基于物联网的物流车载终端系统设计与实现研究
引言
物联网( IOT) 是通过信息传感设备、按约定的协议将任何物品与互联网连接起来进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。随着现代社会经济生活的提高，物流作为承载联系的主要纽带发挥的作用越来越大，物流行业已经成为物联网技术的一个重要的应用领域。目前，由于业务量和客户需求的不断提升以及物流产品种类的不断丰富，物流行业也面临着巨大的挑战。在物流运营中爆仓、配送延迟、产品损坏、安全失控等问题频繁发生，而生鲜产品和弹药、火工品等军事物资的运输对物流运送条件提出了更加苛刻要求。因此，实时监控物流运输车相关状态信息，定位跟踪各物流运输车位置以进行快速调度和分配，已经成为现代物流技术发展的新需求。
本文综合利用物联网技术，提出并实现了基于物联网的智能物流车载终端系统，由于Zig Bee 技术具有近距离、低功耗、低数据率、低成本的特点，将其应用于物流运输车厢微信息的采集，可大大降低功耗和开发成本，采用全球定位系统( GPS) 实现对移动目标的实时定位跟踪，采用通用分组无线业务( general packet radio service，GPRS) 技术实现物流监控中心和车载终端的互联互通，最终实现对物流车载终端的远程监控和智能调度。
1 系统结构
系统主要包括智能物流车载终端和物流监控中心两部分。
从图1 中可以看到智能物流车载终端主要由RAM11主控器、Zig Bee 无线传感器网络( WSNs) 、GPRS 模块和GPS模块等构成，安装在物流运输车上。基于ZigBee 的无线传感器网络结构由多个传感器采集节点构成，用于采集运输车厢微环境信息，如车厢内的温度、湿度、气体烟雾、车厢门打开和货物安全等信息，多个传感器节点信息汇聚到协调器节点后发送给主控器，形成车厢内微环境感知无线网络; 主控器是基于ARM11 的嵌入式网关，由GPS 模块获取运动车辆的经纬度信息，并通过GPRS 模块将接收到的车厢微环境信息与当前位置信息发送到物流监控中心。本文重点介绍物流车载终端系统的软硬件实现。
2 车载终端硬件设计
物流车载终端主要由ARM11 主控制、Zig Bee 无线收发模块、传感器模块、GPRS 模块及相关外围电路组成。
2. 1 主控模块与外围电路
ARM11 主控器采用Samsung 公司RISC 嵌入式微处理器S3C6410。S3C6410 采用64 /32bit 内部总线架构，基于ARM1176JZFS 核，具有4 通道UART，支持嵌入裁剪后的Linux 操作系统，具有低成本、低功耗、高性能的优良品质，主要面向便携式和高性价比及低功耗设备的应用，可以方便地与Zig Bee 模块和GPRS 模块通信。相关外围电路包括报警模块、电源及复位模块、LCD 触摸屏显示模块等。
2. 2 Zig Bee 无线传感器网络
2. 2. 1 Zig Bee 无线网络
Zig Bee 收发模块采用TI 公司的CC2530 芯片作为主控芯片。CC2530 是片上系统( SOC) 高度集成的芯片解决方案，内部集成了一个增强型8051 单片机，含256 kB 程序存储器，支持2. 4 GHz IEEE 802. 15. 4 射频收发，适应2. 0 ～3. 6 V 直流电源，可由电池供电，实现节点的微型化。ZigBee 协调器模块同样以CC2530 为核心，包含电源转换模块、RS232 通信模块及少量外围工作电路，主要完成数据的接收和上传功能，其功耗较大且需长时间不间断地运行，因而，协调器节点由主控器USB 端口供电。
系统构建Zig Bee 星型网络拓扑结构，实现基于Z-Stack协议栈带有网络自启动功能的无线网络，包含一个协调器节点和多个终端节点，协调器是整个网络的核心，负责网络的组建、网络节点的管理、寻找节点之间的路由消息等，终端节点是实现具体功能的单元。所有终端节点由协调器节点分配不同的网络地址，通过无线网络将数据汇聚到协调器节点，协调器节点通过RS232 串口与主控器进行通信，主控器对接收到的数据解析后，根据不同的网络地址判断信息来自于哪个Zig Bee 节点。
2. 2. 2 传感器模块
