基于SIM908的冷藏車箱內溫濕度監測系統設計

何友國，袁朝春

HE You-guo, YUAN Chao-chun

（江蘇大學 汽車工程研究院，鎮江 212013）

0 引言

長期以來，我國的冷鏈運輸技術落后，以農產品為例，果蔬、肉類、水產品流通腐損率分別達到20%～30%、12%、15%，僅果蔬一類每年損失就達到1000億元以上[1]。其主要原因是我國在冷鏈運輸中缺乏對冷藏車廂內溫濕度進行控制，無法為易腐食品提供合理的溫濕度保障。針對冷藏車監控問題，國內外一些研究機構和高校都進行了相應的研究并開發出了相應的產品。文獻[2]提出了一種肉品冷鏈物流監控與調度解決方案，應用物聯網技術，集成GIS/GPS技術，開發了GIS物流監控系統和溯源查詢系統。文獻[3]設計了一種基于通用分組無線業務(GPRS)技術的冷鏈物流實時監控系統，實現對箱內溫度和行車軌跡的實時監控和報警。文獻[4]基于CC2530開發了一種冷藏車智能無線傳感器節點，實現了對冷藏車進行實時監控。文獻[5]基于RFID、GPS和GPRS技術設計了一種農產品冷鏈物流監控系統，可實時監控生鮮食品的溫度參數，確保貨物在運輸過程中始終保持在一個安全的條件下。文獻[6]提出了以無線傳感器網絡與云計算相結合來監控冷鏈物流的方法，在環境中的感知實體收集數據，并連接到云平臺，實現了一種理想的冷鏈物流系統。文獻[7]針對醫藥冷鏈物流體體系自動化和信息化的問題，將物聯網、云計算等新技術與醫藥冷鏈物流相結合，構建了基于云計算的智能醫藥冷鏈物流體系。文獻[8]將ZigBee、GPRS和RFID引入溫度控制系統中，實現了溫度的在線監控和智能控制。

從現有文獻來看，國內外學者對冷藏車監控系統做了大量研究，已取得了很好的效果。但目前多數冷藏車監控系統采用的都是基于無線通信方式傳輸數據，雖然省去了布線環節，但由于每一個溫度采集點都需要增加無線傳輸模塊，增加了整個系統成本。另外，目前冷藏車監控系統對于濕度監控較少，而濕度也是影響冷藏車運輸貨物質量的關鍵因素。即使有溫濕度監控系統，其溫濕度傳感器都是分離的，對于多個監控點來說也增加了系統成本。因此，本文設計了一種基于SIM908的冷藏車箱內溫濕度監測系統，克服了上述缺陷，實現了單總線上溫濕度集中采集，并且進行了實車測試，測試結果表明，本系統具有良好的實時性、穩定性，可以獲得良好的冷藏車箱內溫濕度監測效果。

1 系統總體設計

冷藏車箱內溫濕度監測系統由車載終端和遠程監控系統組成。車載終端以STC12C5A60S2單片機為主控制器，以集成式數字溫濕度模塊AM2301作為傳感器，利用SIM908通信模塊實現GPS定位和GPRS遠程無線通信。遠程監控系統由VC++6.0和SQL server2005數據庫聯合開發而成，能夠實現對車載終端信息的顯示和保存，并能夠通過GPS信息在百度地圖上顯示冷藏車位置。系統結構如圖1所示。

車載終端由主控制器、AM2301傳感器、SIM908通信模塊組成。主控制器負責各個采集點溫濕度數據的采集，并通過GPRS網絡將冷藏車內各點溫濕度數據、冷藏車位置信息傳送給遠程監控系統。各個采集點采用集成式數字溫濕度傳感器AM2301，采用單總線通信方式，各個傳感器掛接在單總線上，由主控制器控制溫濕度采集和數據的讀取。SIM908通信模塊負責采集冷藏車GPS信息和GPRS無線通信。遠程監控系統負責接收車載終端發送的冷藏車冷箱內各點溫濕度數據、冷藏車位置信息，對這些信息進行存儲和顯示，同時，將冷藏車的位置顯示在百度地圖上，實現對冷藏車箱內溫濕度及冷藏車位置進行實時監控的功能。

