夏廣浩，馬萬(wàn)太

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

我國(guó)是豬肉消費(fèi)第一大國(guó)，肉品質(zhì)量安全涉及“養(yǎng)殖—屠宰—物流—銷售”等多個(gè)環(huán)節(jié)，其中物流環(huán)節(jié)是處在生產(chǎn)和銷售之間的特殊環(huán)節(jié)，冷鏈運(yùn)輸環(huán)節(jié)的物流周期等因素一旦控制不當(dāng)，會(huì)影響肉類品質(zhì)，造成經(jīng)濟(jì)資源的浪費(fèi)和對(duì)公共安全的潛在威脅[1]。對(duì)車載監(jiān)控系統(tǒng)而言，安全有效的位置監(jiān)控和與上位機(jī)的即時(shí)通訊是至關(guān)重要的，然而現(xiàn)在車輛導(dǎo)航儀大多使用GPS定位，無(wú)法適應(yīng)北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)應(yīng)用越來(lái)越廣泛的潮流，此外缺少與控制中心的通訊也難以實(shí)現(xiàn)對(duì)肉品質(zhì)量的監(jiān)控。因此，開(kāi)發(fā)基于GPS/北斗和GPRS 的車載監(jiān)控系統(tǒng)成功彌補(bǔ)了上述產(chǎn)品的不足，對(duì)強(qiáng)化生產(chǎn)商—政府監(jiān)管部門—消費(fèi)者三位一體的全面監(jiān)管、實(shí)施“放心肉工程”具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值[2]。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)以下功能：1)及時(shí)發(fā)送與顯示數(shù)據(jù)；2) 對(duì)監(jiān)控中心的命令做出反應(yīng)。車載終端設(shè)備上的GPS/北斗衛(wèi)星定位模塊接收到衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)后，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)提取獲得車輛的時(shí)間、經(jīng)緯度和速度等有效信息，ARM處理器將這些地理信息進(jìn)行處理，一方面顯示到車載終端LCD液晶顯示屏上，另一方面將其進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝后通過(guò)GPRS無(wú)線通信模塊發(fā)送至GPRS無(wú)線通信網(wǎng)上。GPRS網(wǎng)絡(luò)根據(jù)TCP/IP協(xié)議建立一條數(shù)據(jù)傳輸通道連接車載終端和接入網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控中心[3]。監(jiān)控中心將通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸通道獲取數(shù)據(jù)包并拆封，從中獲取車輛的定位數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息顯示到電子地圖上。監(jiān)控中心通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸通道將與車輛位置相關(guān)的地理信息傳輸給車載終端，從而在車載終端的LCD液晶顯示屏上予以顯示。監(jiān)控中心根據(jù)車輛的行駛狀態(tài)及道路信息向車載終端發(fā)送相關(guān)控制指令和調(diào)度信息。冷鏈監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示。

2 終端硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)終端主要涉及到以下部分：ARM微控制器模塊、電源模塊、GPRS模塊、GPS/北斗模塊，其中GPRS模塊和GPS/北斗模塊通過(guò)串口接口與ARM控制器通信。GPS/北斗模塊采集車輛路線，GPRS模塊組建網(wǎng)絡(luò)并轉(zhuǎn)接至Internet服務(wù)器，電源模塊則為整個(gè)系統(tǒng)提供可靠的電源。此外，車載終端硬件還擴(kuò)展了SDRAM存儲(chǔ)單元和Flash、液晶顯示器、SD擴(kuò)展存儲(chǔ)、電源支持模塊、JTAG調(diào)試等功能。系統(tǒng)終端整體硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 微控制器模塊

設(shè)計(jì)選取ARM11系列的S3C6410芯片作為車載終端的微處理器。其具有功耗低、性價(jià)比高等特點(diǎn)，在移動(dòng)通信以及通用處理等領(lǐng)域得到廣泛使用。S3C6410內(nèi)部嵌入功能強(qiáng)大的硬件加速器，從而為GPRS網(wǎng)絡(luò)和3G網(wǎng)絡(luò)通信提供良好的硬件性能，包括各種音頻和視頻的加速處理。其工作主頻在533 MHz/667 MHz，最高可達(dá)到1 GHz以上[4]。

圖1 整體方案架構(gòu)

