基于GPS/GPRS/RFID的車輛監(jiān)控終端設計

　　常規(guī)貨物運輸監(jiān)控系統(tǒng)都以車輛為監(jiān)控對象，而車內(nèi)貨物信息只能來自于離線的數(shù)據(jù)庫，不具備及時了解貨物實際變化的能力。本文以Silicon Laboratories公司的C8051F040單片機為核心，通過擴展GPS、GPRS、RFID等模塊，在實現(xiàn)車輛GPS遠程監(jiān)控的基礎上，實現(xiàn)了車輛所運輸貨物信息的實時傳輸，有助于真正實現(xiàn)物流系統(tǒng)的全程監(jiān)控。

　　1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　要對物流車輛進行全面監(jiān)控，終端需要實現(xiàn)的功能至少包括：車輛定位、車輛遠程控制、貨物實時監(jiān)測、與監(jiān)控中心進行實時通訊、與駕駛員進行人機交互等。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：單片機及外圍擴展模塊、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單片機為核心。該單片機是一款混合信號高速單片機，片上集成了豐富的模擬外設和數(shù)字外設，其中包括2個12位ADC，1個12位DAC，1個8位ADC，64個IO端口，可同時使用的硬件SMBus(IIC)、SPI和2個增強性UART串口，5個通用16位計數(shù)器/定時器，專用的看門狗定時器。單片機的指令處理能力最高可達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，單片機通過UART0和UARTl分別接口iTrax300 GPS模塊和WAVECOM GR64 GPRS模塊。單片機與模塊之間采用TTL串行通訊，波特率4800bps至19200bps可調(diào)。單片機的EMIF(外部存儲器接口)配置到P4-P7口上，采用數(shù)據(jù)線/地址線非復用方式。在EMIF上接口TL16C554異步通訊組件可為單片機擴展4路增強型UART，各路UART波特率可達lMbps。這4路UART中。A路經(jīng)過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標簽信息及駕駛員工卡信息;B路經(jīng)過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EMIF與單片機連接，用于顯示車輛、貨物及監(jiān)控中心傳來的信息;監(jiān)控終端開機時需要載入一些參數(shù)，如監(jiān)控中心IP地址，上傳信息的定時/定距間隔等，這些都需要存儲到非易失性存儲器中。本設計采用Ramtron的鐵電存儲器FM24CLl6A，容量為2Kbits，可直接通過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;單片機通過I/O控制繼電器實現(xiàn)車輛斷油、斷電、報警等功能;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芯片用以實現(xiàn)系統(tǒng)復位和電源管理。

　　2 系統(tǒng)軟件設計

　　參照圖2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、打開定時器中斷，之后GPS開始工作，單片機控制GPRS模塊連接到GPRS網(wǎng)絡并登錄監(jiān)控中心。登錄成功后，程序進入主循環(huán)，監(jiān)控終端實時接收中心的配置命令，在LCD上顯示相關(guān)信息。由定時器控制RFID讀卡器周期性地查詢車內(nèi)RFlD標簽、更新車輛定位信息.完成定時/定距上報車輛位置、檢測車內(nèi)貨物、車輛遠程控制等功能。單片機還可以根據(jù)GPRS模塊的反饋信息自動監(jiān)測網(wǎng)絡連接情況，并實現(xiàn)斷線重連。

　　軟件各部分中，比較霞要的包括GPS導航報文解析、GPRS模塊控制、RFID應用以及LCD顯示控制等。和眾多GPS模塊相同，本終端中GPS也輸{“NMEA-0183標準導航報文，對該報文的解析方法已經(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的控制方法，接口電路及顯示控制例程可參閱參考文獻。以下著重分析GPRS模塊控制程序設計及RFID應用程序設計。

　　圖2 監(jiān)控終端軟件整體流程圖

　　2.1 GPRS模塊控制程序設計

　　GPES是通用分組無線業(yè)務的簡稱。在應用上具有通訊速度高、永遠在線、收費合理等特點，非常適合于車載監(jiān)控終端使用。要以單片機為核心實現(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，另一方面要求在單片機或GPRS模塊上實現(xiàn)TCWIP傳輸協(xié)議。以實現(xiàn)基于GPRS網(wǎng)絡的應用。本設計中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AT命令實現(xiàn)。

　　AT指令由單片機發(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。對反饋進行快速穩(wěn)定解析對提高終端運行速度和穩(wěn)定性有重要意義。

