沈 印，高 緒，李光林，謝菊芳，陸昌華，胡肄農(nóng)，尹彥鑫

（1. 西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400716；2. 江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院獸醫(yī)研究所，南京 210014；3. 國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100097）

0 引 言

病死生物無害化處理是防止動物疫病擴散、有效控制和撲滅動物疫情、防止病原污染的重要舉措[1-3]。病死豬無害化處理監(jiān)控不到位會造成病死豬產(chǎn)品流入市場，給消費者帶來無法預(yù)料的健康危害。

目前，大多數(shù)無害化處置冷藏車定位監(jiān)測系統(tǒng)都是通過全球定位系統(tǒng)（GPS）和通用分組無線業(yè)務(wù)（general packet radio service，GPRS）相結(jié)合來確定消毒站的位置和病死豬的運輸路線。監(jiān)控管理中心系統(tǒng)通過實時查看無害化運輸車行駛路線、狀態(tài)等信息，方便運輸車輛的調(diào)度。這在許多城市的公交和出租車管理中得到了有效的應(yīng)用。但是，對于一些具有一定用途的車輛（如病死豬無害運輸車輛）處于特殊區(qū)域（如農(nóng)村和山區(qū)沒有無線信號網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域），基于GPS和GPRS的車輛數(shù)據(jù)采集終端系統(tǒng)不能完全滿足要求。

由于受基站地理位置的影響，當(dāng)車輛行駛在山區(qū)鄉(xiāng)村道路上時，監(jiān)控中心無法接收到車輛的地理位置信息，導(dǎo)致路線偏離。單一的定位容易造成定位信息的不穩(wěn)定，尤其是在偏遠山區(qū)和農(nóng)村地區(qū)。為了解決這一問題，人們開始研究車輛綜合導(dǎo)航系統(tǒng)。

在病死動物進行無害化處理研究中，對病死動物如何進行無害化處理（處理方式）方面的研究較多[1-2]，但是對病死豬運輸過程監(jiān)控管理方面的應(yīng)用研究較少。2014年湖南開始對病死動物的收運車實現(xiàn) GPS監(jiān)控定位，全程跟蹤病死動物流向，但是沒有對收運車的進行智能調(diào)配與管理，沒有對收運車進行定點消毒監(jiān)測[2]。高緒等[3-4]2016年對病死動物無害化處理運輸車輛監(jiān)控進行了研究，搭建了系統(tǒng)平臺，能夠?qū)崟r查詢車輛的運輸狀態(tài)，但在偏遠山區(qū)的導(dǎo)航定位性能和路徑優(yōu)化方面未進行深入研究；張秀萍等[5]在2018年設(shè)計了一個冷鏈物流監(jiān)控終端，用于監(jiān)控冷鏈物流中的溫度和車輛的運輸狀態(tài)。然而，偏遠山區(qū)車輛監(jiān)測數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。針對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)單獨使用時導(dǎo)航容易出現(xiàn)定位偏差的問題，Mei等[6]于2019年采用INS/GPS組合，有效改善了慣性導(dǎo)航誤差問題。Hadavi 等[7]使用GPS對城市車輛貨物運輸進行實時定位和跟蹤，但在一些偏遠的山區(qū)無法搜索到基站信號，無法獲得定位信息。

在病死豬無害化處理監(jiān)控管理系統(tǒng)的研究中需要解決2個方面的問題[8-9]。一是病死豬無害化處理運輸車輛地理位置信息、消毒點定點監(jiān)控信息的采集與傳輸；二是監(jiān)控管理中心完成運輸線路、定點消毒監(jiān)控信息的查詢和對運輸車輛智能調(diào)配與管理的問題。

