周受欽 陳婉真 曹廣忠 呂潔印 邱 洪 張保祥

（1．中國國際海運集裝箱（集團）股份有限公司 廣東 深圳518067；2．深圳大學(xué)自動化研究所 廣東 深圳518060）

0 引 言

計算機的出現(xiàn)逐漸改變了人工現(xiàn)場監(jiān)控的工作方式，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的興起很好地解決了對空間分布距離較遠(yuǎn)的監(jiān)控對象的監(jiān)控管理［1］。隨著經(jīng)濟區(qū)域化的發(fā)展，物流運輸日益頻繁，隨之而來的對供應(yīng)鏈中運輸?shù)陌踩O(jiān)控越發(fā)重要。

應(yīng)對現(xiàn)代物流的需求，一體封閉廂式貨車具有防雨、防塵、環(huán)保、高效等諸多優(yōu)勢，凸顯了其解決裸露運輸不可替代的專用性，在我國呈現(xiàn)大范圍增長的局面［2］。伴隨全球定位系統(tǒng)（GPS）的廣泛應(yīng)用和移動通用分組無線業(yè)務(wù)（general packet radio service，GPRS）的出現(xiàn)，以車輛定位和調(diào)度管理為主的各種監(jiān)控終端已經(jīng)出現(xiàn)，而針對廂式貨車的無線遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備卻少之又少。本文依據(jù)廂式貨車車廂不漏水、不透光等封閉性特點［3］，提出并設(shè)計了車廂電子鎖式狀態(tài)電子鎖，對途中運輸信息進(jìn)行實時監(jiān)控，將移動車輛的動態(tài)信息實時地通過無線通信鏈路上傳至監(jiān)控中心，監(jiān)控中心在具有地理信息處理和查詢功能的電子地圖上進(jìn)行車輛運動軌跡的顯示，并對被監(jiān)控車輛的準(zhǔn)確位置、速度、運動方向、行車狀態(tài)等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和查詢。監(jiān)控中心也可以向移動終端發(fā)送操作指令和調(diào)度信息。同時對非法開門或廂體破壞行為進(jìn)行實時報警，并利用成熟的無線遠(yuǎn)程通信技術(shù)和全球定位技術(shù)構(gòu)建1種新型遠(yuǎn)程運輸安全監(jiān)控系統(tǒng)，以在第1時間預(yù)警破壞行為，強有力地保障貴重貨物供應(yīng)鏈中運輸過程的安全。

1 系統(tǒng)方案

1．1 物流運輸遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

物流運輸遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由3部分構(gòu)成：車載智能終端部分、無線移動通信部分和數(shù)據(jù)監(jiān)控中心部分。

車載智能終端安裝在移動車輛上，是整個監(jiān)控系統(tǒng)的核心。智能終端一要接收導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)出的GPS數(shù)據(jù)包，解析出重要的經(jīng)緯坐標(biāo)數(shù)據(jù)和時間信息，獲得運輸車輛目前的位置和速度等狀態(tài)數(shù)據(jù)；二要查詢車廂電子鎖獲得的車廂狀態(tài)，判斷車廂的安全與否，并定時將有用數(shù)據(jù)包上傳到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心，以供監(jiān)控中心及時掌握車輛及貨物的運輸狀態(tài)。無線移動通信是智能終端與監(jiān)控中心互動的數(shù)據(jù)通道，是實現(xiàn)無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，由已有的移動通信業(yè)務(wù)實現(xiàn)。監(jiān)控計算機實時讀取數(shù)據(jù)服務(wù)器數(shù)據(jù)，并動態(tài)顯示于電子地圖平臺，方便監(jiān)控人員觀察車輛位置和貨物狀態(tài)。同時，監(jiān)控人員也可通過監(jiān)控平臺向智能終端發(fā)送操作指令或調(diào)度信息等。監(jiān)控系統(tǒng)的3個部分有機統(tǒng)一，共同保障整個運輸過程的安全監(jiān)控。系統(tǒng)原理見圖1。

圖1 系統(tǒng)原理圖Fig．1 System diagram

1．2 智能終端方案

智能終端包含終端主機和電子鎖2部分，單元之間采用無線射頻方式進(jìn)行通信，結(jié)構(gòu)框圖見圖2。

圖2 智能終端結(jié)構(gòu)框圖Fig．2 Block diagram of intelligent terminal

終端主機置于貨車駕駛室，由電源模塊、微處理器、GPS模塊、GPRS模塊和射頻模塊等組成，主要負(fù)責(zé)衛(wèi)星GPS數(shù)據(jù)的接收和處理，并通過GPRS模塊與監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。終端主機采用充電電池供電和外部汽車電源供電2種方式，由電源模塊為各模塊提供所需電壓。2種供電方式通過自動切換的方式確保設(shè)備持續(xù)工作。

