冷链运输监测系统中的GPS与GPRS技术

边宝祥，杜太行，贾科进

（河北工业大学 信息工程学院，天津 300401）

冷链物流是指肉类、鲜奶等需要冷藏的食品，在生产、贮藏运输、销售，到消费前的各个环节中，始终处于规定的低温环境下，以保证食品质量，减少食品损耗的一项系统工程。文中提出了基于GPS和GPRS技术的冷链物流监控系统，解决了冷链车辆位置监控、车内信息查询等问题。GPS具有实时性、全天候、连续、快速、高精度的特点，结合GPRS技术运用到冷链监控行业给其带来一场实质性的转变。使用GPRS实现数据分组发送和接收，用户永远在线且按流量、时间计费、服务成本低。因此，冷链物流应用 GPS，GPRS[1－4]进行远程监控是可行的。

1 系统总体方案

本系统主要由检测与监控单元、中央控制与信息处理系统两部分组成。 其中，检测与监控单元包括温湿度采集、数据汇传等两种模块。它们之间的通信采用无线射频方式。数据汇传模块把温湿度信息、冷链车辆所在的地理信息等通过GPRS网络发送给中央控制与信息处理系统。中央控制与信息处理系统包括“通信数据处理软件”、“数据库服务器”、“系统管理软件”、“用户仿真”4部分构成。“通信数据处理软件”负责与GPRS通信，按照通信协议的要求收发数据，把数据处理存储到数据库中；并在检测到触发预设值时，通过GPRS模块短信或语音报警。“数据库服务器”存储各种模块的历史数据、用户信息等内容，并提供用户查询功能；“系统管理软件”安装在系统管理员计算机或特许用户计算机上，系统管理员可以指定特约用户的权限。系统管理员或特许用户可根据不同的权限，对不同范围的检测与传输单元进行相应操作。“用户仿真”可以模拟委托冷链企业托运的客户，对托运物品进行查询功能。系统设计框架图如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 温湿度采集模块

温湿度采集模块采用3.2 V磷酸铁锂电池供电，无线射频模块、数字式温湿度模块均可正常工作，充电方式为USB接口。它以超低功耗单片MSP430F149为核心，在0～15℃时使用PT1000测量温度，配合高增益运放，测量精度为0.1℃，其他区间的温度和湿度均使用数字式温湿度传感器SHT75测量。数据传输部分采用射频模块APC240，它具有低功耗、多模式工作、可修改信道等优点。此外，每个温湿度模块出厂时均带有唯一的设备编号，编号为24位二进制码，容纳40多亿终端采集节点，足够量产。采集模块结构框图如图2所示。

图1 系统设计框架图Fig.1 System design frame diagram

图2 采集模块结构框图Fig.2 Acquisition module structure diagram

2.2 数据汇传模块最小系统

数据汇传模块实现接收中央控制与信息处理系统发来的指令、完成与采集模块的组网，接收采集模块的数据、GPS定位等功能。它以低功耗嵌入式处理器STM32F103为核心，采用2.8 V模拟与数字电压供电。外部晶振分别采用32.768 k和8 MHz，以便在不同工作模式下进行选择。启动模式选择为嵌入式 SRAM 启动，即[BOOT0：BOOT1]=[1：1]，方便下载调试。复位电路由阻容电路组成，按下SW-PB产生复位信号。汇传模块最小系统硬件电路图如图3所示。

2.3 GPS接口电路

图3 汇传模块最小系统Fig.3 Collection module minimum system

该电路的作用是接收GPS传回的数据，保存到处理器存储单元，处理后等待GPRS发送。GPS部分使用台湾产SiRFstarIII系列模块ST_200，供电电压3～6 V，最大工作电流26 mA；定位时间：热启动（<1 s）、暖启动（<35 s）、冷启动（<42 s）；定位精度：-159 dBm。GPS模块通过GPS_TXD向MCU传回定位数据，数据格式遵循NMEA 0183协议[5]，在程序中从一条有效的$GPRMC语句中得到定位的时间（UTC时间）、纬度、经度、海拔、速度、方向等信息。图4为调试GPS模块时得到的定位数据及其他信息显示。

