多功能包裹智能監測系統設計與實現

邵君輝，曾獻輝

（東華大學 信息科學與技術學院，上海 201620）

0 引言

近年來，我國的互聯網電子商務行業迅速發展，快遞行業如雨后春筍般迅猛發展。巨大的市場充滿了激烈的競爭，許多快遞公司盲目地追求經濟利益，在快速發展的背后帶來了一系列問題。快遞延遲、損壞、丟失等現象層出不窮[1-2]。針對此現象，本文設計了一種多功能包裹監測系統。將終端控制設備放置在包裹內，可以監測包裹內的劇烈碰撞、破壞、延遲等信息，有效地避免現有問題，同時使得包裹運送更加可靠安全，提高了物流行業的服務水平。

1 系統框架設計及主要功能

包裹智能監測系統主要由終端控制器和客戶端兩個結構單元組成，其框架結構如圖1所示。

圖1 系統的框架設計圖

終端控制器主要由ARM9微處理器、GPS定位模塊、GPRS數據傳輸、MMA8453振動傳感器等模塊組成。包裹內安裝終端控制器，該終端整合GPS定位傳感器、GPRS數據傳輸傳感器及若干個傳感器。GPS定位傳感器接收來自衛星的定位信息，通過UART串口將數據傳送給中央處理器。同時中央處理器采集溫度、濕度、震動等傳感器數據，并將這些數據按照一定的協議格式進行封裝，然后通過GPRS網絡將數據傳送到固定IP地址的服務器上[3]。

客戶端單元主要實現數據通信、數據存儲、數據顯示等功能模塊。一方面，客戶端接收終端控制器發送過來的數據，接著對數據進行分析，將結果存儲在數據庫中。另一方面，客戶端單元將解析完成的數據實時顯示在電子地圖上。用戶就可以查看快遞的實時位置及狀態信息。當快遞內溫濕度超過設定閾值的時候，或者遭受碰撞、搖晃的時候，終端控制器內的傳感器檢測這些數據，就會打開蜂鳴器發出警報。此時用戶可以在客戶端上面查看到詳細的報警信息。同時用戶可以利用客戶端與智能包裹終端控制器進行通信，終端控制器能接收操作指令并將其發送給下面的傳感器，傳感器將接收到的指令轉化為物理動作，實現遠程配置工作參數。

2 終端控制器硬件設計

本系統硬件電路主要由ARM9微處理器、SIM908數據傳輸和定位模塊、MMA8453震動傳感器模塊、溫濕度模塊、電源模塊、時鐘模塊以及LCD顯示模塊組成。硬件電路如圖2所示。

圖2 硬件電路圖

2.1 中央控制器

終端控制器的硬件核心是中央處理器，所有的設備驅動控制、通信協議轉換、數據傳輸、數據存儲等任務都需要通過中央處理器。從穩定性、可擴展性、性能、安全及操作系統支持等方面考慮，選擇性能強大的32位ARM9微處理器S3C2440作為主處理器。S3C2440工作頻率最高可達533 MHz，擁有64 MB的Flash和64 MB的SDRAM、UART、I2C、SPI等多類串行接口，便于構建外圍電路的拓展功能接口，具有高性價比、低功耗等特點[4]，完全滿足小型移動設備的低功耗和高性能需求，所以特別適合于本系統應用。

2.2 SIM908數據傳輸和定位模塊

在本設計中，GPS、GPRS模塊傳感器的選型是關鍵，GPS模塊負責地理位置的準確定位，GPRS模塊負責數據的接收和發送，其性能的優劣將會影響數據傳輸的可靠性、完整性。通過比較各個公司的GPS/GPRS模塊，本文最后選用了SIMCOM公司的SIM908模塊。該模塊同時集成了GPS定位和GPRS數據傳輸功能，體積小，集成度高，穩定性強[5]。SIM908電路如圖3所示。

其標準的工業接口，在信號覆蓋的地方，都可以實現數據的無縫連接，確保數據傳輸的安全可靠。GPRS模塊主要實現數據交換業務，雖然它的數據傳輸速度不是很高，但是能夠滿足正常的數據傳輸要求，非常適合于智能包裹的集成應用，可以節省開發時間和費用[6]。

圖3 SIM908電路圖

2.3 MMA8453振動傳感器模塊

選用加速度傳感器MMA8453檢測包裹的振動數據。該款加速度計擁有三檔量程、2個可編程的中斷引腳，內部集成了10位的ADC，可檢測自由落體、碰撞、方向變化等多種狀態。外圍連接電路簡單，帶有I2C通信接口，具有低功耗及低噪聲特點。振動傳感器電路如圖4所示。

