基于GPS/GPRS/RFID的車(chē)輛監控終端設計

　　常規貨物運輸監控系統都以車(chē)輛為監控對象，而車(chē)內貨物信息只能來(lái)自于離線(xiàn)的數據庫，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單片機為核心，通過(guò)擴展GPS、GPRS、RFID等模塊，在實(shí)現車(chē)輛GPS遠程監控的基礎上，實(shí)現了車(chē)輛所運輸貨物信息的實(shí)時(shí)傳輸，有助于真正實(shí)現物流系統的全程監控。

　　1 系統硬件結構

　　要對物流車(chē)輛進(jìn)行全面監控，終端需要實(shí)現的功能至少包括：車(chē)輛定位、車(chē)輛遠程控制、貨物實(shí)時(shí)監測、與監控中心進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊、與駕駛員進(jìn)行人機交互等。由系統功能需求出發(fā).車(chē)輛監控終端包括如下六模塊：?jiǎn)纹瑱C及外圍擴展模塊、GPS模塊.GPRS模塊、RFID模塊、LCD顯示模塊、車(chē)輛控制模塊等。系統結構如圖1所示。

　　圖1 物流車(chē)輛監控終端硬件結構框圖

　　本系統以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字外設，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)增強性UART串口，5個(gè)通用16位計數器/定時(shí)器，專(zhuān)用的看門(mén)狗定時(shí)器。單片機的指令處理能力最高可達25 MIPS，可以滿(mǎn)足監控終端的數據處理要求。

　　如圖1所示，單片機通過(guò)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。單片機的EMIF(外部存儲器接口)配置到P4-P7口上，采用數據線(xiàn)/地址線(xiàn)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(guò)MAX485芯片做電平轉換后連接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(guò)MAX3232芯片做電平轉換后提供給用戶(hù)用于配置監控終端參數;C路、D路串口備用。LCD顯示模塊LCMl2864ZK也通過(guò)EMIF與單片機連接，用于顯示車(chē)輛、貨物及監控中心傳來(lái)的信息;監控終端開(kāi)機時(shí)需要載入一些參數，如監控中心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(guò)SMBUS(IIC)總線(xiàn)與C8051F040接口，不但使用方便，讀寫(xiě)速度和壽命也優(yōu)于一般EEPROM;單片機通過(guò)I/O控制繼電器實(shí)現車(chē)輛斷油、斷電、報警等功能;系統所需的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)現系統復位和電源管理。

　　2 系統軟件設計

　　參照圖2所示，監控終端軟件整體流程是：在監控終端上電后，首先完成各模塊的初始化、打開(kāi)定時(shí)器中斷，之后GPS開(kāi)始工作，單片機控制GPRS模塊連接到GPRS網(wǎng)絡(luò )并登錄監控中心。登錄成功后，程序進(jìn)入主循環(huán)，監控終端實(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(xún)車(chē)內RFlD標簽、更新車(chē)輛定位信息.完成定時(shí)/定距上報車(chē)輛位置、檢測車(chē)內貨物、車(chē)輛遠程控制等功能。單片機還可以根據GPRS模塊的反饋信息自動(dòng)監測網(wǎng)絡(luò )連接情況，并實(shí)現斷線(xiàn)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(zhù)重分析GPRS模塊控制程序設計及RFID應用程序設計。

　　圖2 監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(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)的簡(jiǎn)稱(chēng)。在應用上具有通訊速度高、永遠在線(xiàn)、收費合理等特點(diǎn)，非常適合于車(chē)載監控終端使用。要以單片機為核心實(shí)現GPRS數據傳輸，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或GPRS模塊上實(shí)現TCWIP傳輸協(xié)議。以實(shí)現基于GPRS網(wǎng)絡(luò )的應用。本設計中GR64模塊內嵌了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。

　　AT指令由單片機發(fā)出，GPRS模塊收到指令后反饋執行結果。根據指令及執行結果的不同。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(jìn)行快速穩定解析對提高終端運行速度和穩定性有重要意義。

　　表1 AT指令反饋分類(lèi)

