貨物運輸智能化監(jiān)控系統(tǒng)設計

吳 迅

（湖北物資流通技術研究所，湖北 襄陽 441002）

1 引言

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，貨物運輸已經(jīng)成為國民經(jīng)濟中的重中之重。但是近年來，隨著貨物運輸量的增大，在運輸過程中的貨物損失也越來越大，不僅給貨物承運人和保險公司帶來損失，而且也給貨物接收單位帶來巨大的傷害。因此，我們亟需一種能對貨物運輸過程進行實時監(jiān)控的設備及系統(tǒng)，以減少運輸中的損失。

本文以在運貨物為研究對象，利用貼在貨物包裝上的能夠采集多個參數(shù)的智能化電子標簽(WWSID，Wisdom Wireless Sensor Identification)來采集貨物包裝上的參數(shù)變化，以便在貨物發(fā)生包裝異常變形、受壓、震動、過度位移、溫濕度超范圍變化、盜竊丟失等時能夠及時向貨車司機和監(jiān)控中心發(fā)出警示，以便及時的對貨物進行處理，將可能發(fā)生或即將發(fā)生的事故消滅在萌芽狀態(tài)。

2 系統(tǒng)總體架構設計

基于物聯(lián)網(wǎng)技術的在運貨物智能化監(jiān)控系統(tǒng)總體架構設計如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構圖

該系統(tǒng)由三部分組成，第一部分為智能化電子標簽節(jié)點，該節(jié)點通過節(jié)點上附帶的傳感器采集貨物包裝上面的各種信息，并把該信息通過無線網(wǎng)絡傳送到無線接收節(jié)點。第二部分為車載終端，該終端通過無線接收節(jié)點接收智能化電子標簽傳送過來的信息，并把該信息顯示在帶有操作系統(tǒng)的LCD 屏幕上，以供司機直觀地了解貨物的各種狀態(tài)。第三部分為互聯(lián)網(wǎng)終端，該終端通過車載終端的GPRS 接收車載終端發(fā)送過來的貨物信息和GPS 定位信息，以供監(jiān)控中心人員參考。

3 智能化電子標簽節(jié)點的設計

3.1 硬件的設計

智能化電子標簽的設計必須滿足：（1）具有數(shù)據(jù)采集的功能，采集貨物包裝箱上面的各種數(shù)據(jù)。（2）具有無線傳輸?shù)墓δ埽巡杉降臄?shù)據(jù)傳送出去。（3）功耗低，成本低，便于便攜式使用以及推廣。

對于數(shù)據(jù)采集來說，因為都是智能化的裝置，所以裝置里面都有控制器，控制器基本上都能滿足數(shù)據(jù)采集的要求，對于無線傳輸功能來說，可用的有WIFI、Bluetooth、Zigbee 等，但WIFI 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大，因此硬件處理器的處理速度要高，造成成本高昂，不適合作為電子標簽傳輸協(xié)議使用。Bluetooth 是一種可見即可傳的設備，由于車廂環(huán)境比較復雜，因而也不適合用來作為電子標簽協(xié)議使用。由于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很小，距離為車廂到駕駛室之間，所有Zigbee 協(xié)議非常適合用來作為電子標簽使用。又由于協(xié)議本身具有低功耗的特性，使用Zigbee 協(xié)議的設備成本低廉，所以選擇使用Zigbee 協(xié)議作為電子標簽的無線傳輸協(xié)議。

在本設計中采用了美國TI 公司生產(chǎn)的CC2530 芯片作為無線電子標簽的微控制器，該芯片是TI 公司專門為了Zigbee協(xié)議而開發(fā)的一款無線通信芯片，它結合了世界領先的RF 收發(fā)器，增強型8051 內核，并具有不同的運行模式，使它能適應超低功耗的要求，而且更重要的是它能以極低的成本建立起強大的網(wǎng)絡系統(tǒng)。其設計的結構如圖2 所示。

圖2 智能化電子標簽結構圖

智能化電子標簽由CC2530 微控制器、電源模塊、復位電路、數(shù)據(jù)采集電路、RF 天線電路構成，其中電源模塊采用TI 公司的一種新型電源芯片TPS61027 供電，該芯片具有低電壓自動斷電功能，效率能達到96%。數(shù)據(jù)采集模塊包括傳感器電路和信號調理電路。RF 天線電路采用巴比倫電路，當該電路的輸出阻抗等于50 歐姆時，該電路能夠獲得足夠大的天線輻射輸出。

3.2 軟件的設計

由于智能化電子標簽的設計采用了專門為Zigbee 協(xié)議而開發(fā)的CC2530 芯片，所以為了簡便起見，軟件的設計采用了美國TI 公司專門為此芯片編制的協(xié)議棧，在此協(xié)議棧的基礎之上，編寫智能化電子標簽的應用軟件程序。該協(xié)議棧以OSAL 實時操作系統(tǒng)為基礎，采用分層的思想，在主函數(shù)中初始化了芯片所使用的各個端口，檢查了芯片的電源本身溫度是否正常，并初始化DMA 傳輸。在系統(tǒng)應用層，初始化了各個傳感器接口電路，并把采集到的傳感器數(shù)據(jù)通過2.4G 無線開發(fā)網(wǎng)絡傳送出去。其簡單的程序流程圖如圖3 所示。