目前運輸車輛地理位置信息的采集多采用GPS的定位技術(shù)，然后通過通用分組無線服務(wù)技術(shù) GPRS將采集的數(shù)據(jù)遠程傳輸?shù)椒?wù)器[10-12]，這種傳輸方式較為復(fù)雜。同時，當(dāng)車輛途經(jīng)山區(qū)沒有 GPRS信號覆蓋的區(qū)域，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定的現(xiàn)象。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Beidou navigation satellite system，BDS）是中國自主研發(fā)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是繼美國全球定位系統(tǒng)、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之后第 3個成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時為各類用戶提供定位、導(dǎo)航、授時和短報文通信服務(wù)[13-16]。

北斗/GPS雙模用戶機內(nèi)置北斗模塊和GPS模塊，既有GPS的高定位精度，又有BDS的短報文通信功能。當(dāng)北斗在山區(qū)運行時出現(xiàn)定位偏差，可以采用BDS進行精度修正，本文采用北斗/GPS雙模用戶機取代GPS+GPRS方式，利用BDS輔助GPS定位，本文采用北斗/GPS雙模用戶機取代GPS+GPRS方式，利用BDS輔助GPS定位，實現(xiàn)病死豬無害化處理運輸軌跡的獲取，既可以提高定位精度，又可以避免單一定位系統(tǒng)定位不準確的問題，保障定位系統(tǒng)的暢通無誤[17]。利用BDS的短報文通信功能實現(xiàn)病死豬無害化處理運輸過程信息數(shù)據(jù)的遠程傳輸，可以避免采用 GPRS時進入偏遠山區(qū)（如西南地區(qū)的農(nóng)村）無法通信的問題；利用RFID在定點消毒區(qū)域?qū)\輸車輛的識別，然后通過 GPRS實現(xiàn)車輛定點消毒數(shù)據(jù)信息的遠程傳輸。

1 病死豬無害化處理監(jiān)控管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

病死豬無害化處理監(jiān)控管理系統(tǒng)由監(jiān)控管理中心、車載終端采集系統(tǒng)和定點消毒監(jiān)控系統(tǒng)3個部分組成[18]。車載終端采集系統(tǒng)安裝在病死豬無害化處理運輸車輛上。監(jiān)控管理中心與車載終端采集系統(tǒng)、定點消毒監(jiān)控系統(tǒng)之間分別通過北斗/GPS雙模用戶機和GPRS無線傳輸模塊進行數(shù)據(jù)通信，其系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 病死豬無害化處理監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 General structure of monitoring system in dead pig harmless handling

監(jiān)控管理中心由北斗/GPS雙模用戶機、服務(wù)器、客戶端3個部分組成[19]。北斗/GPS雙模用戶機采用江蘇指南針導(dǎo)航通信技術(shù)有限公司生產(chǎn)的 CDT-442H型一體式北斗/GPS雙模用戶機。

定點消毒監(jiān)控系統(tǒng)采用濟南有人物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有限公司生產(chǎn)的USR-GPRS232-702無線數(shù)據(jù)傳輸終端，定點消毒監(jiān)控數(shù)據(jù)通過 GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)控管理中心的服務(wù)器。監(jiān)控管理中心的服務(wù)器對接收到的病死豬無害化處理運輸車輛的位置信息、車廂溫度信息、定點消毒監(jiān)控數(shù)據(jù)進行分析處理，得到病死豬運輸車輛的行駛線路圖和定點消毒監(jiān)控信息[20]。客戶端與服務(wù)器間通過傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（TCP/IP）進行雙向有線通信。

2 車載終端采集系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 車載終端采集系統(tǒng)的構(gòu)成

每輛病死豬無害化處理的車輛需要配備一套車載終端采集器。車載終端采集系統(tǒng)主要包括：主控電路板、北斗/GPS雙模用戶機、溫度傳感器、文本轉(zhuǎn)語音（text to speech，TTS）模塊、RFID有源電子標簽。車載終端采集系統(tǒng)的系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 車載終端采集系統(tǒng)的構(gòu)成框圖Fig.2 General structure of acquisition system of vehicle