CC2530 收发模块外扩传感器对运输车厢微环境信息进行采集，并配合控制电路实现车厢内环境的智能化控制。本文主要检测物流运输车上的温度、湿度、车厢门打开以及车厢内货物是否安全等信息。
温湿度传感器采用Sensirion 公司推出的可以同时测量温度和湿度的SHT11 传感器芯片，SHT11 芯片将温度感测、湿度感测、信号变换、加热器和A/D 转换等功能集成到一个芯片上，供电电压2. 4 ～ 5. 5 V，与CC2530 电压相匹配。将Zig Bee 外扩温湿度传感器模块放置于车厢不同位置检测车厢的温度、湿度环境状况。车厢门安防控制主要使用亮度传感器和人体热释红外传感器两个传感器共同来判断是否有人非法进入，使用开关传感器检测车门是否异常打开，使用声音传感器监测易碎品的安全状况，使用烟雾传感器结合车厢温湿度环境判断是否有火灾发生，提前预警以便及时排除险情，保证货物安全。
2. 3 GPRS 模块
GPRS[4]是实现数据远程无线传输、实时数据通信的关键和基础，是在GSM 基础上发展起来的一种分组交换的数据承载和传输方式，在嵌入式系统中应用非常广泛。系统选用SIMCOM 公司的SIM300 GPRS 模块，该模块正常使用时，需配备一张SIM 卡，上电前确保天线正确连接，工作时需要电信网络支持，在网络服务计费方面类似于普通手机。SIM300 GPRS 模块采用AT 指令集通过串口与S3C6410 进行通信，通信速率设定为115 200 bps，短信数据格式采用通用的PDU 数据格式，实现车载终端与物流监控中心的无线通信。
2. 4 GPS 定位模块
GPS 是一个高精度、全天候和全球性的无线电导航、定位和定时的多功能系统。加电后GPS 模块首先开始寻星，并不断向主机端推送自身状态数据，当寻星成功时，持续向主控器发送有效位置信息。系统通过GPS 接收机接收定位卫星的定位数据，计算得到运动车辆的经纬度坐标位置，然后通过GPRS 模块发送给物流监控中心。
3 车载终端软件设计
车载终端主控器S3C6410 运行Emebedded Linux 2. 6.21 内核操作系统，采用QT 进行嵌入式开发，用交叉编译的方式烧写程序，搭配触摸屏，实现车载终端信息的检测和显示。
车载终端软件设计主要包括: 系统上电初始化、Zig Bee数据采集、GPS 定位信息获取、GPRS 短信收发、数据处理以及LCD 显示等。Zig Bee 协调器、GPRS 模块和GPS 模块通过串口连接到主控器上，系统采用多线程串口监听实现ZigBee 数据、GPRS 短信数据收发以及GPS 数据的接收。系统上电初始化后，首先建立三个串口监听线程，当某线程监听到串口数据后解析并进行相应处理，对于车厢微环境信息、报警信息、GPS 定位等信息需按照通信协议重新组织报文，调用GPRS 发送短信程序与物流监控中心进行通信。
4 系统测试
为了检测系统数据传输的可靠性，对运输车辆传感器信息采集节点发送的1000 个数据包( 采集间隔时间为10s)进行了数据包接收性能测试，计算协调器节点接收到并通过GPRS 传输到物流中心的数据包数量与采集模块总发出数据包的数量之比，即数据包接收率，包接收率测试结果。为方便测试，将Zig Bee 无线传感器模块固定在运输车辆车厢内部，采用电池供电，协调器节点和传感器节点之间没有任何金属障碍物，通过RS232 与主控器相连。实验结果表明: 在通信过程中存在一些丢包情况，总体来看数据包接收率能达到94% 以上，能够满足实际物流运输中监测密度的使用要求，验证了系统的可用性。
实验表明: 由于温度对湿度的影响较大，而实际温度和SHT11 测试参考温度25℃有所不同，需要对采集到的湿度值进行线性补偿和温度补偿才能得到较为准确的湿度值。
5 结束语
本文以无线传感器网络作为信息采集手段，以GPS 技术作为定位基础，以GPRS 网络作为承载网络，充分考虑实际需求，构建了双闭环智能物流车载终端系统。车厢内无线传感器闭环网络对车厢微环境信息进行动态采集和预警，使管理者能够实时了解车辆状况信息变化，及时采取有效措施，保证产品品质; 车载终端与物流中心无线闭环网络，实现对车辆行车过程的全程监控和车辆跟踪定位，提高行车安全，实现优化调度。总之，本系统具有很强的实时性和可靠性，保障了物流运送环节的安全性，同时对军用物资配送的高效化和全程可控等目标具有一定的借鉴意义。