图4 GPS模块传回的数据Fig.4 GPSmodule return data

系统默认GPS为关闭状态，以降低功耗，使用前需通过指令使GPS_ON=1；串口波特率选择9 600。图5为GPS接口电路硬件连接图。

图5 GPS接口电路Fig.5 GPSinterface circuit

2.4 GPRS接口电路

该电路的作用是通过GPRS模块[6]接收服务器的指令，并发送冷链车辆的位置、车内温湿度等信息。GPRS模块使用SIM900A芯片，它采用功能强大的ARM926EJ-S芯片处理器，属于双频GSM/GPRS模块，完全采用SMT封装形式，工业标准接口（GPIO、SPI、COM 口、I2C、音频接口等），工作频率为GSM/GPRS 900/1 800 MHz，可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的传输。MCU通过串口使用AT指令完成数据的传输过程[7]。其硬件接口电路如图6所示。

SIM卡（Subscriber Identity Module客户识别模块）使用标准卡尺寸，本系统使用GPRS包月流量套餐，降低成本。

图6 GPRS硬件接口电路Fig.6 GPRShardware interface circuit

3 系统软件设计

本系统的软件包括数据的采集与处理和信息服务平台两部分。其中，数据采集与处理部分的程序分别是在μVision4和EW430编译环境下使用C语言编写，它实现监控信息的采集、传输与简单处理，信息服务平台是在Windows 2003的Microsoft Visual Studio.NET开发环境下，采用C#编写，它实现不同权限用户对信息的查询与参数设定等功能。

在软件设计中，服务器首先完成自身的初始化，然后发送系统组网指令，组网完成后配置系统各硬件参数，采集冷藏车的温湿度及位置等信息，经处理后存储。随后根据不同权限用户的访问，进入不同的服务系统，可完成采集数据、定位信息实时显示，打印报表等功能。具体软件设计流程图如图7所示。

图7 软件设计流程图Fig.7 Software design flow chart

4 应用测试

该远程监控系统用于测量冷藏车的现场信息，并对发车信息进行管理。在进行应用测试时，首先安装服务器应用软件，以管理员身份设置好系统的各项参数，包括不同用户的权限，然后将所有采集模块和汇传模块上电，并将其置于临近位置的相同的环境下测试应用软件，最后改变采集模块的位置和所处环境测试硬件系统，将得到的结果与理论值进行比较，并将结果进行显示。图8为车辆GPS定位地图。实际应用表明，该测试系统测试结果准确、稳定可靠。

5 结 论

该远程监控系统采用高性能服务器配以超低功耗MCU为核心的温湿度采集与车辆定位微型模块作为其硬件平台，安装简便，可长期稳定工作；软件设计采用模块化设计思想，提高了系统的可靠性和维护性。该系统已在某冷链企业进行运营测试，实际应用表明该系统具有采集数据准确、稳定可靠、人机界面友好等特点，达到了设计要求。

图8 车辆GPS定位地图Fig.8 Vehicle GPSlocation map

[1]赵长青，傅泽田，刘雪，等.食品冷链运输中温度监控与预警系统[J].嵌入式与SOC，2010，26（6-2）：27-28.ZHAO Chang-qing，FU Ze-tian，LIU Xue，et al.Temperature monitoring and warning system in Cool Food chain transportation[J].Microcomputer Information，2010，26（6-2）：27-28.

[2]毋庆刚.我国冷链物流发展现状与对策研究[J].中国流通经济，2011（2）：24-28.WUQing-gang.The current situation and the countermeasures of China’s cold chain logistics Development[J].China Business and Market，2011（2）：24-28.

[3]CHEN Kai-Ying，SHA Yi-Cheng.Applying back propagation network to cold chain temperature monitoring[J].Advanced Engineering Informatics，2011，25（1）：11-12.

[4]黄亦翔，周俊，刘成良.基于WebGIS/GPRS/GPS的设备远程监测系统[J].计算机工程，2007（3）：225-227.HUANG Yi-xiang，ZHOU Jun，LIU Cheng-liang.Equipment Remote Monitor System Based on Web GIS/GPRS/GPS[J].Computer Engineering，2007（3）：225-227.

[5]何香玲，郑钢.GPS通信的NEMA协议及定位数据的提取[J].计算机应用与软件，2004（12）:121-122.HE Xiang-ling，ZHENG Gang.NEMA protocol of gps communication and the abstraction of the positioning data[J].Computer Applications and Software，2004（12）:121-122.

[6]刘有贵.GPS/GPRS车辆定位网络系统及故障在线检测技术研究[D].长春：长春理工大学，2011.

[7]陈琦，丁天怀，李成，等.基于GPRS/GSM的低功耗无线远程测控终端设计[J].清华大学学报，2009（2）:223-225，231.CHEN Qi，DING Tian-huai，LI Cheng，et al.Low-power wireless remote terminal design based on GPRS/GSM[J].Journal of Tsinghua University，2009（2）：223-225，231.