車載終端采集系統(tǒng)主要是完成病死豬無害化處理運輸車輛地理位置信息與車廂溫度數(shù)據(jù)的采集與傳輸。

主控電路板的主控芯片選擇飛思卡爾公司生產(chǎn)的基于 Cortex-M4內(nèi)核構(gòu)架的 Kinetis系列微處理器MK60DN512ZVLQ10。主控電路板通過溫度傳感器采集車廂內(nèi)的溫度信息，當(dāng)車廂內(nèi)溫度超過設(shè)定的溫度值時，車載終端采集系統(tǒng)會通過TTS語音模塊輸出語音信息，提醒隨車工作人員及時控制車廂內(nèi)溫度；通過北斗/GPS雙模用戶機采集當(dāng)前的地理位置信息，最后通過北斗/GPS雙模用戶機將采集到的車廂溫度信息和車輛地理位置數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控管理中心[21]。

當(dāng)車載終端采集系統(tǒng)接收到監(jiān)控管理中心發(fā)送的調(diào)配指令時，通過TTS語音模塊將指令內(nèi)容播放出來。車載有源電子標簽放置在運輸車輛的前擋風(fēng)玻璃，通過卡座吸盤固定，方便運輸車輛在定點消毒點完成定點監(jiān)測。車載終端采集系統(tǒng)的實物圖如圖3所示。

圖3 車載終端采集硬件的實物圖Fig.3 Picture of acquisition hardware of vehicle terminal

2.2 運輸車輛定位通信系統(tǒng)

車載終端采集系統(tǒng)每隔1 s通過北斗/GPS雙模用戶機向BDS發(fā)送一次定位申請，BDS返回當(dāng)前運輸車輛的地理位置信息數(shù)據(jù)，地理位置信息數(shù)據(jù)主要包括：經(jīng)度、緯度和高度。系統(tǒng)采用高定位精度的GPS對運輸車輛進行定位，北斗/GPS 雙模用戶機定位信息分為 2種， GPS定位信息是主要的一種定位，另外一種是基于BDS的定位信息。這 2 種定位算法分別使用不同的坐標系[21]：GPS定位算法采用坐標系WGS-84，北斗導(dǎo)航的定位算法采用坐標系BJ-54。本文將北斗和GPS 2種定位信號互補使用，即當(dāng)北斗的定位信息發(fā)生偏差時用GPS定位信息進行修正[22]。主控電路板通過串口向北斗/GPS雙模用戶機發(fā)送命令，對GPS和北斗的衛(wèi)星數(shù)據(jù)以及定位方式進行設(shè)置。當(dāng)車輛運行到位置偏僻的路徑或者GPS衛(wèi)星信號較弱時，導(dǎo)致定位信息出現(xiàn)偏差，此時主控電路板自動發(fā)送指令到用戶機，將定位方式切換到北斗定位方式，利用北斗定位方式輔助定位，保障定位系統(tǒng)的通暢。

北斗/GPS雙模用戶機數(shù)據(jù)信息傳輸方式主要可以分成 2種：一種是外設(shè)至用戶機信息傳輸格式，另一種是用戶機至外設(shè)的信息傳輸格式。

外設(shè)至用戶機的信息傳輸格式主要包括：定位申請（$DWSQ）、通信申請（$TXSQ）、功率檢測（$GLJC）等；用戶機至外設(shè)的信息傳輸格式主要包括：定位信息（$DWXX）、通信信息（$TXXX）、功率狀況（$GLZK）等。北斗/GPS雙模用戶機信息傳輸格式如表1所示。

表1中“指令/內(nèi)容”表示不同通信消息的類型；“長度”表示從消息的起始符“$”開始到“校驗和”（包含校驗和）為止的數(shù)據(jù)總字節(jié)數(shù)；“用戶地址”為本地的與外設(shè)相連的用戶機ID號，長度為3字節(jié)，其中有效位為低21 bit，高3 bit填“0”；“校驗和”是指從消息的起始符“$”起到“校驗和”前一字節(jié)，也按字節(jié)求異或的結(jié)果；“信息內(nèi)容”里面主要包含了通信方的用戶機ID號（24 bit）、電文長度（16 bit）、電文內(nèi)容（最長1 680 bit）等信息。