電子鎖主要包含電源模塊、微處理器、傳感器模塊和射頻模塊等，各模塊共同構(gòu)成無線傳感器節(jié)點［4－5］，對車廂門及各個側(cè)面進(jìn)行實時檢測，并對異常情況進(jìn)行報警。本文采用電子鎖射頻通信的方式，既不會因為布置導(dǎo)線破壞廂體原有的密封性，也避免了通信線路被人為破壞的可能。

2 智能終端硬件設(shè)計

2．1 終端主機設(shè)計

終端主機采用TI公司的MSP430F149微處理器協(xié)調(diào)單元中各模塊的工作和進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。該單片機低電壓供電，超低功耗，具有強大的數(shù)據(jù)處理能力，且運行環(huán)境溫度為－40～＋85℃，適于工業(yè)環(huán)境下運行［6－7］。

GPS模塊采用U－BLOX公司的TIM－4H定位模塊，該GPS接收器靈敏度高、功耗低，使定位范圍擴展到傳統(tǒng)GPS系統(tǒng)不能覆蓋的地方，動態(tài)定位精度可控制在10m以內(nèi)。GPRS模塊通信質(zhì)量直接影響整個監(jiān)控系統(tǒng)的性能，本文選擇Sony－Ericsson公司的GR47模塊，該模塊具有連網(wǎng)速度快，在線時間長等優(yōu)點，內(nèi)嵌TCP／IP協(xié)議使其GPRS數(shù)據(jù)傳輸非常容易［8］。射頻芯片選用nRF905，采用433MHz進(jìn)行無線通信。

微處理器與各模塊之間采用串行通信，MSP430F149有2個USART通信接口，分別作為UART口和SPI口與GR47模塊和nRF905模塊通信，與GPS模塊通信采用I／O口模擬串口的方式，用軟件程序?qū)崿F(xiàn)串口功能［9－10］。終端主機模塊接口連接見圖3。

圖3 終端主機各模塊接口連接圖Fig．3 Connection diagram of master unit

2．2 電子鎖設(shè)計

電子簽封鎖的硬件設(shè)計包含機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和電子電路設(shè)計，機械結(jié)構(gòu)采用堅固的金屬合金打造，內(nèi)部各機械結(jié)構(gòu)件通過一體式模具澆注而成，各結(jié)構(gòu)之間功能配合得簡單、可靠，抗震、防水性能佳。電路設(shè)計包括電機驅(qū)動模塊、射頻通信模塊、狀態(tài)監(jiān)測模塊和電源管理模塊等，電子鎖是確保貨運安全的重要設(shè)備。

現(xiàn)有的貨車車廂安全檢測設(shè)備主要有以下幾種：第1種是保險桿，用于車廂后門，長度與車廂寬度相當(dāng)，關(guān)門后從車廂側(cè)面靠近車門特定位置處插入，防止車門打開。第2種是非法開門報警器，由金屬夾板和報警器兩部分組成，夾板一經(jīng)破壞分離駕駛室報警器鳴笛提示。第3種是視頻監(jiān)視器，包括攝像頭和顯示屏兩部分。攝像頭安裝在車廂尾部外側(cè)上端，監(jiān)視車廂車門，司機通過駕駛室顯示屏隨時觀察車尾狀況。

針對上述設(shè)備的不足，本文采用傳統(tǒng)機械鎖和電子鎖相結(jié)合設(shè)計了1種新型的箱門電子鎖，其自身安全性高，不易被破壞，且定時向本地數(shù)據(jù)中心報告自身狀態(tài)。電子鎖具有機械上鎖和電子施封雙重功能，并可記錄貨物裝卸信息。

電路設(shè)計中選用Nordic Semiconductor公司的nRF9E5射頻芯片作為電子鎖的主控制器，該芯片集成了nRF905射頻收發(fā)器和兼容8051的微處理器［11］，減少了外圍器件的使用。存儲芯片選擇25AA320，存儲電子鎖處理器程序。電子鎖主控制器的應(yīng)用電路見圖4，無線收發(fā)天線采用50阻抗單端天線。由于nRF9E5的ANT1、ANT2輸出引腳為差分輸出，輸出阻抗不同于天線的輸入阻抗，為提高無線收發(fā)性能，必須在ANT引腳和天線之間設(shè)置匹配網(wǎng)絡(luò)。整個電子鎖所需的能量由電池提供，通過DC－DC轉(zhuǎn)換獲得所需電壓。