圖4 MMA8453振動傳感器電路

3 終端控制器軟件設計

3.1 終端控制器的系統移植

終端控制器系統軟件使用Linux嵌入式操作系統。其穩定性和開放性能夠很好地符合終端系統對系統安全、穩定、可靠性的要求。

系統開發的宿主機選用Ubuntu12.04，首先安裝內核源碼，在編譯前進入根目錄，更改其目錄下的Makefile文件，設置目標平臺和交叉編譯器，然后運行makexcon-fig進入配置菜單，合理地設置內核編譯配置選項，保存退出，執行內核編譯命令make，編譯成功后會在/usr/src/kernel/arch/arm/boot/目錄下生成 zImage，即為 Linux內核映像文件。最后通過bootloaer引導進行操作系統移植，裝載完畢文件系統之后，編寫應用服務程序[7]。

3.2 終端控制器程序設計

終端控制器的程序流程圖如圖5所示。系統上電開機后，首先進行系統初始化，設置時鐘頻率，初始化GPIO口、I2C和UART總線。接著開始硬件自檢，對內存等進行檢查，同時開始對GSM/GPRS、GPS模塊初始化，上傳第一次GPS定位數據。然后系統進入休眠模式，每隔10 min喚醒一次CPU以及相關模塊，同時在休眠的過程中，如果收到查詢短信的指令，直接通過中斷喚醒CPU以及相關模塊。當外圍模塊正常工作時，讀取GPS定位數據，并判斷幀頭數據，如果正確就通過GSM/GPRS模塊傳輸GPS及溫濕度傳感器和振動傳感器的數據，傳輸結束進入休眠模式。

圖5 終端控制器的程序流程圖

本系統采用低功耗的設計，CPU不能一直處于工作狀態，本文設置系統每10 min或者當接收到短信時喚醒CPU，每次工作大約2 min，以此降低電量的消耗。由于此系統可以方便地放置在重要物品上，必須具有體積小、重量輕的特點，所以使用鋰電池供電。

3.3 數據采集和傳輸

實現ARM Linux平臺下SIM908數據的采集和傳輸，涉及到Linux下UART編程技術。首先給出Linux下UART串口的原理，然后使用多線程多進程技術來完成SIM908模塊的GPS數據采集和GPRS模塊的數據傳輸。

UART串口是一種終端設備，它不是簡單地初始化硬件設備并傳輸數據，而是在它們上面封裝了許多功能函數。UART串口驅動程序從上到下可以概括為：用戶應用層-＞線路規劃層-＞TTY層-＞底層驅動層。

線路規程和TTY驅動層是與硬件平臺無關的，在Linux源碼中已經實現，所以本文只需關心底層驅動和應用程代碼的實現，s3c2440驅動層主要由dirivers/serial/下的s3c2440.c和samsung.c實現。移植幾個必要的函數，就可以運行串口驅動了[8]。

具體的SIM908模塊數據采集和傳輸都在應用層實現。S3C2440提供3路 UART接口。UART0用于RS232電路，主要負責軟件調試，UART1和UART2用于SIM908模塊，負責GPRS和GPS數據傳輸。

為減少系統資源的開銷，提高執行效率，提高程序的響應，數據的采集和處理函數都采用多線程技術，從而可以提高系統的性能。同時在Linux下，所有的硬件設備都被看成是普通文件，可以通過與普通文件相同的標準系統調用完成打開、關閉、讀取和寫入設備等操作。表1列出了數據采集和傳輸程序的主要函數和功能描述[9]。

表1 主要函數和功能描述

4 客戶端軟件設計

客戶端是監控系統的核心部分，主要功能分為三部分：設置模塊、顯示模塊和報警模塊。客戶端軟件使用vs2012開發環境，客戶端界面如圖6所示。

圖6 客戶端界面

（1）設置模塊：可以設置終端控制器的溫濕度閾值和振動范圍，一旦溫濕度或者振動量超過設置的值，客戶端界面將會顯示紅色的報警信息。并且該模塊可以設置終端控制器的GPRS模塊的傳輸速率、發送間隔等功能。

（2）顯示模塊：主要功能是對智能包裹終端控制器進行實時定位和軌跡回放。點擊定位按鈕，程序將會主動下發命令查詢智能包裹終端的地理位置，將接受到的返回數據進行處理后直接在地圖上顯示更新。點擊軌跡回放按鈕時，會彈出對話框，接著輸入需要查詢的時間段。如果該時間段有智能包裹終端的信息，則顯示運行的軌跡路線。如果沒有智能包裹終端的信息，則彈出對話框顯示沒有數據。同時模塊也會顯示車輛的運行速度、運行路程距離、運行的方向及包裹的溫濕度等信息。智能包裹終端實時定位模塊和軌跡回放模塊的流程如圖 7、8所示。