表1 北斗/GPS雙模用戶機的通信格式Table 1 Beidou/GPS dual mode data transfer format

車載終端采集系統(tǒng)采集的運輸車輛地理位置信息、車廂溫度和監(jiān)控管理中心的人機操作指令等信息以通信申請 TXSQ方式作為信息內(nèi)容里面的電文內(nèi)容，通過北斗/GPS雙模用戶機發(fā)送[22]。接收端接收到通信信息TXXX格式的數(shù)據(jù)后，對字節(jié)數(shù)據(jù)進行異或校驗，如果校驗結(jié)果不正確，以通信申請TXSQ方式申請數(shù)據(jù)重發(fā)。電文內(nèi)容的編碼格式如表2所示。

表2中，消息ID的高8位表示信息來源，“50”表示信息來自車載終端采集系統(tǒng)，“51”表示信息來自監(jiān)控管理中心；低 8位用來區(qū)分不同的信息類型，“01”表示定位數(shù)據(jù)，“02”表示溫度數(shù)據(jù)，“03”表示人機操作指令，“04”表示申請重發(fā)。

表2 消息ID和Data域的定義Table 2 Definition of message ID and Data

2.3 車廂溫度數(shù)據(jù)采集

病死豬無害化處理運輸車輛車廂內(nèi)溫度監(jiān)測是運輸車輛監(jiān)測必不可少的環(huán)節(jié)。系統(tǒng)采用密封封裝的金屬鉑熱敏電阻溫度傳感器（型號PT1000，量程為120 ℃），如圖4所示。在0 ℃時電阻值標定為1 000 Ω。隨著溫度的上升，電阻值會均勻增大，線性決定系數(shù)為R2=0.999[23]。運輸車輛車廂內(nèi)溫度變化在-5～75 ℃范圍。鉑的阻值R與溫度T之間關(guān)系為

由鉑電阻組成的溫度檢測電路以及與A/D轉(zhuǎn)換的參考電壓之間的關(guān)系，導(dǎo)出溫度傳感器輸出電壓 u（mV）與溫度T（℃）之間的關(guān)系為

圖4 溫度傳感器Fig.4 Temperature sensor

2.4 TTS語音轉(zhuǎn)換模塊

運輸車輛的智能調(diào)配與管理主要依靠車載終端采集系統(tǒng)的 TTS語音轉(zhuǎn)換模塊，將監(jiān)控管理中心端的北斗/GPS雙模用戶機發(fā)送的調(diào)配指令的文本信息內(nèi)容轉(zhuǎn)換成語音信號播放出來。

本系統(tǒng)選用科大訊飛信息科技有限公司生產(chǎn)的XF-S4240嵌入式中文語音合成模塊，支持男/女聲發(fā)音，允許發(fā)送數(shù)據(jù)的最大長度為1KB字節(jié)。主控芯片微處理器通過RS232串口可以向TTS模塊發(fā)送控制指令，實現(xiàn)語速、語調(diào)以及音量等的靈活調(diào)節(jié)[24]。

3 定點消毒監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

3.1 定點消毒監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

定點消毒監(jiān)控系統(tǒng)主要由主控電路板、RFID讀寫器和GPRS模塊組成。定點消毒監(jiān)控系統(tǒng)的組成框圖如圖5所示。

圖5 定點消毒監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成框圖Fig.5 General structure of point disinfection monitoring system

病死豬無害化處理運輸車輛進入消毒點需要對車輛進行消毒。在每輛病死豬的運輸車上需要安裝一個RFID有源電子標簽，消毒通道上安裝定點消毒監(jiān)控系統(tǒng)[25]。運輸車輛進入消毒通道，定點消毒監(jiān)控系統(tǒng)通過RFID讀寫器讀取車輛上的RFID有源電子標簽，實現(xiàn)對運輸車輛的識別。然后通過 GPRS模塊將車輛的消毒信息傳輸至監(jiān)控管理中心。

