基于GPS/GPRS/RFID的車輛監(jiān)控終端設(shè)計(jì)

　　常規(guī)貨物運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)都以車輛為監(jiān)控對(duì)象，而車內(nèi)貨物信息只能來(lái)自于離線的數(shù)據(jù)庫(kù)，不具備及時(shí)了解貨物實(shí)際變化的能力。本文以Silicon Laboratories公司的C8051F040單片機(jī)為核心，通過(guò)擴(kuò)展GPS、GPRS、RFID等模塊，在實(shí)現(xiàn)車輛GPS遠(yuǎn)程監(jiān)控的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了車輛所運(yùn)輸貨物信息的實(shí)時(shí)傳輸，有助于真正實(shí)現(xiàn)物流系統(tǒng)的全程監(jiān)控。

　　1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　要對(duì)物流車輛進(jìn)行全面監(jiān)控，終端需要實(shí)現(xiàn)的功能至少包括：車輛定位、車輛遠(yuǎn)程控制、貨物實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、與監(jiān)控中心進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊、與駕駛員進(jìn)行人機(jī)交互等。由系統(tǒng)功能需求出發(fā).車輛監(jiān)控終端包括如下六模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)及外圍擴(kuò)展模塊、GPS模塊.GPRS模塊、RFID模塊、LCD顯示模塊、車輛控制模塊等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 物流車輛監(jiān)控終端硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　本系統(tǒng)以C8051F040單片機(jī)為核心。該單片機(jī)是一款混合信號(hào)高速單片機(jī)，片上集成了豐富的模擬外設(shè)和數(shù)字外設(shè)，其中包括2個(gè)12位ADC，1個(gè)12位DAC，1個(gè)8位ADC，64個(gè)IO端口，可同時(shí)使用的硬件SMBus(IIC)、SPI和2個(gè)增強(qiáng)性UART串口，5個(gè)通用16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，專用的看門狗定時(shí)器。單片機(jī)的指令處理能力最高可達(dá)25 MIPS，可以滿足監(jiān)控終端的數(shù)據(jù)處理要求。

　　如圖1所示，單片機(jī)通過(guò)UART0和UARTl分別接口iTrax300 GPS模塊和WAVECOM GR64 GPRS模塊。單片機(jī)與模塊之間采用TTL串行通訊，波特率4800bps至19200bps可調(diào)。單片機(jī)的EMIF(外部存儲(chǔ)器接口)配置到P4-P7口上，采用數(shù)據(jù)線/地址線非復(fù)用方式。在EMIF上接口TL16C554異步通訊組件可為單片機(jī)擴(kuò)展4路增強(qiáng)型UART，各路UART波特率可達(dá)lMbps。這4路UART中。A路經(jīng)過(guò)MAX485芯片做電平轉(zhuǎn)換后連接SuperRFID SPD300 RFID模塊。以讀取貨物上的RFID標(biāo)簽信息及駕駛員工卡信息;B路經(jīng)過(guò)MAX3232芯片做電平轉(zhuǎn)換后提供給用戶用于配置監(jiān)控終端參數(shù);C路、D路串口備用。LCD顯示模塊LCMl2864ZK也通過(guò)EMIF與單片機(jī)連接，用于顯示車輛、貨物及監(jiān)控中心傳來(lái)的信息;監(jiān)控終端開機(jī)時(shí)需要載入一些參數(shù)，如監(jiān)控中心IP地址，上傳信息的定時(shí)/定距間隔等，這些都需要存儲(chǔ)到非易失性存儲(chǔ)器中。本設(shè)計(jì)采用Ramtron的鐵電存儲(chǔ)器FM24CLl6A，容量為2Kbits，可直接通過(guò)SMBUS(IIC)總線與C8051F040接口，不但使用方便，讀寫速度和壽命也優(yōu)于一般EEPROM;單片機(jī)通過(guò)I/O控制繼電器實(shí)現(xiàn)車輛斷油、斷電、報(bào)警等功能;系統(tǒng)所需的3.6V(GPRS模塊)和3.3V(電路其他部分)電源南2路LM2596提供。MAX706芯片用以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位和電源管理。

　　2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　參照?qǐng)D2所示，監(jiān)控終端軟件整體流程是：在監(jiān)控終端上電后，首先完成各模塊的初始化、打開定時(shí)器中斷，之后GPS開始工作，單片機(jī)控制GPRS模塊連接到GPRS網(wǎng)絡(luò)并登錄監(jiān)控中心。登錄成功后，程序進(jìn)入主循環(huán)，監(jiān)控終端實(shí)時(shí)接收中心的配置命令，在LCD上顯示相關(guān)信息。由定時(shí)器控制RFID讀卡器周期性地查詢車內(nèi)RFlD標(biāo)簽、更新車輛定位信息.完成定時(shí)/定距上報(bào)車輛位置、檢測(cè)車內(nèi)貨物、車輛遠(yuǎn)程控制等功能。單片機(jī)還可以根據(jù)GPRS模塊的反饋信息自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)連接情況，并實(shí)現(xiàn)斷線重連。