（3）報警模塊：一旦包裹受到劇烈震動、搖晃、溫濕度超過閾值等情況，界面就會顯示紅色報警，并彈出警告框。

圖7 智能包裹終端實時定位模塊的流程圖

圖8 智能包裹終端軌跡回放模塊的流程圖

5 系統測試方案設計

5.1 GPS調試

GPS定位模塊能否快速準備定位是實時定位的關鍵部分。使用GPS模塊進行定位，受密集的高樓和樹木影響較大，因此本文將控制器放在空曠場地，去除環境的干擾因素[10]。 選取四個時間段 5 s，15 s，30 s，60 s，每個時間點采樣10個樣本，然后將采集到的數據通過GPRS網絡傳輸到客戶端，并繪制出圖9所示的定位精度與時間的關系圖。

圖9 定位精度與時間的關系圖

從圖9可以得出，增加GPS定位時間，可以提高定位的精度和可靠度。當定位時間為60 s時，定位精度基本維持在4 m，當定位時間為30 s時，定位精度保持在5 m；當定位時間為 15 s時，定位精度保持在 7～8 m，當定位時間為5 s時，定位精度保持在9～10 m。這樣的定位誤差可以滿足包裹定位的要求。同時觀察得出，隨著定位時間的增加，定位誤差變化不是很大，因此本系統可以選擇一個合適的定位時間。

5.2 GPRS數據模塊調試

運行智能包裹終端控制器，采集GPS數據，然后通過GPRS模塊傳輸到客戶端。同時將終端控制器通過USB轉串口連接電腦，電腦上打開串口調試工具。最后比較客戶端數據庫的數據 （圖10）和串口助手采集的GPS數據（圖11），數據完全一致。該GPS模塊運行安全穩定，符合設計要求。

5.3 整體系統調試

圖10 客戶端數據庫的數據

圖11 串口助手采集的數據

將整個終端設備燒錄程序，安裝鋰電池，放在空曠的場地上，進行整體系統測試。打開終端設備電源開關，等待幾分鐘，讓系統完全啟動，然后運行客戶端登錄主界面后。點擊定位按鈕，程序將會主動下發命令查詢智能包裹終端的地理位置，此時終端的GPRS模塊數據燈閃爍，表示正在傳輸數據。客戶端將接受到的返回數據進行處理后直接在地圖上顯示，界面會顯示包裹的溫濕度、車輛運行速度等信息。運行結果如圖12。

圖12 運行結果

6 結束語

本文實現了一種基于物聯網技術的智能包裹系統，它夠能實時監測包裹的狀態。系統的硬件采用模塊化設計，GPS模塊和GPRS模塊高度集成，整個硬件具有體積小、攜帶方便等特點。系統的軟件采用低功耗設計，大部分狀態下CPU處于休眠，將系統設置為每隔10 min喚醒一次CPU或者接受到短信時喚醒CPU，每次工作大約2 min，以此降低電量的消耗。本文的下一步是優化客戶端軟件，將客戶端分成服務器與客戶端兩部分，服務器負責數據的傳輸和數據的存儲，而客戶端負責數據的顯示。

[1]唐晴.論快遞行業消費者權益的法律保護[D].長沙：湖南師范大學，2014.

[2]曾碧琪.完善我國快遞行業監管制度的立法思考[D].長沙：湖南師范大學，2014.

[3]夏濤，何志標.危化品運輸監控系統的設計與實現[J].電子測量技術，2011，34（5）：85-89.

[4]高鵬，鄭超.ARM和ZigBee的智能家居監控網絡設計[J].計算機測量與控制技術，2014，22（10）：3206-3209.

[5]蔡曉波，呂海泉，李敏基.基于 SIM908的 GPS放射源定位儀設計[J].艦船防化，2012，4（4）：6-11.

[6]DEREKENARIS G，GAROFALAKIS J，MAKRIS C.GPS and GSM technologies for the effective management of Ambulances[J].Computers，Environment and Urban System，2001，5（3）：267-278.

[7]楊文濤，鄭立新，李書謙.基于ARM系統的膠體金快速檢測儀的實現[J].儀器儀表裝置，2013（3）：13-17.

[8]鄧小蕾，李民贊，武佳，等.集成 GPRS GPS ZigBee的土壤水分移動監測系統[J].農業工程學報，2012（9）：130-134.

[9]張凱，孫躍，周侃，等.基于 ARM11的機動車柔性限行管理系統設計[J].電子器件，2014，37（5）：953-957.

[10]UMBER M.A comparison of pilot-aided channel estimation methods for OFDM system[J].IEEE Trans on Signal Processing，2001（49）：3065-3073.