圖1 系統結構圖

圖2 主控電路

2 系統硬件設計

2.1 主控電路

STC12C5A60S2單片機是宏晶科技生產的單時鐘/機器周期（1T）的單片機，是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051,但速度快8～12倍。因此車載終端采用STC12C5A60S2單片機作為主控制器，主控電路如圖2所示。

由圖2可知，主控電路主要由主控制器電路、電源電路、傳感器接口電路組成。

1）主控制器電路

圖2 中P 2 接 口 與各個數字溫濕度傳感器A M 2 3 0 1 相連，通過單總線結構讀取每一個傳感器的溫濕度信息，由P2.4完成單總線通信。圖2中GPS-TXD、GPS-RXD與SIM908模塊的GPS串口相連，接收和解析SIM908模塊輸出的GPS信息。圖2中TXD、RXD與SIM908模塊的GPRS串口相連，通過AT指令實現GPRS通信。為了實現在線編程，這里采用拔碼開關S2進行切換，當下載程序時，撥動拔碼開關使TXD、RXD與ISP相連，進行程序在線編程，當程序運行時，拔碼開關使TXD、RXD與SIM908模塊的GPRS串口相連，進行GPRS通信。通過P3.5口控制蜂鳴器，實現冷藏車箱內溫濕度異常報警。冷藏車箱內各點溫濕度信息、溫濕度異常報警信息和冷藏車位置信息通過GPRS網絡傳輸給遠程監控系統，遠程監控系統對所有車載信息進行保存和數據分析。

2）電源電路

由SIM908模塊的數據手冊可知，SIM908模塊供電電壓為4.3V，最大瞬時電流2A，采用車載12V電池作為系統的輸入電壓。考慮到車載電池電壓輸出不穩定及SIM908輸入電流最大達2A，這里選用德州儀器生產的3A電流輸出降壓開關型集成穩壓芯片片LM2596S-5.0，該芯片輸入電壓范圍5V～40V，最大輸出電流可達3A，具有完善的保護電路。圖2中P1接車載電池，經穩壓芯片LM2596穩壓后輸出5V，考慮SIM908供電電壓4.3V，這里采用1N5822二極管進行降壓。

3）傳感器接口電路

AM2301濕敏電容數字溫濕度模塊是一款含有己校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。傳感器采用標準單總線接口，使系統集成變得簡易快捷，信號傳輸距離可達20米以上。AM2301的供電電壓范圍為3.5V～5.5V，濕度輸出16bit數據，精度±2%RH，溫度輸出16bit數據，精度±0.5℃。本系統采用外部供電方式，由一根電源線為每一個AM2301分別供電，保證AM2301轉換精度。當采用普通信號電纜傳輸數據時，通信距離超過20米時，讀取的溫濕度數據就發生錯誤。同時，單根總線上所接AM2301傳感器超過8個時就會出現數據錯誤。為提高通信距離，本系統信號電纜采用屏蔽4芯雙絞線，其中一對雙絞線接地線與信號線，另一對雙絞線接VCC和地線。采用屏蔽4芯雙絞線通信方式，總線通信距離可達100米以上，總線上最多可接AM2301傳感器 20個。

圖3 SIM908模塊與單片機接口電路

2.2 SIM908電路

本系統采用SIMCOM公司的SIM908模塊實現GPS采集和GPRS通信功能。該模塊集成GPS和GPRS在一個SMT封裝內，大大節省了客戶開發時間和成本。SIM908模塊也采用兩個串口與單片機的兩串口分別交叉相連，電路設計簡單，SIM908模塊與單片機接口電路如圖3所示。

由圖3可知，SIM908模塊的GPS串口分別與單片機的串口GPS-TXD、GPS-RXD相連，SIM908模塊的GPRS串口分別與單片機的串口TXD、RXD相連，單片機通過串口即可實現GPS信息采集和GPRS通信。圖中J1是SIM卡接口電路，通過SIM908模塊的SIM-DATA、SIM-RST、SIM-CLK實現對SIM卡的讀寫。為了實現讀寫數據的可靠性，在SIM908模塊的SIM-DATA、SIMRST、SIM-CLK引腳與SIM卡引腳之間串接了22歐姆電阻，實現匹配負載阻抗。為了實現SIM908的可靠上電，通過單片機的P1.4口控制SIM908的上電。D5為GPS指示燈，當D5滅時表示GPS未搜到有效衛星，當D5亮時表示GPS搜到至少四顆以上的衛星，工作正常。D6為GPRS指示燈，當D6閃爍模式為64ms亮/800ms滅時表示模塊未注冊網絡，當D6閃爍模式為64ms亮/3000ms滅時表示模塊已注冊網絡，當D6閃爍模式為64ms亮/300ms滅時表示模塊GPRS連接建立。

