0 引言

在經(jīng)濟全球化大發(fā)展的趨勢下，中國“世界工廠”地位的確立和對國際資源的依賴，都將產(chǎn)生巨大的運輸需求。集裝箱運輸是一種先進的運輸方式，是現(xiàn)代物流業(yè)的重要組成部分。隨著物流行業(yè)的發(fā)展，集裝箱定位器（系統(tǒng)）變得越來越重要，對于物流過程中的安全及時效性要求越來越高。因為不管是在國內(nèi)還是國外，客戶都希望通過手機或者電腦能夠及時了解貨物的位置及狀態(tài)，擔(dān)心著貨物是否能夠準時到達自己手中，以防誤工時。應(yīng)用衛(wèi)星定位，定位精確，只要能接收到四顆衛(wèi)星的定位信號，就可以進行誤差在5~10米以內(nèi)的定位。但衛(wèi)星定位受天氣和位置的影響較大，當(dāng)天氣不佳的時候或者處于高架橋下信號會發(fā)生中斷。因此通過借鑒國內(nèi)外對集裝箱定位系統(tǒng)的研究理論和技術(shù)，采用融合衛(wèi)星定位與基站無線定位方式可以解決信號覆蓋不完全的問題，兩種定位方式技術(shù)互相補充，構(gòu)建一個無盲區(qū)、不間斷、實時的定位監(jiān)控系統(tǒng)，運用此系統(tǒng)對集裝箱的位置、實時運行狀況等信息進行監(jiān)控，從而能及時獲取集裝箱貨物的狀況并能及時地排除不必要的物品損失和人員傷亡。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

雙定位系統(tǒng)對集裝箱運輸途中的位置進行追蹤，定位裝置利用衛(wèi)星定位技術(shù)，并將經(jīng)度、緯度、溫度、加速度、時間、電壓信息通過通信模塊回傳至中央信息系統(tǒng)。終端采用無線通信方式將原始采集信息直接發(fā)送至鐵路集裝箱定位信息系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸滿足集裝箱定位信息系統(tǒng)通信協(xié)議要求。

主體硬件架構(gòu)：以實時快速追蹤定位為主要目的，采集位置、時間、溫度、濕度、加速度及電壓，能夠最大程度地減少電能的消耗。主要包含模塊：主控芯片、4G/3G/2G全網(wǎng)通通信芯片、衛(wèi)星定位芯片、藍牙芯片、振動傳感器、溫濕度傳感器、電源轉(zhuǎn)換模塊、防爆電池、復(fù)合電容、計時模塊、外置flash、庫侖計、可觸發(fā)式RFID電子標簽、GSM天線、GPS天線、蜂鳴器。總體框圖如圖1所示。

圖1 定位系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

MSP430F248是定位系統(tǒng)中的中心控制模塊的核心芯片，它的Flash存儲器用于MSP430F248和SIM7600E程序的存儲，SDRAM存儲器用于運行程序和緩存臨時數(shù)據(jù)，Msp430f248外部EEPROM存儲器用于保存測量結(jié)果等重要信息。其USART串口接口用來連接無線數(shù)據(jù)傳輸模塊和GPS定位模塊，通過DMA控制器實現(xiàn)模塊之間的通信。其I/O端口用于連接GPS定位模塊的射頻前端并控制相應(yīng)的模塊，實現(xiàn)相應(yīng)的模塊功能。Msp430f248與JTAG仿真接口外接，用于連接計算機，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)終端代碼的刻錄和調(diào)試。射頻前端的核心芯片是Nrf52840。無線數(shù)據(jù)傳輸模塊基帶信號處理部分和GPS定位模塊的核心芯片是Sim7600e，用于實現(xiàn)GPS信號的接收、采集和處理，并將信號傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。硬件電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 定位系統(tǒng)的硬件電路總體結(jié)構(gòu)