圖3 智能化電子標簽程序設計流程圖

4 車載終端的設計

4.1 硬件的設計

車載終端的設計必須滿足：（1）能夠接收智能化電子標簽傳送過來的數(shù)據(jù)。（2）能夠把從智能化電子標簽接收到的數(shù)據(jù)顯示在顯示屏上供司機參考。（3）能夠把GPS 定位信息以及智能化電子標簽傳送過來的數(shù)據(jù)通過GPRS 傳送到互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控中心，其結構如圖4 所示。

圖4 車載終端結構圖

由于智能化電子標簽使用的是CC2530 來采集貨物包裝箱上的數(shù)據(jù)，而CC2530 的協(xié)調器可以用來接收路由器和終端節(jié)點發(fā)送過來的信息，所以采用CC2530 協(xié)調器來接收智能化電子標簽傳送過來的數(shù)據(jù)。由于用到了顯示屏，所以采用性價比高的ARM來驅動顯示屏，因為顯示屏只是顯示一些畫面和采集到的數(shù)據(jù)，所以采用了價格比較便宜的M系列ARM處理STM32F103ZET6，利用該處理器的串口來接收CC2530 協(xié)調器傳送過來的數(shù)據(jù)，利用該處理器的FSMC 接口來加速驅動LCD屏幕。為了使處理器能夠得到合理的利用，使用了UC/OS 操作系統(tǒng)來對設備的各個任務進行調度，為了使畫面更加賞心悅目，使用了德國產(chǎn)的STemwin GUI 作為顯示畫面的支持，為了能在大的程序下運行，還增加了內存SRAM和SD 卡設備。使用了ARM串口來連接GPS 和GPRS 模塊，通過串口把車載終端接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRS，GPRS 通過互聯(lián)網(wǎng)把數(shù)據(jù)傳送到互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控中心。

4.2 軟件的設計

由于車載終端的主控制器芯片采用的是意法半導體公司生產(chǎn)的ARM 芯片，又采用了操作系統(tǒng)和GUI，所以車載終端軟件的設計采用了分層的結構。首先編制芯片的啟動程序和時鐘程序，在啟動程序和時鐘程序的基礎之上編寫所使用的芯片端口和內存分配程序；接著編寫操作系統(tǒng)任務切換函數(shù)程序，移植操作系統(tǒng)；操作系統(tǒng)移植完畢以后，接著編寫電容觸摸屏LCD 驅動程序和電容屏觸摸程序；由于增加了SD 卡電路，緊接著移植由日本人編寫的FAT 程序用以實現(xiàn)SD 卡的文件管理；在此基礎之上，接著編寫應用程序，調用Stemwin 制作顯示畫面，并編寫數(shù)據(jù)幀處理程序把數(shù)據(jù)顯示到LCD 屏幕上面；最后為了提高車載終端的性能，在以上程序的基礎之上做程序優(yōu)化處理。其簡單程序流程圖如圖5 所示。

圖5 車載終端程序流程圖

5 互聯(lián)網(wǎng)終端的設計

互聯(lián)網(wǎng)終端的設計必須滿足：（1）能夠顯示采集到的貨物包裝上的所有信息，并在采集到的貨物信息異常時進行報警顯示，以供監(jiān)控中心人員參考。（2）能夠顯示車輛的具體位置以及行徑路線信息。因此，采用了美國國家儀器公司出品的Labview軟件來編制監(jiān)控中心軟件。該軟件使用G 語言進行編程，而且可以編制復雜的各種程序，并且對于本監(jiān)控終端來說，該軟件提供了互聯(lián)網(wǎng)TCP 處理模塊，可以很容易同過該模塊與GPRS 通信，并處理接收采集到的貨物包裝上的數(shù)據(jù)。其次，Labview 模塊提供了Activex 容器，可以直接加載Mapx 控件，利用Mapx 控件可以迅速開發(fā)出地圖導航，并且可以直接調用Matlab 軟件里面的算法，進行軟件數(shù)據(jù)處理優(yōu)化。

6 結語

本文設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的在運貨物智能化監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用基于Zigbee 協(xié)議的CC2530 芯片，設計了能夠采集在運貨物狀態(tài)參數(shù)的智能化電子標簽，該電子標簽每隔5s 采集一次貨物包裝上的數(shù)據(jù)，并把該數(shù)據(jù)發(fā)送出去。利用ARM處理器設計了車載終端，并把智能化電子標簽采集到的數(shù)據(jù)顯示在LCD 屏幕上，利用NI 公司出品的Labview 軟件編寫了監(jiān)控終端的程序，該程序能夠顯示所有采集到的貨物包裝上的信息并在數(shù)據(jù)異常時報警，不僅如此，還能通過電子地圖給車輛定位，讓監(jiān)控中心人員知道貨物包裝發(fā)生異常時的車輛具體位置。這樣，當在運貨物發(fā)生或是即將發(fā)生損壞時，貨車司機或監(jiān)控中心人員能夠及時進行處理，減少貨物運輸過程中的損失。

[1]楊帆，陳茂林，吳迅，等.基于傳感器信息融合技術的森林火災報警系統(tǒng)[J].華中科技大學學報,2013,(2).

[2]許國鑫,許靈軍,張平.超高頻無源電子標簽芯片的模擬電路設計[J].中興通訊技術,2010,(4).

[3]劉火良,楊森.STM32 庫開發(fā)實戰(zhàn)指南[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013.