0 引言

在經(jīng)濟(jì)全球化大發(fā)展的趨勢(shì)下，中國“世界工廠”地位的確立和對(duì)國際資源的依賴，都將產(chǎn)生巨大的運(yùn)輸需求。集裝箱運(yùn)輸是一種先進(jìn)的運(yùn)輸方式，是現(xiàn)代物流業(yè)的重要組成部分。隨著物流行業(yè)的發(fā)展，集裝箱定位器（系統(tǒng)）變得越來越重要，對(duì)于物流過程中的安全及時(shí)效性要求越來越高。因?yàn)椴还苁窃趪鴥?nèi)還是國外，客戶都希望通過手機(jī)或者電腦能夠及時(shí)了解貨物的位置及狀態(tài)，擔(dān)心著貨物是否能夠準(zhǔn)時(shí)到達(dá)自己手中，以防誤工時(shí)。應(yīng)用衛(wèi)星定位，定位精確，只要能接收到四顆衛(wèi)星的定位信號(hào)，就可以進(jìn)行誤差在5~10米以內(nèi)的定位。但衛(wèi)星定位受天氣和位置的影響較大，當(dāng)天氣不佳的時(shí)候或者處于高架橋下信號(hào)會(huì)發(fā)生中斷。因此通過借鑒國內(nèi)外對(duì)集裝箱定位系統(tǒng)的研究理論和技術(shù)，采用融合衛(wèi)星定位與基站無線定位方式可以解決信號(hào)覆蓋不完全的問題，兩種定位方式技術(shù)互相補(bǔ)充，構(gòu)建一個(gè)無盲區(qū)、不間斷、實(shí)時(shí)的定位監(jiān)控系統(tǒng)，運(yùn)用此系統(tǒng)對(duì)集裝箱的位置、實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況等信息進(jìn)行監(jiān)控，從而能及時(shí)獲取集裝箱貨物的狀況并能及時(shí)地排除不必要的物品損失和人員傷亡。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

雙定位系統(tǒng)對(duì)集裝箱運(yùn)輸途中的位置進(jìn)行追蹤，定位裝置利用衛(wèi)星定位技術(shù)，并將經(jīng)度、緯度、溫度、加速度、時(shí)間、電壓信息通過通信模塊回傳至中央信息系統(tǒng)。終端采用無線通信方式將原始采集信息直接發(fā)送至鐵路集裝箱定位信息系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸滿足集裝箱定位信息系統(tǒng)通信協(xié)議要求。

主體硬件架構(gòu)：以實(shí)時(shí)快速追蹤定位為主要目的，采集位置、時(shí)間、溫度、濕度、加速度及電壓，能夠最大程度地減少電能的消耗。主要包含模塊：主控芯片、4G/3G/2G全網(wǎng)通通信芯片、衛(wèi)星定位芯片、藍(lán)牙芯片、振動(dòng)傳感器、溫濕度傳感器、電源轉(zhuǎn)換模塊、防爆電池、復(fù)合電容、計(jì)時(shí)模塊、外置flash、庫侖計(jì)、可觸發(fā)式RFID電子標(biāo)簽、GSM天線、GPS天線、蜂鳴器。總體框圖如圖1所示。

圖1 定位系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

MSP430F248是定位系統(tǒng)中的中心控制模塊的核心芯片，它的Flash存儲(chǔ)器用于MSP430F248和SIM7600E程序的存儲(chǔ)，SDRAM存儲(chǔ)器用于運(yùn)行程序和緩存臨時(shí)數(shù)據(jù)，Msp430f248外部EEPROM存儲(chǔ)器用于保存測(cè)量結(jié)果等重要信息。其USART串口接口用來連接無線數(shù)據(jù)傳輸模塊和GPS定位模塊，通過DMA控制器實(shí)現(xiàn)模塊之間的通信。其I/O端口用于連接GPS定位模塊的射頻前端并控制相應(yīng)的模塊，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的模塊功能。Msp430f248與JTAG仿真接口外接，用于連接計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)終端代碼的刻錄和調(diào)試。射頻前端的核心芯片是Nrf52840。無線數(shù)據(jù)傳輸模塊基帶信號(hào)處理部分和GPS定位模塊的核心芯片是Sim7600e，用于實(shí)現(xiàn)GPS信號(hào)的接收、采集和處理，并將信號(hào)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。硬件電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 定位系統(tǒng)的硬件電路總體結(jié)構(gòu)