3 系統軟件設計

系統軟件包括AM2301數據讀取、GPS數據解析、GPRS通信及蜂鳴器控制功能，分別由相應的子函數構成。由于篇幅所限，本文只給出AM2301讀取數據流程圖和車載終端總體流程圖。

AM2301采用單總線數據格式，一次傳送40位數據，高位先出。其通信格式如表1所示。

根據表1所示，AM2301單總線讀取流程圖如圖4所示。

圖4 AM2301單總線讀取流程圖

圖4 (a)為單個AM2301讀取流程圖，圖4(b)為單總線上多個AM2301讀取流程圖。整個系統運行由主函數控制，主函數程序流程圖如圖5所示。

4 遠程監控系統

遠程監控系采用VC++6.0和SQL server2005數據庫聯合開發而成，能夠實現對車載終端信息的顯示和保存，并能夠通過GPS信息在地圖上顯示汽車位置。

4.1 VC++6.0訪問SQL Server 2005數據庫

在服務器上建立SQL Server 2005數據庫，然后通過VC++訪問數據庫即可實現車載終端信息的顯示和保存。這里VC++采用ADO方式連接數據庫，用#import指令引入A D O 數據庫C O M 庫的初始化，然后創建Connection對象連接數據庫，通過執行SQL命令實現數據庫的存儲于讀取。

表1 AM2301通信格式說明

圖5 主函數程序流程圖

4.2 VC++6.0 Socket編程

VC++6.0采用Socket編程實現接收車載終端發送的GPRS信息。為了實現接收GPRS數據，在服務器程序中添加兩個CSocket派生類：CSocListen和CSocRecv。分別用來實現偵聽連接請求和與請求連接的套接字建立連接，服務器與車載終端通信過程如下：

1）在服務器端聲明一個用于監聽客戶端的CSocListen對象，同時對應某個端口設定為監聽狀態；

2）在車載終端單片機通過AT指令控制SIM908，通過IP地址和端口向服務器請求連接；

3）服務器端監聽到請求指令后，新建一個CSocRecv對象，用于與車載終端綁定，傳送和接收數據。

4.3 VC++6.0訪問百度地圖

VC++6.0中有一個CHtmlView類，利用這個類，可以實現在對話框的控制中顯示HTML文件。因此，本系統通過繼承CHtmlView類創建了一個CHtmlCtrl類，通過CHtmlCtrl類訪問百度地圖，將通過GPRS接收到的車輛GPS信息從VC++中傳入到JS版的百度地圖的API中，進行相應的顯示。將VC++6.0和CHtmlCtrl結合開發，一方面保證了程序的安全性和高效性，同時還保證了程序展示的美觀性。

5 系統測試

為了驗證整個系統性能，在鎮江市學府路上進行了實車驗證。車載終端能夠將采集到的冷藏車箱內溫濕度信息、GPS信息通過GPRS網絡傳輸到遠程監控系統。遠程監控系統能夠實時顯示存儲車載終端信息，并能夠實時在百度地圖上顯示車輛位置。遠程監控系統界面如圖6所示。

圖6 遠程監控系統界面

6 結束語

本文介紹了一種基于SIM908的冷藏車箱內溫濕度監測系統，給出了系統的總體結構。系統由車載終端和遠程監控系統組成。詳細介紹了車載終端主控制器電路設計、電源電路設計、SIM908電路設計和傳感器接口電路設計。同時，采用Visual C++ 6.0和SQL Server 2005設計了遠程監控系統，給出了數據庫訪問方法、Socket編程方法和百度地圖訪問方法。為驗證整個系統性能，在鎮江市學府路上進行了實車驗證，試驗結果表明，該系統本系統具有良好的實時性、穩定性，可以獲得良好的冷藏車箱內溫濕度監測效果。

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