面向物流运输远程监控的智能终端系统＊

周受钦 陈婉真 曹广忠 吕洁印 邱 洪 张保祥

（1．中国国际海运集装箱（集团）股份有限公司 广东 深圳518067；2．深圳大学自动化研究所 广东 深圳518060）

0 引 言

计算机的出现逐渐改变了人工现场监控的工作方式，网络技术的兴起很好地解决了对空间分布距离较远的监控对象的监控管理［1］。随着经济区域化的发展，物流运输日益频繁，随之而来的对供应链中运输的安全监控越发重要。

应对现代物流的需求，一体封闭厢式货车具有防雨、防尘、环保、高效等诸多优势，凸显了其解决裸露运输不可替代的专用性，在我国呈现大范围增长的局面［2］。伴随全球定位系统（GPS）的广泛应用和移动通用分组无线业务（general packet radio service，GPRS）的出现，以车辆定位和调度管理为主的各种监控终端已经出现，而针对厢式货车的无线远程监控设备却少之又少。本文依据厢式货车车厢不漏水、不透光等封闭性特点［3］，提出并设计了车厢电子锁式状态电子锁，对途中运输信息进行实时监控，将移动车辆的动态信息实时地通过无线通信链路上传至监控中心，监控中心在具有地理信息处理和查询功能的电子地图上进行车辆运动轨迹的显示，并对被监控车辆的准确位置、速度、运动方向、行车状态等参数进行监控和查询。监控中心也可以向移动终端发送操作指令和调度信息。同时对非法开门或厢体破坏行为进行实时报警，并利用成熟的无线远程通信技术和全球定位技术构建1种新型远程运输安全监控系统，以在第1时间预警破坏行为，强有力地保障贵重货物供应链中运输过程的安全。

1 系统方案

1．1 物流运输远程监控系统

物流运输远程监控系统由3部分构成：车载智能终端部分、无线移动通信部分和数据监控中心部分。

车载智能终端安装在移动车辆上，是整个监控系统的核心。智能终端一要接收导航卫星发出的GPS数据包，解析出重要的经纬坐标数据和时间信息，获得运输车辆目前的位置和速度等状态数据；二要查询车厢电子锁获得的车厢状态，判断车厢的安全与否，并定时将有用数据包上传到远程数据中心，以供监控中心及时掌握车辆及货物的运输状态。无线移动通信是智能终端与监控中心互动的数据通道，是实现无线远程监控系统的基础，由已有的移动通信业务实现。监控计算机实时读取数据服务器数据，并动态显示于电子地图平台，方便监控人员观察车辆位置和货物状态。同时，监控人员也可通过监控平台向智能终端发送操作指令或调度信息等。监控系统的3个部分有机统一，共同保障整个运输过程的安全监控。系统原理见图1。

图1 系统原理图Fig．1 System diagram

1．2 智能终端方案

智能终端包含终端主机和电子锁2部分，单元之间采用无线射频方式进行通信，结构框图见图2。

图2 智能终端结构框图Fig．2 Block diagram of intelligent terminal

终端主机置于货车驾驶室，由电源模块、微处理器、GPS模块、GPRS模块和射频模块等组成，主要负责卫星GPS数据的接收和处理，并通过GPRS模块与监控中心进行数据通信。终端主机采用充电电池供电和外部汽车电源供电2种方式，由电源模块为各模块提供所需电压。2种供电方式通过自动切换的方式确保设备持续工作。

电子锁主要包含电源模块、微处理器、传感器模块和射频模块等，各模块共同构成无线传感器节点［4－5］，对车厢门及各个侧面进行实时检测，并对异常情况进行报警。本文采用电子锁射频通信的方式，既不会因为布置导线破坏厢体原有的密封性，也避免了通信线路被人为破坏的可能。

2 智能终端硬件设计

2．1 终端主机设计

终端主机采用TI公司的MSP430F149微处理器协调单元中各模块的工作和进行相应的数据处理。该单片机低电压供电，超低功耗，具有强大的数据处理能力，且运行环境温度为－40～＋85℃，适于工业环境下运行［6－7］。

GPS模块采用U－BLOX公司的TIM－4H定位模块，该GPS接收器灵敏度高、功耗低，使定位范围扩展到传统GPS系统不能覆盖的地方，动态定位精度可控制在10m以内。GPRS模块通信质量直接影响整个监控系统的性能，本文选择Sony－Ericsson公司的GR47模块，该模块具有连网速度快，在线时间长等优点，内嵌TCP／IP协议使其GPRS数据传输非常容易［8］。射频芯片选用nRF905，采用433MHz进行无线通信。

微处理器与各模块之间采用串行通信，MSP430F149有2个USART通信接口，分别作为UART口和SPI口与GR47模块和nRF905模块通信，与GPS模块通信采用I／O口模拟串口的方式，用软件程序实现串口功能［9－10］。终端主机模块接口连接见图3。

