基于ZigBee和GSM的農產品物流信息采集系統設計

顧延濤，劉成忠，徐緯芳

（1.甘肅農業大學工學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農業大學信息科學技術學院，甘肅 蘭州 730070）

在農產品物流運輸過程中，及時監測農產品儲運信息十分重要。針對現有車載系統大多局限于運輸車輛的定位監測，而很少對封閉式貨倉車的內部儲運環境的參數實行監測的缺點，筆者設計了一種以ARM11高性能微處理器為核心的嵌入式車載信息采集系統。該系統使用ZigBee技術和GPS定位技術實現對儲運參數的采集，采用GSM網絡的短信業務實現對儲運參數的傳輸，可以有效的對運輸中的農產品進行實時監測，在出現問題時能夠及時采取有效措施，保證農產品運輸中質量，同時對農產品的儲運調配起到指導作用。這為建立一個高效快捷實時準確的農產品物流網絡管理系統提供了有效的解決方案，對于降低農產品物流成本具有實際意義。

1 ZigBee技術簡介

ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術，主要工作于免授權的2.4 GHz頻段，傳輸速率為10～250 kbit/s，傳輸距離可達75 m，底層采用專為短距離通訊制定的IEEE802.15.4協議[1]。ZigBee無線通訊技術具有延時短，傳輸數據可靠，支持鑒權和安全認證等特點，使其適用于實時的工程控制應用。

2 系統總體設計

2.1 系統功能需求

農產品物流所需采集的儲運信息分為兩類：一是儲運車輛的地理位置信息，如經度、緯度等；二是儲運過程中貨倉環境參數信息，如溫度、濕度、氣體成分等。筆者將從軟硬件的綜合考慮來解決儲運信息采集準確性與數據傳輸實時性的突出問題。

2.2 系統體系結構

根據對儲運信息采集管理的需要，系統由數據采集平臺和數據管理中心所組成，二者通過GSM網絡相聯系。數據采集平臺由GPS接收模塊、ZigBee收發模塊（由ZigBee協調器模塊和ZigBee終端采集模塊組成）、GSM通信模塊和ARM11處理器組成。GPS接收模塊負責接收從衛星傳送過來的儲運車輛的經度、緯度等地理位置信息，ZigBee收發模塊負責對儲運環境參數信息的采集，GSM通信模塊負責向數據管理中心傳輸采集到的信息。數據管理中心由GSM通信模塊和Web服務器組成。GSM通信模塊接收數據采集平臺發送過來的編碼信息，Web服務器通過串口和GSM通信模塊通信，對通信信息進行解譯，并存儲到數據庫中，Web用戶通過網頁形式登陸完成以數據庫操作為核心的查詢、記錄等功能。

3 系統硬件設計

數據采集平臺硬件系統主要由ARM11處理器模塊、GPS接收模塊、GSM通信模塊、ZigBee協調器模塊、ZigBee終端采集模塊等組成（圖1）。

圖1 平臺硬件結構

3.1 ARM11處理器模塊設計

數據采集平臺需要高傳輸效率的數據集成儲存、智能處理、傳輸通訊的能力，所以在平臺的硬件設計時，選擇了一款低功耗、高性價比的ARM11系列處理器，其內核型號為ARM1176JZF-S，擁有一條具有獨立的load-store和算術流水線的8級流水線，在同樣工藝下，ARM11處理器的性能與ARM9相比大約提高了40%[2]。研究采用SAMSUNG S3C6410為微處理器，使用了4 Bit以上的硬件糾錯算法，很好的保證了運行的可靠性，使用線性電源和開關電源相組合的電源管理方式，在降低功耗的同時保證系統穩定性。

3.2 GPS接收模塊和GSM通信模塊設計

GPS接收模塊采用芬蘭FASTRAX公司的i－Trax03-02 GPS_OEM接收機。其具有較小的尺寸，休眠時功耗僅為20μW，連續導航時不超過95 mW，并且冷啟動時間為35 s，熱啟動時間為4.5 s，具有極快的信號獲取引擎，可接收NMEA0183格式的數據和二進制的iTack格式數據[3]。OEM接收機帶有串口可直接和開發板S3C6410的串口連接工作，省時方便。GSM通信模塊采用SIEMENS公司的TC35i模塊。該模塊可以實現語音、短消息服務等傳輸，可工作在900 MHz和1 800 MHz的雙頻段，支持 Text和 PDU格式的 SMS（Short Message Service），可通過AT命令或關斷信號實現重啟和故障恢復。開發板S3C6410通過串口與TC35i進行通訊，并通過兩根I/O口控制TC35i的開關機、復位[4]。

3.3 ZigBee收發模塊設計

ZigBee收發模塊采用飛比電子科技有限公司推出的一款符合IEEE802.15.4規范的CC2530MDK開發套件。CC2530MDK開發套件中的節點都是由FB2530RF射頻模塊和FB2530EB全功能擴展板組成，支持對協議棧ZStack、協議棧Freakz等的移植。開發板S3C6410通過使用用戶IO擴展串口與Zig－Bee協調器模塊相連接。

