基于ZigBee和GSM的农产品物流信息采集系统设计

顾延涛，刘成忠，徐纬芳

（1.甘肃农业大学工学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃农业大学信息科学技术学院，甘肃 兰州 730070）

在农产品物流运输过程中，及时监测农产品储运信息十分重要。针对现有车载系统大多局限于运输车辆的定位监测，而很少对封闭式货仓车的内部储运环境的参数实行监测的缺点，笔者设计了一种以ARM11高性能微处理器为核心的嵌入式车载信息采集系统。该系统使用ZigBee技术和GPS定位技术实现对储运参数的采集，采用GSM网络的短信业务实现对储运参数的传输，可以有效的对运输中的农产品进行实时监测，在出现问题时能够及时采取有效措施，保证农产品运输中质量，同时对农产品的储运调配起到指导作用。这为建立一个高效快捷实时准确的农产品物流网络管理系统提供了有效的解决方案，对于降低农产品物流成本具有实际意义。

1 ZigBee技术简介

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术，主要工作于免授权的2.4 GHz频段，传输速率为10～250 kbit/s，传输距离可达75 m，底层采用专为短距离通讯制定的IEEE802.15.4协议[1]。ZigBee无线通讯技术具有延时短，传输数据可靠，支持鉴权和安全认证等特点，使其适用于实时的工程控制应用。

2 系统总体设计

2.1 系统功能需求

农产品物流所需采集的储运信息分为两类：一是储运车辆的地理位置信息，如经度、纬度等；二是储运过程中货仓环境参数信息，如温度、湿度、气体成分等。笔者将从软硬件的综合考虑来解决储运信息采集准确性与数据传输实时性的突出问题。

2.2 系统体系结构

根据对储运信息采集管理的需要，系统由数据采集平台和数据管理中心所组成，二者通过GSM网络相联系。数据采集平台由GPS接收模块、ZigBee收发模块（由ZigBee协调器模块和ZigBee终端采集模块组成）、GSM通信模块和ARM11处理器组成。GPS接收模块负责接收从卫星传送过来的储运车辆的经度、纬度等地理位置信息，ZigBee收发模块负责对储运环境参数信息的采集，GSM通信模块负责向数据管理中心传输采集到的信息。数据管理中心由GSM通信模块和Web服务器组成。GSM通信模块接收数据采集平台发送过来的编码信息，Web服务器通过串口和GSM通信模块通信，对通信信息进行解译，并存储到数据库中，Web用户通过网页形式登陆完成以数据库操作为核心的查询、记录等功能。

3 系统硬件设计

数据采集平台硬件系统主要由ARM11处理器模块、GPS接收模块、GSM通信模块、ZigBee协调器模块、ZigBee终端采集模块等组成（图1）。

图1 平台硬件结构

3.1 ARM11处理器模块设计

数据采集平台需要高传输效率的数据集成储存、智能处理、传输通讯的能力，所以在平台的硬件设计时，选择了一款低功耗、高性价比的ARM11系列处理器，其内核型号为ARM1176JZF-S，拥有一条具有独立的load-store和算术流水线的8级流水线，在同样工艺下，ARM11处理器的性能与ARM9相比大约提高了40%[2]。研究采用SAMSUNG S3C6410为微处理器，使用了4 Bit以上的硬件纠错算法，很好的保证了运行的可靠性，使用线性电源和开关电源相组合的电源管理方式，在降低功耗的同时保证系统稳定性。

3.2 GPS接收模块和GSM通信模块设计

GPS接收模块采用芬兰FASTRAX公司的i－Trax03-02 GPS_OEM接收机。其具有较小的尺寸，休眠时功耗仅为20μW，连续导航时不超过95 mW，并且冷启动时间为35 s，热启动时间为4.5 s，具有极快的信号获取引擎，可接收NMEA0183格式的数据和二进制的iTack格式数据[3]。OEM接收机带有串口可直接和开发板S3C6410的串口连接工作，省时方便。GSM通信模块采用SIEMENS公司的TC35i模块。该模块可以实现语音、短消息服务等传输，可工作在900 MHz和1 800 MHz的双频段，支持 Text和 PDU格式的 SMS（Short Message Service），可通过AT命令或关断信号实现重启和故障恢复。开发板S3C6410通过串口与TC35i进行通讯，并通过两根I/O口控制TC35i的开关机、复位[4]。

3.3 ZigBee收发模块设计

ZigBee收发模块采用飞比电子科技有限公司推出的一款符合IEEE802.15.4规范的CC2530MDK开发套件。CC2530MDK开发套件中的节点都是由FB2530RF射频模块和FB2530EB全功能扩展板组成，支持对协议栈ZStack、协议栈Freakz等的移植。开发板S3C6410通过使用用户IO扩展串口与Zig－Bee协调器模块相连接。

