集量，每個(gè)接口都與開關(guān)電路相接，實(shí)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(jī)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(dāng)使用外部電源輸入時(shí)，將添加過壓TVS保護(hù)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(jì)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(diǎn)，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(diǎn)，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(diǎn)。任意箱體內(nèi)的節(jié)點(diǎn)都可作為終端節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù) 中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)通過串口進(jìn)行通信，來搜集網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)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(jì)，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(jī)客戶端軟件測試

Android手機(jī)客戶端是通過藍(lán)牙與安裝在車上的 車載網(wǎng)關(guān)終端連接，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)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。基于藍(lán)牙的手機(jī)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(lán)牙檢測和安卓登陸三個(gè)頁面。通信方式有“本地藍(lán)牙”和“遠(yuǎn)程服務(wù) 器”兩種?！氨镜厮{(lán)牙”表示將通過藍(lán)牙與安裝在車輛上的車載網(wǎng)關(guān)終端進(jìn)行通信?！斑h(yuǎn)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(shí)現(xiàn)。選擇“本地 藍(lán)牙”按鈕，程序會自動(dòng)掃描可見的藍(lán)牙設(shè)備。

登錄安卓客戶端之后，就會進(jìn)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(rèn)以列表的形式顯示當(dāng)前傳感器的數(shù)據(jù)。點(diǎn)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(dāng)通過下方選擇框選擇了傳感器類型時(shí)候，就能顯示相應(yīng)的傳感器數(shù)據(jù)的歷史曲線。點(diǎn)擊界面下方的“地圖”按鈕，就能進(jìn)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(diǎn)擊“設(shè)置”按鈕，可以進(jìn)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(xì)介紹了系統(tǒng)車載網(wǎng)關(guān)和WSN核心部分 的設(shè)計(jì)，集成了GPS、GSM/GPRS、WSN、藍(lán)牙等 關(guān)鍵技術(shù)，并基于Linux/ Qt和Android程序開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了物流車輛和貨物信息的實(shí)時(shí)安全可靠的采集與傳輸。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)為相關(guān)項(xiàng)目的產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)推廣提供了可靠保證，同時(shí)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(jì)價(jià)值和社會價(jià)值。

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