3 定位器監(jiān)控中心設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心客戶端由和Web監(jiān)控系統(tǒng)組成。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)服務(wù)器?？蛻舳说墓δ苁菍?shí)現(xiàn)查看集裝箱最后集裝箱實(shí)時(shí)定位、位置分布、歷史軌跡回放等。監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。使用IIS構(gòu)建Web服務(wù)器，SQL服務(wù)器構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，ASP Net 4.6在Windows操作系統(tǒng)上構(gòu)建應(yīng)用服務(wù)器，使用AJAX技術(shù)實(shí)現(xiàn)開發(fā)，并使用嵌入在Google Maps API中的WebGIS技術(shù)為客戶提供基于空間分布的位置定位和軌跡再現(xiàn)等多種信息服務(wù)，提高地理信息資源的利用和共享。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

圖5 雙定位模式流程圖

4 定位器雙定位模式的軟件程序設(shè)計(jì)

4.1 MSP430主程序設(shè)計(jì)

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)終端的功能要求，MSP430的主要程序設(shè)計(jì)主要包括串口中斷處理功能、配置串口參數(shù)、數(shù)據(jù)處理功能和模塊初始化功能。MSP430的主要設(shè)計(jì)流程如圖4所示。硬件模塊使用5V DC作為輸入電源。通電后配置MSP430資源。首先初始化硬件：初始化硬件片上資源，如時(shí)鐘、定時(shí)器、串口、I/O端口和引腳，并設(shè)置波特率和數(shù)據(jù)位等；然后依次初始化串口、GPS和GPRS模塊；接著初始化nrf52840和sim7600e芯片。程序首先會(huì)檢查芯片的存在情況。如果存在，nrf52840將通過MSP430的I/O端口進(jìn)行控制，sim7600e將使用AT命令對(duì)其進(jìn)行初始化，包括檢測(cè)SIM卡的狀態(tài)以及GPRS網(wǎng)絡(luò)是否被覆蓋，當(dāng)終端的位置覆蓋GPRS網(wǎng)絡(luò)并且與Web系統(tǒng)服務(wù)器的連接成功時(shí)，GPS初始化開始，GPS通過MSP430的串口2連接，直接接收定位數(shù)據(jù)，由DMA芯片的內(nèi)外設(shè)備控制。當(dāng)有GPS數(shù)據(jù)時(shí)，DMA被中斷，數(shù)據(jù)將由系統(tǒng)讀取。讀取的數(shù)據(jù)將通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸?shù)椒?wù)器，實(shí)現(xiàn)定位終端的設(shè)計(jì)。

圖4 定位系統(tǒng)主程序流程圖

4.2 雙定位模式的實(shí)現(xiàn)

定位裝置支持衛(wèi)星和基站定位雙定位模式。當(dāng)裝置判斷注冊(cè)的移動(dòng)通信商為國內(nèi)運(yùn)營商時(shí)自動(dòng)選擇按照基站定位模式，當(dāng)裝置判斷注冊(cè)的移動(dòng)通信商為國外運(yùn)營商時(shí)首先選擇衛(wèi)星定位，衛(wèi)星定位無效的情況下再轉(zhuǎn)為基站定位。

定位裝置在衛(wèi)星定位模式下，存在無法獲取GPS信號(hào)的可能，為此定位裝置設(shè)置了GPS定位時(shí)間閾值，如果定位裝置超過定位時(shí)間閾值依然無法達(dá)到搜星要求并成功定位，則將本次定位轉(zhuǎn)為基站定位，獲取基站定位信息。

定位裝置在基站定位模式下，存在無法獲取基站信息的可能性，為此定位裝置設(shè)置了注冊(cè)時(shí)間閾值，如果定位裝置超過注冊(cè)時(shí)間閾值，依然無法獲取基站信息，實(shí)現(xiàn)基站定位，則將本次定位轉(zhuǎn)為GPS定位，獲取定位信息。

5 結(jié)論

本文提出了一種基于衛(wèi)星定位和基站雙定位模式的集裝箱定位系統(tǒng)，對(duì)硬件和軟件進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，建立了一種實(shí)時(shí)、可靠、高效的集裝箱運(yùn)輸動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)跟蹤集裝箱，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，保證車輛的運(yùn)輸安全，提高運(yùn)輸效率。