3.2 運輸車輛標識

RFID讀寫器與車載RFID有源電子標簽分別選用上海秀派電子科技有限公司生產(chǎn)的型號為 SP-RFS-830 RFID讀寫器和SP-TGS-D 有源電子標簽，如圖6所示。

圖6 SP-TGS-D型號電子標簽Fig.6 Electronic tag of SP-TGS-D

讀寫器工作頻段在2.4～2.48 GHz，最大讀取距離為80 m，能夠滿足運輸車輛到達指定消毒點進行定點消毒監(jiān)控的要求[25]。主控芯片通過串口與RFID讀寫器連接，采用主被方式，即主控芯片為主動，讀寫器為被動。RFID有源電子標簽的ID號編碼格式如表3所示。

表3 RFID 電子標簽ID號編碼格式Table 3 RFID tags ID number format

具體流程圖如圖7所示。主控微處理器通過RFID讀寫器讀取車載RFID有源電子標簽的ID號，然后對讀取到的ID號進行校驗，判斷讀取到的數(shù)據(jù)是否正確，如果不正確，重新讀取電子標簽ID號；如果校驗結(jié)果正確并且該ID號在允許進入的列表中，則允許該車輛進入消毒通道，然后通過 GPRS模塊將該車輛消毒信息：監(jiān)控時間、RFID電子標簽的ID號（ID號里面包含車輛車牌號，司機姓名、聯(lián)系方式）、消毒情況等信息發(fā)送到監(jiān)控管理中心，監(jiān)控管理中心對收到的數(shù)據(jù)進行分析、處理，實現(xiàn)病死豬運輸車輛定點消毒的監(jiān)控。

圖7 定點監(jiān)控系統(tǒng)流程圖Fig.7 Flow diagram of fixed-point monitoring system

4 定位精度分析

4.1 坐標轉(zhuǎn)換

北斗系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)是2種不同的導(dǎo)航系統(tǒng)。GPS系統(tǒng)使用世界大地系統(tǒng)-1984（WGS - 84）坐標系統(tǒng)，在北斗參考系統(tǒng)使用 2000中國大地坐標系（CGCS2000）坐標系統(tǒng)[21,25]。結(jié)合北斗/GPS應(yīng)用，WGS-84坐標與CGCS2000坐標轉(zhuǎn)換為

式中X、Y和Z為三維坐標方向； L為經(jīng)度；B為緯度；H為高度；N是曲率半徑；x是橢圓的半長軸，y是橢圓的短半軸。e為橢圓的偏心率。采用卡爾曼濾波算法對北斗/GPS實時定位，公式為

式中LK為向量；VK是動態(tài)值；KK-1為狀態(tài)值；XK狀態(tài)向量；AK是系數(shù)矩陣；HK,K-1是狀態(tài)矩陣，JK是增益矩陣，是矩陣預(yù)測，PK,K-1為方差矩陣的矩陣預(yù)測，PK,K是方差矩陣的過濾值，RK是測量方差矩陣。

式中 Ii×i是單位矩陣，0i×i是 i×j的 0 矩陣，?T 是歷元間隔。有3個向量參數(shù)，3個歐拉角和一個比例因子，模型轉(zhuǎn)換如公式（12）。

式中[?X, ?Y, ?Z]是變換的參數(shù)；εX、εY、εZ是旋轉(zhuǎn)的參數(shù)；k是比例因子；Di是中國大地坐標系；Di是世界大地坐標系。

4.2 定位精度分析結(jié)果

利用GAMIT軟件計算觀測點的三維坐標。首先計算空間直角坐標與行駛車輛坐標值之間的誤差，然后在X、Y、Z方向計算精度[25]。如圖8所示，給出了GPS衛(wèi)星系統(tǒng)在空間直角坐標系下的定位結(jié)果。在三維坐標方向（X，Y，Z）與接收機實際坐標之間存在誤差范圍。誤差范圍在12 m以內(nèi)。

注：dx、dy 和dz分別為X、Y、Z方向的定位誤差。下同。Note: dx, dy and dz are positioning errors in X, Y and Z directions. Same as below.