　　對于A(yíng)T指令反饋如果使用先緩存后解析的方法，一方面緩存數據需要較大的存儲空間，另一方面接收出錯時(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：)以字符串數組的形式存儲到單片機FLASH空間的固定區域。單片機收到第一個(gè)字符時(shí)，將匹配各信息頭的第一個(gè)字符，對匹配上的信息頭做標記。當收到下一個(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，則根據該信息的類(lèi)型做進(jìn)一步處理。如果是固定反饋，則匹配結束。如果是含參反饋，則繼續接收參數，對參數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，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(kāi)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

　　本應用中，通過(guò)AT指令控制GR64模塊連接GPRS網(wǎng)絡(luò )并與監控中心進(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(shí)讀取200張RFID標簽信息，識別距離從0米到80米可調。RFID讀卡器開(kāi)機后將按照每0.5秒一次的頻率掃描貨箱內的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(wèn)題：一是如何降低RFID功耗的問(wèn)題。RFID讀卡器連續工作時(shí)功耗較大。本設計由單片機的I/O控制繼電器實(shí)現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標簽掃描結果的問(wèn)題。當貨箱內RFID標簽較多的時(shí)候一次讀卡結果可能不全面，會(huì )漏掉某些標簽信息。這時(shí)需要綜合多次掃描結果才能形成全面的掃描結果。本設計中單片機每次采集1.9秒RFID信息(即=三次掃描結果)綜合形成本次RFID掃描結果，結果全面可靠。

　　2.3 RFID應用程序分為兩部分，即貨物裝卸監測與在途監測。

　　貨物裝卸監測程序流程可簡(jiǎn)述為：終端收到中心發(fā)來(lái)的貨單后，開(kāi)始匹配貨場(chǎng)區域，一旦車(chē)輛駛入貨場(chǎng)區域即提示車(chē)輛裝貨。這時(shí)車(chē)內RFID讀卡器以較短的間隔循環(huán)掃描車(chē)內RFID標簽。裝貨完成后，一旦GPS檢測到車(chē)輛駛出貨場(chǎng)即開(kāi)始將車(chē)內RFID標簽列表與中心下發(fā)的貨單列表比較，如發(fā)現裝錯貨物立即報警，否則轉入在途監測程序。當GPS監測到車(chē)輛到達貨場(chǎng)區域時(shí)，監控終端提示卸貨。RFID讀卡器監測卸貨情況。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。

　　在途監測程序流程可簡(jiǎn)述為：?jiǎn)纹瑱C通過(guò)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果形成本次標簽掃描結果進(jìn)行比較。如果發(fā)現標簽有增減，剛主動(dòng)通過(guò)GPRS向監控中心上報。此外，根據中心設定的時(shí)間間隔，終端會(huì )定時(shí)上報車(chē)內現有貨物信息。

　　兩部分程序的切換由車(chē)輛所處位置及貨單執行情況決定。單片機通過(guò)GPS實(shí)時(shí)監控車(chē)輛位置，監控中心會(huì )設定一些重要監控區域(如貨場(chǎng)、禁止駛入譬域、危險區域等)，車(chē)輛一旦進(jìn)入這些區域，一方面監測程序做相應切換，另一方面終端會(huì )向監控中心報告車(chē)輛位置并警告提示。貨單則是控制RFID貨物監測程序啟動(dòng)、結束、報警、上傳數據的重要依據。

　　3 結論

　　本文的創(chuàng )新點(diǎn)在于將RFID技術(shù)與車(chē)輛定位系統集成到了一起，填補了貨物在途監測環(huán)節的空白。在使用中，終端表現出運行穩定，配置方便等特點(diǎn)。將RFID技術(shù)應用于車(chē)輛監控終端中，滿(mǎn)足了貨物在途檢測的需求，為實(shí)現貨物從生產(chǎn)至銷(xiāo)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(lèi)似的設計中。該設計已在北京市快速公交1號線(xiàn)和北京物資學(xué)院物流實(shí)驗教學(xué)系統中得到應用。