4 系统软件设计

4.1 数据采集平台软件设计

平台选用Wiondows Embedded CE 6.0构建实时操作系统。平台的系统层开发使用包含Plat form Builder插件的Visual Studio 2005专业版作为开发工具，安装硬件厂商提供的BSP（Board Support Package）源码包，通过Plat form Builder将编译好的满足系统功能需求的WinCE.NET操作系统下载到设备平台上。平台的系统应用层使用Visual Studio 2005作为集成开发环境，使用Wiondows CE提供的SDK开发包开发应用程序，通过Microsoft ActiveSync4.5实现应用程序从PC机到设备平台的部署。当系统启动完成，运行信息采集软件，首先对系统进行初始化和参数设置，完成后就开始进入数据采集状态。Wiondows CE具有多线程和多进程机制，所以主控制进程可以分别调用ZigBee接收进程、GPS接收进程。当数据采集进程完毕后，主控进程对数据进行处理和存储。然后调用GSM通信进程，向数据管理中心发送本次采集的信息，成功后完成本次采集任务（图2）。

4.2 ZigBee节点的软件设计

图2 信息采集程序流程

在此项目中ZigBee网络节点分为ZigBee协调器节点和ZigBee终端节点两个部分。ZigBee协调器节点主要负责配置网络参数、建立网络、接收采集数据等。ZigBee终端节点主要通过查找加入网络，驱动传感器进行数据采集，将采集的数据打包发送给协调器。对于协调器节点和终端节点的软件设计，研究利用了德州仪器（TI）公司提供的符合ZigBee规范的Z-Stack协议栈，它是一个最基本的轮转查询式操作系统。笔者采用ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0下的工程演示文件，在IAR公司提供的集成开发环境IAR Embedded Workbench For C8051下通过修改和添加任务进行编译，正确完成编译后，使用编程器将编译好的程序下载到对应的节点板中，并完成对节点板的设定，便可组网。

4.3 GPS数据接收程序设计

GPS_OEM接收机输出的定位信息符合NMEA-0183通信标准。NMEA-0183通信标准采用ASCII码，其串行通信默认参数为：波特率为4 800 bps，8位数据位，1位开始位，1位停止位，无奇偶校验[5]。NMEA-0183协议定义的语句有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC、$GPVTG、$GPGLL 等。GPS模块输出的所有信息由$（帧命令起始位）开始，以换行结束，紧跟着$后的5个字符解释了信息的基本类型，多个参数之间用逗号隔开。笔者采用RMC语句（具有最小数据量的定位信息），它的语句格式参见文献[6]。当系统调用GPS采集程序，首先初始化串口并打开GPS，然后开始采集GPS信息。从NMEA-0183通信协议的帧格式可知，首先判断紧跟着$后的5个字符，当接收到“$GPRMC”后，才开始接收其后数据并判断数据是否有效，数据正确接收保存，否则重新接受数据，完成后关闭GPS模块（图3）。

4.4 GSM数据发送程序设计

图3 GPS数据接收程序流程

SMS短消息服务可以实现数据采集平台与数据管理中心的数据传输，具有实现简单、抗干扰强、成本低廉的特点。TC35i模块提供了符合GSM07.07规范的AT命令集接口，处理器模块通过串口使用AT指令实现对GSM模块接收和发送消息的控制。其串口通信协议：波特率为9 600 bps，8位数据位，1位停止位，无校验位[7]。系统运行本程序后，首先进行初始化串口和GSM模块，使用AT指令对GSM进行必要设置；然后将要发送的数据统一编码为UCS2码，并打包成PDU数据包的格式，使用AT命令进行信息发送；最后通过检测串口返回信息判断发送是否成功（图4）。

图4 GSM数据发送流程

4.5 数据管理中心软件设计

数据管理中心采用B/S（Browser/Server）结构基于J2EE架构的总体开发方案，使用JSP（Java Server Pages）技术对串口进行操作，采用SQL Server 2005作为后台数据库[8]。基于JSP技术开发的动态网页，具有平台无关性、访问数据库快、安全性高等特点，更适合数据管理中心网站建设。

[1] 黄 磊.基于IEEE 802.15.4/ZigBee技术的智能家居方案研究[D].武汉：武汉科技大学，2009.

[2] ARM Limited.ARM1176JZF-S Technical Reference Manual（rev r0p7）[Z].ARM Corporation，2004.

[3] Fastrax.IT03-02_Datasheet[EB/OL].http：//www.fastraxgps.com/products/gpsmodules/03series/it0302/，2007-09-20.

[4] 刘秋艳.基于TC35模块的无线LED显示屏的设计 [D].天津：天津工业大学，2006.

[5] 韩晓新，邢绍邦，沈 琳.基于AT89C52单片机的液晶GPS定位仪设计[J].工矿自动化，2010，（2）：38-40.

[6] 王丙祥，李建海.基于89C52的GPS板电路设计与实现[J].西安文理学院学报（自然科学版），2007，10（3）：98-101.

[7] 赵立燕，许 亮.基于GSM短信息的温室环境监测系统[J].电子设计工程，2009，（7）：29-31.

[8] 周 桓，王殊宇.JSP项目开发全程实录[M].北京：清华大学出版社，2008.