如圖 9所示，給出了北斗衛(wèi)星系統(tǒng)在空間直角坐標系下的定位結(jié)果。在三維坐標方向（X,Y,Z）與接收機實際坐標之間存在誤差范圍。誤差范圍在12 m以內(nèi)。

如圖10所示，給出了北斗/GPS衛(wèi)星系統(tǒng)在空間直角坐標系下的定位結(jié)果。

在三維坐標方向（X, Y, Z）與接收機實際坐標之間存在誤差范圍。誤差范圍在8 m以內(nèi)。

在X方向，北斗/GPS組合的精度相比GPS定位而言，精度高 60.41%，北斗/GPS組合的定位精度比北斗高50.61%。在Y方向，北斗/GPS組合定位精度比單獨GPS定位而言，定位精度提高48.46%；與北斗相比，北斗/GPS組合定位精度提高了46.83%。在Z方向，北斗/GPS組合定位精度比GPS定位精度提高53.9%，北斗/GPS組合比北斗定位精度提高57.8%。

圖9 BDS模式下X、Y和Z方向的定位誤差Fig.9 Positioning error is in X, Y and Z directions under BDS mode

圖10 BDS/GPS模式下X、Y、Z方向的定位誤差Fig.10 Positioning error in X, Y and Z directions under BDS/GPS mode

與GPS和BDS單獨定位相比，BDS/GPS組合在偏遠山區(qū)的總體定位精度分別提高了55.13%和52.71%。計算不同衛(wèi)星系統(tǒng)模式下X、Y、Z方向的坐標定位精度, 結(jié)果如表4所示。

表4 北斗/GPS組合定位精度Table 4 Positioning accuracy of BDS/GPS combination %

5 Floyd最短路徑算法

Floyd算法是解決任意兩點間的最短路徑的一種算法，在進行優(yōu)化時候，需要引入矩陣S，矩陣S中的元素a[i][j]表示頂點i（第i個頂點）到頂點j（第j個頂點）的距離，如果i和j不相鄰，則a[i][j]=∞。假設(shè)圖11中頂點個數(shù)為7，則需要對矩陣S進行7次迭代。

圖11 運輸路線優(yōu)化Fig.11 Optimization of transportation routes

將某山區(qū)道路作為路徑優(yōu)化，用Matlab軟件調(diào)用程序[26]。由于是偏遠山區(qū)，直線距離不能反映真實距離；所以采用運輸時間來代替運輸距離。其中1距離2運行時間為7 min，2至3運行時間為19 min，3至4運行時間為4 min，4至5為運行時間10 min，5至2運行時間為5 min，2至6運行時間為19 min，6至7運行時間為11 min。初始化矩陣S，得到D矩陣和P矩陣[27]。如表5所示。初始矩陣P為7階方陣P7，P=[aij]7×7，aij=j-1 (i=1,2, 3, 4, 5, 6, 7；j= 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7)。

表5 初始矩陣DTable 5 Initial matrix D

假如“a[i][j]的距離”＞“a[i][0]+a[0][j]”（a[i][0]+a[0][j]表示“i與j之間經(jīng)過第1個頂點的距離”），則迭代a[i][j]為“a[i][0]+a[0][j]”。

迭代后的矩陣為D7和P7，如表6和表7所示。

表6 迭代后矩陣D7Table 6 Iterative matrix D7

表7 迭代后矩陣P7Table 7 Iterative matrix P7

編寫Floyd程序代碼，在Matlab平臺上運行該代碼得到編號1到編號7的最優(yōu)路徑為1→2→3→7。仿真結(jié)果如圖12所示。

圖12 仿真結(jié)果Fig.12 Simulation results

6 監(jiān)控管理中心設(shè)計

6.1 監(jiān)控管理中心系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)開發(fā)工具：Visual studio 2010，SQL server 2008，IIS7.0，ArcGIS Engine，采用NET Framework 4.0框架；開發(fā)語言為 C#。系統(tǒng)開發(fā)工具：Visual studio 2010，ArcGIS Engine，采用NET Framework 4.0框架。