3 定位器監(jiān)控中心設(shè)計

監(jiān)控中心客戶端由和Web監(jiān)控系統(tǒng)組成。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)服務(wù)器?？蛻舳说墓δ苁菍崿F(xiàn)查看集裝箱最后集裝箱實時定位、位置分布、歷史軌跡回放等。監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖3所示。使用IIS構(gòu)建Web服務(wù)器，SQL服務(wù)器構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，ASP Net 4.6在Windows操作系統(tǒng)上構(gòu)建應(yīng)用服務(wù)器，使用AJAX技術(shù)實現(xiàn)開發(fā)，并使用嵌入在Google Maps API中的WebGIS技術(shù)為客戶提供基于空間分布的位置定位和軌跡再現(xiàn)等多種信息服務(wù)，提高地理信息資源的利用和共享。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計框圖

圖5 雙定位模式流程圖

4 定位器雙定位模式的軟件程序設(shè)計

4.1 MSP430主程序設(shè)計

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)終端的功能要求，MSP430的主要程序設(shè)計主要包括串口中斷處理功能、配置串口參數(shù)、數(shù)據(jù)處理功能和模塊初始化功能。MSP430的主要設(shè)計流程如圖4所示。硬件模塊使用5V DC作為輸入電源。通電后配置MSP430資源。首先初始化硬件：初始化硬件片上資源，如時鐘、定時器、串口、I/O端口和引腳，并設(shè)置波特率和數(shù)據(jù)位等；然后依次初始化串口、GPS和GPRS模塊；接著初始化nrf52840和sim7600e芯片。程序首先會檢查芯片的存在情況。如果存在，nrf52840將通過MSP430的I/O端口進行控制，sim7600e將使用AT命令對其進行初始化，包括檢測SIM卡的狀態(tài)以及GPRS網(wǎng)絡(luò)是否被覆蓋，當(dāng)終端的位置覆蓋GPRS網(wǎng)絡(luò)并且與Web系統(tǒng)服務(wù)器的連接成功時，GPS初始化開始，GPS通過MSP430的串口2連接，直接接收定位數(shù)據(jù)，由DMA芯片的內(nèi)外設(shè)備控制。當(dāng)有GPS數(shù)據(jù)時，DMA被中斷，數(shù)據(jù)將由系統(tǒng)讀取。讀取的數(shù)據(jù)將通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實時傳輸?shù)椒?wù)器，實現(xiàn)定位終端的設(shè)計。

圖4 定位系統(tǒng)主程序流程圖

4.2 雙定位模式的實現(xiàn)

定位裝置支持衛(wèi)星和基站定位雙定位模式。當(dāng)裝置判斷注冊的移動通信商為國內(nèi)運營商時自動選擇按照基站定位模式，當(dāng)裝置判斷注冊的移動通信商為國外運營商時首先選擇衛(wèi)星定位，衛(wèi)星定位無效的情況下再轉(zhuǎn)為基站定位。

定位裝置在衛(wèi)星定位模式下，存在無法獲取GPS信號的可能，為此定位裝置設(shè)置了GPS定位時間閾值，如果定位裝置超過定位時間閾值依然無法達到搜星要求并成功定位，則將本次定位轉(zhuǎn)為基站定位，獲取基站定位信息。

定位裝置在基站定位模式下，存在無法獲取基站信息的可能性，為此定位裝置設(shè)置了注冊時間閾值，如果定位裝置超過注冊時間閾值，依然無法獲取基站信息，實現(xiàn)基站定位，則將本次定位轉(zhuǎn)為GPS定位，獲取定位信息。

5 結(jié)論

本文提出了一種基于衛(wèi)星定位和基站雙定位模式的集裝箱定位系統(tǒng)，對硬件和軟件進行了詳細的設(shè)計，建立了一種實時、可靠、高效的集裝箱運輸動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，通過實時跟蹤集裝箱，實現(xiàn)對車輛的動態(tài)監(jiān)控，保證車輛的運輸安全，提高運輸效率。