4 系統軟件設計

4.1 數據采集平臺軟件設計

平臺選用Wiondows Embedded CE 6.0構建實時操作系統。平臺的系統層開發使用包含Plat form Builder插件的Visual Studio 2005專業版作為開發工具，安裝硬件廠商提供的BSP（Board Support Package）源碼包，通過Plat form Builder將編譯好的滿足系統功能需求的WinCE.NET操作系統下載到設備平臺上。平臺的系統應用層使用Visual Studio 2005作為集成開發環境，使用Wiondows CE提供的SDK開發包開發應用程序，通過Microsoft ActiveSync4.5實現應用程序從PC機到設備平臺的部署。當系統啟動完成，運行信息采集軟件，首先對系統進行初始化和參數設置，完成后就開始進入數據采集狀態。Wiondows CE具有多線程和多進程機制，所以主控制進程可以分別調用ZigBee接收進程、GPS接收進程。當數據采集進程完畢后，主控進程對數據進行處理和存儲。然后調用GSM通信進程，向數據管理中心發送本次采集的信息，成功后完成本次采集任務（圖2）。

4.2 ZigBee節點的軟件設計

圖2 信息采集程序流程

在此項目中ZigBee網絡節點分為ZigBee協調器節點和ZigBee終端節點兩個部分。ZigBee協調器節點主要負責配置網絡參數、建立網絡、接收采集數據等。ZigBee終端節點主要通過查找加入網絡，驅動傳感器進行數據采集，將采集的數據打包發送給協調器。對于協調器節點和終端節點的軟件設計，研究利用了德州儀器（TI）公司提供的符合ZigBee規范的Z-Stack協議棧，它是一個最基本的輪轉查詢式操作系統。筆者采用ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0下的工程演示文件，在IAR公司提供的集成開發環境IAR Embedded Workbench For C8051下通過修改和添加任務進行編譯，正確完成編譯后，使用編程器將編譯好的程序下載到對應的節點板中，并完成對節點板的設定，便可組網。

4.3 GPS數據接收程序設計

GPS_OEM接收機輸出的定位信息符合NMEA-0183通信標準。NMEA-0183通信標準采用ASCII碼，其串行通信默認參數為：波特率為4 800 bps，8位數據位，1位開始位，1位停止位，無奇偶校驗[5]。NMEA-0183協議定義的語句有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC、$GPVTG、$GPGLL 等。GPS模塊輸出的所有信息由$（幀命令起始位）開始，以換行結束，緊跟著$后的5個字符解釋了信息的基本類型，多個參數之間用逗號隔開。筆者采用RMC語句（具有最小數據量的定位信息），它的語句格式參見文獻[6]。當系統調用GPS采集程序，首先初始化串口并打開GPS，然后開始采集GPS信息。從NMEA-0183通信協議的幀格式可知，首先判斷緊跟著$后的5個字符，當接收到“$GPRMC”后，才開始接收其后數據并判斷數據是否有效，數據正確接收保存，否則重新接受數據，完成后關閉GPS模塊（圖3）。

4.4 GSM數據發送程序設計

圖3 GPS數據接收程序流程

SMS短消息服務可以實現數據采集平臺與數據管理中心的數據傳輸，具有實現簡單、抗干擾強、成本低廉的特點。TC35i模塊提供了符合GSM07.07規范的AT命令集接口，處理器模塊通過串口使用AT指令實現對GSM模塊接收和發送消息的控制。其串口通信協議：波特率為9 600 bps，8位數據位，1位停止位，無校驗位[7]。系統運行本程序后，首先進行初始化串口和GSM模塊，使用AT指令對GSM進行必要設置；然后將要發送的數據統一編碼為UCS2碼，并打包成PDU數據包的格式，使用AT命令進行信息發送；最后通過檢測串口返回信息判斷發送是否成功（圖4）。

圖4 GSM數據發送流程

4.5 數據管理中心軟件設計

數據管理中心采用B/S（Browser/Server）結構基于J2EE架構的總體開發方案，使用JSP（Java Server Pages）技術對串口進行操作，采用SQL Server 2005作為后臺數據庫[8]。基于JSP技術開發的動態網頁，具有平臺無關性、訪問數據庫快、安全性高等特點，更適合數據管理中心網站建設。

[1] 黃 磊.基于IEEE 802.15.4/ZigBee技術的智能家居方案研究[D].武漢：武漢科技大學，2009.

[2] ARM Limited.ARM1176JZF-S Technical Reference Manual（rev r0p7）[Z].ARM Corporation，2004.

[3] Fastrax.IT03-02_Datasheet[EB/OL].http：//www.fastraxgps.com/products/gpsmodules/03series/it0302/，2007-09-20.

[4] 劉秋艷.基于TC35模塊的無線LED顯示屏的設計 [D].天津：天津工業大學，2006.

[5] 韓曉新，邢紹邦，沈 琳.基于AT89C52單片機的液晶GPS定位儀設計[J].工礦自動化，2010，（2）：38-40.

[6] 王丙祥，李建海.基于89C52的GPS板電路設計與實現[J].西安文理學院學報（自然科學版），2007，10（3）：98-101.

[7] 趙立燕，許 亮.基于GSM短信息的溫室環境監測系統[J].電子設計工程，2009，（7）：29-31.

[8] 周 桓，王殊宇.JSP項目開發全程實錄[M].北京：清華大學出版社，2008.