圖2 終端硬件原理圖

2.2 GPRS模塊

SIM900是一款四頻GSM/GPRS模塊，采用SMT封裝形式，同時(shí)采用了功能強(qiáng)大的ARM926EJ-S芯片處理器[5]。SIM900A采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，工作頻率為GSM/GPRS 850/900/1 800/1 900 MHz，支持標(biāo)準(zhǔn)AT指令，低功耗實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息通信。其通信接口如圖3所示。

圖3 GPRS模塊通信接口

2.3 GPS/北斗模塊

定位模塊選用TD3017A是一款基于TD1010基帶芯片的BD2 B1/GPS L1雙模衛(wèi)星導(dǎo)航模塊。單板集成雙?；鶐酒碗p模射頻芯片，可同時(shí)接入BD2 B1和GPS L1信號(hào)。外部采用3.3 V電源供電，另外TD3017A模塊支持有源天線供電(3.3 V)。TD3017A模塊采用28 pin郵票孔封裝(40 mm×30 mm×3.5 mm)。TD3017A模塊內(nèi)部具備天線狀態(tài)監(jiān)測(cè)和天線短路保護(hù)功能，支持休眠工作模式，支持模塊軟件升級(jí)等功能[6]。TD3017A符合“北斗應(yīng)用推廣小組”類型IV規(guī)格、中標(biāo)交通部“重點(diǎn)運(yùn)輸過(guò)程監(jiān)控管理服務(wù)示范系統(tǒng)工程BD2 B1/GPS L1雙模模塊選型項(xiàng)目”。其原理圖如圖4所示。

2.4 電源模塊

采用LM2576HV芯片將12 V汽車電壓轉(zhuǎn)換為5 V電壓，其輸出電流穩(wěn)定在3 A，它內(nèi)部包含有固定頻率的振蕩器以及基礎(chǔ)穩(wěn)壓器，還設(shè)計(jì)了完善的電流限制保護(hù)電路。SIM900A采用VBAT為3.4 V到4.5 V的單電源供電。在某些環(huán)境中，如突然產(chǎn)生的信號(hào)傳輸會(huì)使芯片的電壓陡降，從而導(dǎo)致電流損耗的極值急劇上升到2 A。經(jīng)檢測(cè)，此款芯片滿足要求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

車載終端的軟件設(shè)計(jì)包括搭建軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境和開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能的應(yīng)用程序。搭建軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境主要工作是進(jìn)行嵌入式操作系統(tǒng)的移植，設(shè)計(jì)采用操作系統(tǒng)為紅帽企業(yè)版6。應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)是在Qtcreator軟件中進(jìn)行圖形界面的設(shè)計(jì)，代碼編寫采用C++編程語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)包括GPS/北斗信息采集功能，GPRS通信功能、撥打電話功能等。軟件系統(tǒng)框架如圖5所示。

3.1 嵌入式Linux開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建

將嵌入式操作系統(tǒng)加入車載終端的軟件系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的有序調(diào)度和管理，使整個(gè)系統(tǒng)能夠運(yùn)行在安全且穩(wěn)定的環(huán)境下，同時(shí)后期應(yīng)用程序可以直接在操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，使系統(tǒng)擁有更好的擴(kuò)展性[7]。嵌入式Linux系統(tǒng)主要分為4個(gè)軟件層次：1) 引導(dǎo)加載程序，即固化在硬件中的Bootloader。2) 為嵌入式開(kāi)發(fā)板專門定制Linux內(nèi)核。設(shè)計(jì)內(nèi)核版本選擇Linux-3.0.1。3) 文件系統(tǒng)，包含根文件系統(tǒng)和用戶文件系統(tǒng)。選用YAFFS2作為系統(tǒng)的根文件系統(tǒng)。 4) 特定于用戶的應(yīng)用程序，為了增加可操作性還會(huì)加入圖形用戶界面(GUI)。本文采用Qt/Embedded(簡(jiǎn)稱Qt/E)，其是Qt的嵌入式版本。

圖4 定位模塊電路設(shè)計(jì)