　　軟件各部分中，比較霞要的包括GPS導(dǎo)航報(bào)文解析、GPRS模塊控制、RFID應(yīng)用以及LCD顯示控制等。和眾多GPS模塊相同，本終端中GPS也輸{“NMEA-0183標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)航報(bào)文，對(duì)該報(bào)文的解析方法已經(jīng)很成熟，在此不再贅述。LCD顯爾模塊——LCMl2864ZK有串并兩種接口方式以及相應(yīng)的控制方法，接口電路及顯示控制例程可參閱參考文獻(xiàn)。以下著重分析GPRS模塊控制程序設(shè)計(jì)及RFID應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。

圖2 監(jiān)控終端軟件整體流程圖

　　2.1 GPRS模塊控制程序設(shè)計(jì)

　　GPES是通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)的簡(jiǎn)稱。在應(yīng)用上具有通訊速度高、永遠(yuǎn)在線、收費(fèi)合理等特點(diǎn)，非常適合于車載監(jiān)控終端使用。要以單片機(jī)為核心實(shí)現(xiàn)GPRS數(shù)據(jù)傳輸，一方面要求所用GPRS模塊能夠連接到GPRS網(wǎng)絡(luò)，另一方面要求在單片機(jī)或GPRS模塊上實(shí)現(xiàn)TCWIP傳輸協(xié)議。以實(shí)現(xiàn)基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)中GR64模塊內(nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議棧，所有GPRS模塊的相關(guān)操作都通過(guò)AT命令實(shí)現(xiàn)。

　　AT指令由單片機(jī)發(fā)出，GPRS模塊收到指令后反饋執(zhí)行結(jié)果。根據(jù)指令及執(zhí)行結(jié)果的不同。AT指令反饋格式上分為三種：固定反饋、含參反饋及混合反饋，如表1所示。對(duì)反饋進(jìn)行快速穩(wěn)定解析對(duì)提高終端運(yùn)行速度和穩(wěn)定性有重要意義。

　　表1 AT指令反饋分類

　　對(duì)于AT指令反饋如果使用先緩存后解析的方法，一方面緩存數(shù)據(jù)需要較大的存儲(chǔ)空間，另一方面接收出錯(cuò)時(shí)無(wú)法判斷。本終端采用邊接收邊解析的方法：將反饋信息頭(如OK。+CSQ：，+CSCA：)以字符串?dāng)?shù)組的形式存儲(chǔ)到單片機(jī)FLASH空間的固定區(qū)域。單片機(jī)收到第一個(gè)字符時(shí)，將匹配各信息頭的第一個(gè)字符，對(duì)匹配上的信息頭做標(biāo)記。當(dāng)收到下一個(gè)字符時(shí)只匹配上次已匹配上的信息頭。這樣每次的匹配量越來(lái)越少。一旦某個(gè)信息頭完全匹配上，則根據(jù)該信息的類型做進(jìn)一步處理。如果是固定反饋，則匹配結(jié)束。如果是含參反饋，則繼續(xù)接收參數(shù)，對(duì)參數(shù)段采用先緩存后解析的方法：如果是混合反饋，則先接收參數(shù)，解析后進(jìn)行新一輪匹配以接收第二行反饋信息。如接收過(guò)程中未匹配成功，則立即開始新一輪匹配。匹配流程如圖3所示。

圖3 反饋信息匹配過(guò)程

　　本應(yīng)用中，通過(guò)AT指令控制GR64模塊連接GPRS網(wǎng)絡(luò)并與監(jiān)控中心進(jìn)行分組通信的過(guò)程如表2所示。該過(guò)程也適用于其他GPRS模塊。