　　表1 AT指令反饋分類

　　對于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)需要較大的存儲空間，另一方面接收出錯時無法判斷。本終端采用邊接收邊解析的方法：將反饋信息頭(如OK。+CSQ：，+CSCA：)以字符串數(shù)組的形式存儲到單片機FLASH空間的固定區(qū)域。單片機收到第一個字符時，將匹配各信息頭的第一個字符，對匹配上的信息頭做標記。當收到下一個字符時只匹配上次已匹配上的信息頭。這樣每次的匹配量越來越少。一旦某個信息頭完全匹配上，則根據(jù)該信息的類型做進一步處理。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)，解析后進行新一輪匹配以接收第二行反饋信息。如接收過程中未匹配成功，則立即開始新一輪匹配。匹配流程如圖3所示。

　　圖3 反饋信息匹配過程

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

　　表2 GPRS網(wǎng)絡分組通信控制過程

　　2.2 RFID應用程序設計

　　本設計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，町同時讀取200張RFID標簽信息，識別距離從0米到80米可調(diào)。RFID讀卡器開機后將按照每0.5秒一次的頻率掃描貨箱內(nèi)的RFID標簽，標簽信息由信息頭(Ox02)和24bits標簽編號組成。在應用巾需要解決兩方面的問題：一是如何降低RFID功耗的問題。RFID讀卡器連續(xù)工作時功耗較大。本設計由單片機的I/O控制繼電器實現(xiàn)RFID讀卡器周期性工作，從而達到降低功耗的目的;二是如何得到可靠的RFID標簽掃描結(jié)果的問題。當貨箱內(nèi)RFID標簽較多的時候一次讀卡結(jié)果可能不全面，會漏掉某些標簽信息。這時需要綜合多次掃描結(jié)果才能形成全面的掃描結(jié)果。本設計中單片機每次采集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應用程序分為兩部分，即貨物裝卸監(jiān)測與在途監(jiān)測。

　　貨物裝卸監(jiān)測程序流程可簡述為：終端收到中心發(fā)來的貨單后，開始匹配貨場區(qū)域，一旦車輛駛?cè)胴泩鰠^(qū)域即提示車輛裝貨。這時車內(nèi)RFID讀卡器以較短的間隔循環(huán)掃描車內(nèi)RFID標簽。裝貨完成后，一旦GPS檢測到車輛駛出貨場即開始將車內(nèi)RFID標簽列表與中心下發(fā)的貨單列表比較，如發(fā)現(xiàn)裝錯貨物立即報警，否則轉(zhuǎn)入在途監(jiān)測程序。當GPS監(jiān)測到車輛到達貨場區(qū)域時，監(jiān)控終端提示卸貨。RFID讀卡器監(jiān)測卸貨情況。卸貨完畢，終端核對貨單，檢驗是否卸錯貨物，如卸錯貨物則報警提示。

　　在途監(jiān)測程序流程可簡述為：單片機通過繼電器控制RFID模塊每隔一定周期扣描若干次RFID標簽。單片機采集其中三次掃描結(jié)果形成本次標簽掃描結(jié)果進行比較。如果發(fā)現(xiàn)標簽有增減，剛主動通過GPRS向監(jiān)控中心上報。此外，根據(jù)中心設定的時間間隔，終端會定時上報車內(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。單片機通過GPS實時監(jiān)控車輛位置，監(jiān)控中心會設定一些重要監(jiān)控區(qū)域(如貨場、禁止駛?cè)肫┯?、危險區(qū)域等)，車輛一旦進入這些區(qū)域，一方面監(jiān)測程序做相應切換，另一方面終端會向監(jiān)控中心報告車輛位置并警告提示。貨單則是控制RFID貨物監(jiān)測程序啟動、結(jié)束、報警、上傳數(shù)據(jù)的重要依據(jù)。

　　3 結(jié)論

　　本文的創(chuàng)新點在于將RFID技術(shù)與車輛定位系統(tǒng)集成到了一起，填補了貨物在途監(jiān)測環(huán)節(jié)的空白。在使用中，終端表現(xiàn)出運行穩(wěn)定，配置方便等特點。將RFID技術(shù)應用于車輛監(jiān)控終端中，滿足了貨物在途檢測的需求，為實現(xiàn)貨物從生產(chǎn)至銷售的全程檢測提供了有利支持。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計中。該設計已在北京市快速公交1號線和北京物資學院物流實驗教學系統(tǒng)中得到應用。