圖5 系統(tǒng)軟件框架

3.2 GPS模塊程序設(shè)計(jì)

GPS模塊接收的報(bào)文信息符合NMEA-0183標(biāo)準(zhǔn)口。其標(biāo)準(zhǔn)下包含很多種類語(yǔ)句，系統(tǒng)中車載終端只需要基本的定位信息即可，所以提取GPRMC這條語(yǔ)句。GPS數(shù)據(jù)提取程序設(shè)計(jì)主要分為4個(gè)步驟：1)串口初始化：打開(kāi)串口，設(shè)置串口參數(shù)，波特率設(shè)為4 800 bps，數(shù)據(jù)位設(shè)為8，停止位設(shè)為1，無(wú)奇偶校驗(yàn)。初始化操作通過(guò)Port_init()函數(shù)實(shí)現(xiàn)。2) 提取RMC語(yǔ)句：從GPS信息流語(yǔ)句中檢索$GPRMC開(kāi)頭的數(shù)據(jù)幀，提取出RMC信息。3) 從RMC語(yǔ)句中提取定位信息：將RMC中的定位信息包括時(shí)間、經(jīng)度和緯度、速度等提取轉(zhuǎn)化出來(lái)。4) LCD顯示及信息傳送：將定位信息顯示到LCD上，并將信息發(fā)送到GPRS緩沖區(qū)，等待GPRS發(fā)送至監(jiān)控中心。

3.3 GPRS通信模塊程序設(shè)計(jì)

GPRS通信模塊數(shù)據(jù)通信工作主要分為3個(gè)步驟：1) 初始化GPRS模塊，通過(guò)點(diǎn)到點(diǎn)協(xié)議(PPP，point to point)建立GPRS網(wǎng)絡(luò)通訊鏈路。2) 通過(guò)Qt應(yīng)用編程建立車載終端與監(jiān)控中心的TCP/IP連接。3)編寫socket程序進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果分析

車載監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)完成之后，對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)功能部分進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試主要分為終端系統(tǒng)功能測(cè)試和監(jiān)控中心系統(tǒng)功能測(cè)試[8]。對(duì)定位模塊的測(cè)試中，將測(cè)量的經(jīng)緯度取平均值與標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)緯度進(jìn)行距離轉(zhuǎn)換，計(jì)算出定位誤差約為8 m。滿足車輛定位的基本要求。對(duì)通訊模塊的測(cè)試中，對(duì)終端發(fā)送和監(jiān)控中心接收到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行對(duì)比，信息包括時(shí)間、車輛的經(jīng)度、緯度、速度以及車廂溫度等信息。監(jiān)控中心接收數(shù)據(jù)與車載終端發(fā)送數(shù)據(jù)一致，說(shuō)明數(shù)據(jù)傳輸正確，GPRS無(wú)線傳輸模塊測(cè)試成功。對(duì)監(jiān)控中心的測(cè)試中，測(cè)試結(jié)果顯示車載監(jiān)控系統(tǒng)能夠有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)冷鏈物流運(yùn)輸過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。GIS地圖監(jiān)控軟件能夠完成對(duì)電子地圖和車載運(yùn)行軌跡的顯示，顯示效果良好。對(duì)車載監(jiān)控系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果顯示其能夠有效的實(shí)現(xiàn)對(duì)冷鏈物流運(yùn)輸過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

5 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)基于GPS/北斗和GPRS 的車載監(jiān)控系統(tǒng)，成本低、體積小、運(yùn)行穩(wěn)定，解決了運(yùn)輸環(huán)節(jié)產(chǎn)品信息的數(shù)據(jù)同步以及產(chǎn)品的追溯，完善了整個(gè)產(chǎn)品追溯體系，為其他類似監(jiān)控對(duì)象提供了一種解決方案。

[1] 呂峰，林勇毅. 我國(guó)食品冷鏈的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 福建農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，29(1)：34-36.

[2] 張敏，談向東，張杰. 現(xiàn)代食品冷鏈物流的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 商場(chǎng)現(xiàn)代化，2007，(7Z)：137-138.

[3] 孟麗華. 基于GPS/GPRS/GIS技術(shù)的車輛監(jiān)控調(diào)度中心系統(tǒng)的研究[D]. 濟(jì)南：山東科技大學(xué)，2008.

[4] 譚金，孟志強(qiáng)，丁偉. 基于ARM的車載導(dǎo)航定位終端硬件設(shè)計(jì)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息，2006，22(20)：142-144.

[5] 韓斌杰. GPRS原理及其網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[6] 耿大威. 基于北斗/GPS雙模衛(wèi)星定位系統(tǒng)的車載終端設(shè)計(jì)[D]. 青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2013.

[7] 趙小廠. 基于移動(dòng)GIS和GPRS技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究[D]. 上海：華東師范大學(xué)，2011.