圖4 電子鎖硬件原理圖Fig．4 Schematic diagram of detecting unit

3 智能終端軟件設(shè)計

3．1 終端主機軟件

終端主機處理器對從導(dǎo)航衛(wèi)星接受的GPS數(shù)據(jù)和電子鎖發(fā)來的車廂信息進(jìn)行有用信息的提取，并將處理后的車輛狀態(tài)信息依靠GPRS無線鏈路上傳至監(jiān)控中心。

終端主機上電后，單片機自動完成對GPS模塊和GPRS模塊的初始化，GPS模塊自動尋找衛(wèi)星并接受GPS數(shù)據(jù)，并通過串口送到MSP430F149處理器。由于GPRS模塊內(nèi)嵌TCP／IP協(xié)議，處理過的GPS數(shù)據(jù)和車廂狀態(tài)數(shù)據(jù)可以直接通過AT命令控制GPRS模塊以數(shù)據(jù)包形式發(fā)送到GPRS網(wǎng)關(guān)。車廂狀態(tài)有報警和正常兩個狀態(tài)，車載上電時初始化為正常，當(dāng)電子鎖有報警數(shù)據(jù)上傳時，狀態(tài)變量置為報警。報警狀態(tài)會一直保持，直到終端主機報警復(fù)位鍵按下或接到后臺報警撤銷指令后恢復(fù)為正常。終端主機主程序流程見圖5。

3．2 電子鎖軟件與低功耗設(shè)計

電子鎖上電初始化后，nRF9E5處理器主動連續(xù)讀取鎖桿、鎖體狀態(tài)值，并判斷是否存在異常

圖5 終端主機主程序流程圖Fig．5 Program flow diagram of terminal unit

打開或破壞行為，如出現(xiàn)緊急情況，電子鎖主動向終端主機申請報警，否則表示車廂狀態(tài)正常。電子鎖的主程序流程圖見圖6。

在實際應(yīng)用中，射頻模塊（監(jiān)測節(jié)點）的功耗是影響整個系統(tǒng)工作壽命的關(guān)鍵因素。箱門安全狀態(tài)監(jiān)測節(jié)點采用電池供電。由于電池能量有限，所以必須設(shè)法降低節(jié)點的功耗，延長其可靠的工作時間。

電池的能量主要消耗在傳感器模塊、處理器模塊和無線收發(fā)模塊上，如何有效地降低這3個模塊的功耗是該系統(tǒng)低功耗設(shè)計時的重點。其中，處理器和傳感器模塊的功耗很低，監(jiān)測節(jié)點絕大部分能量消耗在無線收發(fā)模塊上，見圖7。

系統(tǒng)設(shè)計時通過以下措施來降低系統(tǒng)的功耗：

圖6 電子鎖主程序流程圖Fig．6 Program flow diagram of detecting unit

圖7 監(jiān)測節(jié)點能量消耗分布圖Fig．7 Distribution map of energy consumption of detecting unit

1）正常情況下電子鎖不主動上傳數(shù)據(jù)，只有當(dāng)收到終端主機操作指令時會進(jìn)行響應(yīng)，并上傳對應(yīng)數(shù)據(jù)。

2）增加休眠時間。發(fā)射模塊存在發(fā)送、接收、空閑和休眠4種模式狀態(tài)，減少不必要的重復(fù)發(fā)送，當(dāng)不需進(jìn)行通信時，盡快進(jìn)入休眠狀態(tài)。

3）減少無線收發(fā)模塊之間的通信數(shù)據(jù)流量，減少通信模塊發(fā)送和接收的比特數(shù)。

4）nRF9E5中內(nèi)嵌的處理器盡可能采用待機或掉電模式運行，以縮短CPU的運行時間。

5）傳感器檢測電路的供電電源管理。采用可控間歇供電。

4 結(jié)束語

本文給出了針對物聯(lián)網(wǎng)供應(yīng)鏈廂式貨車運輸過程的安全監(jiān)控方案，并且該車載移動終端系統(tǒng)經(jīng)過嚴(yán)格的工程測試和現(xiàn)場安裝運行對運輸貴重貨物的車輛進(jìn)行了遠(yuǎn)程監(jiān)控，結(jié)果表明利用箱門外掛電子鎖監(jiān)測車廂狀態(tài)的方法可行，能夠?qū)崟r地檢測到車廂的安全狀態(tài)，工作穩(wěn)定、性能可靠，目前已批量生產(chǎn)。另外，本文設(shè)計的車載智能終端和車廂安全電子鎖具有不易破壞、功耗低、穩(wěn)定等特點，在廂式貨車運輸日益遞增的局面下，對實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的物聯(lián)網(wǎng)將具有重要的參考價值。

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