6.2 服務(wù)器設(shè)計

服務(wù)器主要完成與車載終端采集系統(tǒng)間的北斗通信，定點消毒監(jiān)控系統(tǒng)間基于 GPRS的通信，與客戶端間基于TCP/IP協(xié)議的通信，對數(shù)據(jù)的分析、處理與存儲，并生成病死豬無害化處理的運輸線路圖[28]。

在Visual Studio 2010開發(fā)環(huán)境下采用C#語言創(chuàng)建一個 Windows窗體應(yīng)用程序，在窗體應(yīng)用程序中調(diào)用“SerialPort”控件，實現(xiàn)服務(wù)器與北斗/GPS雙模用戶機間基于串口的雙向有線通信，接收由車載終端采集系統(tǒng)的北斗/GPS雙模用戶機發(fā)送過來的病死豬運輸車輛地理位置信息和車廂溫度信息。當(dāng)服務(wù)器接收到北斗/GPS雙模用戶機傳回的數(shù)據(jù)時，會觸發(fā)“DateReceived”事件，在“DateReceived”事件中對數(shù)據(jù)進行讀取、處理，最后將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中[29]。

監(jiān)控管理中心的服務(wù)器與客戶端、定點消毒監(jiān)控系統(tǒng)間的通信均屬于TCP/IP協(xié)議的通信，所以在服務(wù)器的窗體應(yīng)用程序中需要創(chuàng)建1個socket對象，綁定本機的IP地址和端口號，利用Listen()方法進行監(jiān)聽。

6.3 客戶端設(shè)計

客戶端窗體應(yīng)用程序中同樣需要創(chuàng)建1個socket對象，通過 Connect方法連接服務(wù)器，實現(xiàn)與服務(wù)器間的TCP/IP協(xié)議通信。利用ArcGIS Engine中的“MapControl”控件將從服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中讀取到的病死豬運輸線路軌跡點載入到電子地圖中[30]。通過“Point”對象實現(xiàn)“IPoint”接口，利用該接口的“PutCoords”方法設(shè)置點對象的坐標值，由于地理位置信息是多個坐標的標識，因此需要定義一個“IPonit”的數(shù)組，通過“RGBColor”對象實現(xiàn)“IColor”接口，然后利用“IColor”接口的“RGB”屬性設(shè)置顏色，用來標識不同位置的地理位置信息，將采集到的地理位置信息與電子地圖上圖層的信息進行匹配，實現(xiàn)病死豬運輸軌跡線路的實時顯示[31]。

采用ArcGIS將采集到的病死豬運輸車輛定位數(shù)據(jù)導(dǎo)入到電子地圖中，更直觀的顯示病死豬運輸軌跡。但是由于各種誤差的真實存在，比如偏遠鄉(xiāng)鎮(zhèn)道路在地圖上無顯示，地圖上的軌跡線與實際行駛道路偶爾存在一定的誤差[32]。本系統(tǒng)考慮到病死豬無害化處理運輸車輛主要行駛的路段都位于縣、鄉(xiāng)級道路上，所以利用最短距離法進行地圖匹配，根據(jù)道路屬性，預(yù)先設(shè)置一個匹配的閾值，通過計算當(dāng)前地理位置數(shù)據(jù)與各個路段之間的距離以及地理位置數(shù)據(jù)在該定位路段上的最短距離點，將得到各個路段的距離進行比較，得到有效距離最短的路段認定為該點匹配的有效路段。