　　表2 GPRS網(wǎng)絡(luò)分組通信控制過(guò)程

　　2.2 RFID應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)使用上海秀派電子生產(chǎn)的SuperRFID SPD300 RFID讀卡器。它是一款2.4G RFID產(chǎn)品，町同時(shí)讀取200張RFID標(biāo)簽信息，識(shí)別距離從0米到80米可調(diào)。RFID讀卡器開機(jī)后將按照每0.5秒一次的頻率掃描貨箱內(nèi)的RFID標(biāo)簽，標(biāo)簽信息由信息頭(Ox02)和24bits標(biāo)簽編號(hào)組成。在應(yīng)用巾需要解決兩方面的問(wèn)題：一是如何降低RFID功耗的問(wèn)題。RFID讀卡器連續(xù)工作時(shí)功耗較大。本設(shè)計(jì)由單片機(jī)的I/O控制繼電器實(shí)現(xiàn)RFID讀卡器周期性工作，從而達(dá)到降低功耗的目的;二是如何得到可靠的RFID標(biāo)簽掃描結(jié)果的問(wèn)題。當(dāng)貨箱內(nèi)RFID標(biāo)簽較多的時(shí)候一次讀卡結(jié)果可能不全面，會(huì)漏掉某些標(biāo)簽信息。這時(shí)需要綜合多次掃描結(jié)果才能形成全面的掃描結(jié)果。本設(shè)計(jì)中單片機(jī)每次采集1.9秒RFID信息(即=三次掃描結(jié)果)綜合形成本次RFID掃描結(jié)果，結(jié)果全面可靠。

　　2.3 RFID應(yīng)用程序分為兩部分，即貨物裝卸監(jiān)測(cè)與在途監(jiān)測(cè)。

　　貨物裝卸監(jiān)測(cè)程序流程可簡(jiǎn)述為：終端收到中心發(fā)來(lái)的貨單后，開始匹配貨場(chǎng)區(qū)域，一旦車輛駛?cè)胴泩?chǎng)區(qū)域即提示車輛裝貨。這時(shí)車內(nèi)RFID讀卡器以較短的間隔循環(huán)掃描車內(nèi)RFID標(biāo)簽。裝貨完成后，一旦GPS檢測(cè)到車輛駛出貨場(chǎng)即開始將車內(nèi)RFID標(biāo)簽列表與中心下發(fā)的貨單列表比較，如發(fā)現(xiàn)裝錯(cuò)貨物立即報(bào)警，否則轉(zhuǎn)入在途監(jiān)測(cè)程序。當(dāng)GPS監(jiān)測(cè)到車輛到達(dá)貨場(chǎng)區(qū)域時(shí)，監(jiān)控終端提示卸貨。RFID讀卡器監(jiān)測(cè)卸貨情況。卸貨完畢，終端核對(duì)貨單，檢驗(yàn)是否卸錯(cuò)貨物，如卸錯(cuò)貨物則報(bào)警提示。

　　在途監(jiān)測(cè)程序流程可簡(jiǎn)述為：?jiǎn)纹瑱C(jī)通過(guò)繼電器控制RFID模塊每隔一定周期扣描若干次RFID標(biāo)簽。單片機(jī)采集其中三次掃描結(jié)果形成本次標(biāo)簽掃描結(jié)果進(jìn)行比較。如果發(fā)現(xiàn)標(biāo)簽有增減，剛主動(dòng)通過(guò)GPRS向監(jiān)控中心上報(bào)。此外，根據(jù)中心設(shè)定的時(shí)間間隔，終端會(huì)定時(shí)上報(bào)車內(nèi)現(xiàn)有貨物信息。

　　兩部分程序的切換由車輛所處位置及貨單執(zhí)行情況決定。單片機(jī)通過(guò)GPS實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛位置，監(jiān)控中心會(huì)設(shè)定一些重要監(jiān)控區(qū)域(如貨場(chǎng)、禁止駛?cè)肫┯?、危險(xiǎn)區(qū)域等)，車輛一旦進(jìn)入這些區(qū)域，一方面監(jiān)測(cè)程序做相應(yīng)切換，另一方面終端會(huì)向監(jiān)控中心報(bào)告車輛位置并警告提示。貨單則是控制RFID貨物監(jiān)測(cè)程序啟動(dòng)、結(jié)束、報(bào)警、上傳數(shù)據(jù)的重要依據(jù)。

　　3 結(jié)論

　　本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于將RFID技術(shù)與車輛定位系統(tǒng)集成到了一起，填補(bǔ)了貨物在途監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)的空白。在使用中，終端表現(xiàn)出運(yùn)行穩(wěn)定，配置方便等特點(diǎn)。將RFID技術(shù)應(yīng)用于車輛監(jiān)控終端中，滿足了貨物在途檢測(cè)的需求，為實(shí)現(xiàn)貨物從生產(chǎn)至銷售的全程檢測(cè)提供了有利支持。本文介紹的AT指令解析及控制GPRS模塊通訊的方法具有通用性，可直接用于類似的設(shè)計(jì)中。該設(shè)計(jì)已在北京市快速公交1號(hào)線和北京物資學(xué)院物流實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)中得到應(yīng)用。