7 現(xiàn)場測試運行

實地測試時候，在各個不同的收集點需要指定消毒站，進行定點消毒（每15 km處設(shè)定1個消毒點），確保運輸車輛的安全，合理規(guī)避污染源。

車載終端采集系統(tǒng)與監(jiān)控管理中心建立北斗通信連接后，運輸車輛以30 km/h的速度勻速行進，運行線路全程約為65 km，需要經(jīng)過4個消毒點[30,4]。車載終端采集系統(tǒng)試驗時設(shè)定每隔1 s獲取1次定位信息，并將車輛當(dāng)前位置信息發(fā)送至監(jiān)控管理中心；由于車廂溫度變化緩慢，設(shè)定每隔5 min測量并傳輸1次車廂溫度數(shù)據(jù)到監(jiān)控管理中心。對運輸車輛全程監(jiān)測，監(jiān)控管理中心接收到的車輛地理位置信息、車廂溫度數(shù)據(jù)及病死豬運輸線路軌跡圖顯示結(jié)果如圖13a、13b所示。

在對運輸車輛全程監(jiān)測的過程中，由于同時對北斗通信的丟包率進行了測試，測試結(jié)果如表8所示。

由表8可知北斗通信的平均丟包率為0.26%，系統(tǒng)通信穩(wěn)定、可靠。研究小組連續(xù)5 d對定點消毒監(jiān)控系統(tǒng)進行了測試。進入消毒點的RFID車輛識別誤差率測試結(jié)果為0.97%，出現(xiàn)誤差是由于如表9所示。出現(xiàn)識別誤差的原因是由于多方面，比如自身質(zhì)量問題、通信網(wǎng)絡(luò)基站信號以及山區(qū)濕度太大導(dǎo)致標簽含水分等，這方面會在下一步研究中分析。監(jiān)控管理中心獲取到的運輸車輛定點消毒信息如圖14所示。

圖13 運輸測試信息Fig.13 Transport test information

表8 北斗通信丟包率統(tǒng)計Table 8 Packet loss rate of Beidou

表9 車輛識別誤差率Table 9 Vehicle identification error rate

圖14 定點消毒信息Fig.14 Site-specific disinfection information

圖14表明，整個系統(tǒng)通信穩(wěn)定可靠能夠滿足病死豬無害化處理監(jiān)控管理系統(tǒng)的應(yīng)用需求，系統(tǒng)通過ArcGIS Engine將病死豬運輸線路軌跡導(dǎo)入地圖，實現(xiàn)對運輸車輛行駛線路的實時跟蹤，方便監(jiān)管人員對運輸車輛的行駛路線進行實時追溯與查詢。

8 結(jié) 論

基于物聯(lián)網(wǎng)的病死豬無害化處理山區(qū)運輸監(jiān)控系統(tǒng)不僅方便工作人員對運輸車輛進行實時監(jiān)控，同時也方便政府衛(wèi)生防疫部門準確了解病死動物無害化處理實時狀況，對中國病死動物無害化處理工作具有十分重要的意義。本文主要完成了以下內(nèi)容：

1） 提出將北斗/GPS雙模用戶機的導(dǎo)航定位功能與短報文通信功能應(yīng)用到病死豬無害化處理監(jiān)控管理系統(tǒng)中，對病死豬運輸車輛進行全程定位跟蹤。

2）利用北斗短報文通信功能實現(xiàn)病死豬運輸線路的地理位置信息、車廂溫度等環(huán)境參數(shù)的遠程傳輸，經(jīng)測試，北斗通信的網(wǎng)絡(luò)丟包率為0.26%，RFID技術(shù)在車輛識別中的錯誤率為0.97%。滿足系統(tǒng)的通信要求，通信穩(wěn)定可靠。

3）定點消毒監(jiān)控系統(tǒng)RFID技術(shù)識別進入定點消毒站的車輛，對運輸車輛是否按照規(guī)范進行消毒操作實時有效監(jiān)督。

4）通過對 BDS/GPS雙模定位的分析，通過試驗證明，與GPS和BDS相比，BDS/GPS組合的總體定位精度分別提高了55.13%和52.71%。采用Floyd最短路徑算法優(yōu)化運輸車輛的行駛路徑，并進行了仿真驗證。結(jié)果表明，BDS/GPS雙模定定位和Floyd算法能夠滿足山區(qū)無害化運輸車輛的運輸要求。