图3 终端主机各模块接口连接图Fig．3 Connection diagram of master unit

2．2 电子锁设计

电子签封锁的硬件设计包含机械结构设计和电子电路设计，机械结构采用坚固的金属合金打造，内部各机械结构件通过一体式模具浇注而成，各结构之间功能配合得简单、可靠，抗震、防水性能佳。电路设计包括电机驱动模块、射频通信模块、状态监测模块和电源管理模块等，电子锁是确保货运安全的重要设备。

现有的货车车厢安全检测设备主要有以下几种：第1种是保险杆，用于车厢后门，长度与车厢宽度相当，关门后从车厢侧面靠近车门特定位置处插入，防止车门打开。第2种是非法开门报警器，由金属夹板和报警器两部分组成，夹板一经破坏分离驾驶室报警器鸣笛提示。第3种是视频监视器，包括摄像头和显示屏两部分。摄像头安装在车厢尾部外侧上端，监视车厢车门，司机通过驾驶室显示屏随时观察车尾状况。

针对上述设备的不足，本文采用传统机械锁和电子锁相结合设计了1种新型的箱门电子锁，其自身安全性高，不易被破坏，且定时向本地数据中心报告自身状态。电子锁具有机械上锁和电子施封双重功能，并可记录货物装卸信息。

电路设计中选用Nordic Semiconductor公司的nRF9E5射频芯片作为电子锁的主控制器，该芯片集成了nRF905射频收发器和兼容8051的微处理器［11］，减少了外围器件的使用。存储芯片选择25AA320，存储电子锁处理器程序。电子锁主控制器的应用电路见图4，无线收发天线采用50阻抗单端天线。由于nRF9E5的ANT1、ANT2输出引脚为差分输出，输出阻抗不同于天线的输入阻抗，为提高无线收发性能，必须在ANT引脚和天线之间设置匹配网络。整个电子锁所需的能量由电池提供，通过DC－DC转换获得所需电压。

图4 电子锁硬件原理图Fig．4 Schematic diagram of detecting unit

3 智能终端软件设计

3．1 终端主机软件

终端主机处理器对从导航卫星接受的GPS数据和电子锁发来的车厢信息进行有用信息的提取，并将处理后的车辆状态信息依靠GPRS无线链路上传至监控中心。

终端主机上电后，单片机自动完成对GPS模块和GPRS模块的初始化，GPS模块自动寻找卫星并接受GPS数据，并通过串口送到MSP430F149处理器。由于GPRS模块内嵌TCP／IP协议，处理过的GPS数据和车厢状态数据可以直接通过AT命令控制GPRS模块以数据包形式发送到GPRS网关。车厢状态有报警和正常两个状态，车载上电时初始化为正常，当电子锁有报警数据上传时，状态变量置为报警。报警状态会一直保持，直到终端主机报警复位键按下或接到后台报警撤销指令后恢复为正常。终端主机主程序流程见图5。

3．2 电子锁软件与低功耗设计

电子锁上电初始化后，nRF9E5处理器主动连续读取锁杆、锁体状态值，并判断是否存在异常

图5 终端主机主程序流程图Fig．5 Program flow diagram of terminal unit

打开或破坏行为，如出现紧急情况，电子锁主动向终端主机申请报警，否则表示车厢状态正常。电子锁的主程序流程图见图6。

在实际应用中，射频模块（监测节点）的功耗是影响整个系统工作寿命的关键因素。箱门安全状态监测节点采用电池供电。由于电池能量有限，所以必须设法降低节点的功耗，延长其可靠的工作时间。

电池的能量主要消耗在传感器模块、处理器模块和无线收发模块上，如何有效地降低这3个模块的功耗是该系统低功耗设计时的重点。其中，处理器和传感器模块的功耗很低，监测节点绝大部分能量消耗在无线收发模块上，见图7。

系统设计时通过以下措施来降低系统的功耗：

图6 电子锁主程序流程图Fig．6 Program flow diagram of detecting unit

图7 监测节点能量消耗分布图Fig．7 Distribution map of energy consumption of detecting unit

1）正常情况下电子锁不主动上传数据，只有当收到终端主机操作指令时会进行响应，并上传对应数据。

2）增加休眠时间。发射模块存在发送、接收、空闲和休眠4种模式状态，减少不必要的重复发送，当不需进行通信时，尽快进入休眠状态。

3）减少无线收发模块之间的通信数据流量，减少通信模块发送和接收的比特数。

4）nRF9E5中内嵌的处理器尽可能采用待机或掉电模式运行，以缩短CPU的运行时间。

5）传感器检测电路的供电电源管理。采用可控间歇供电。

4 结束语

本文给出了针对物联网供应链厢式货车运输过程的安全监控方案，并且该车载移动终端系统经过严格的工程测试和现场安装运行对运输贵重货物的车辆进行了远程监控，结果表明利用箱门外挂电子锁监测车厢状态的方法可行，能够实时地检测到车厢的安全状态，工作稳定、性能可靠，目前已批量生产。另外，本文设计的车载智能终端和车厢安全电子锁具有不易破坏、功耗低、稳定等特点，在厢式货车运输日益递增的局面下，对实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的物联网将具有重要的参考价值。

［1］ 赵金峰，袁裕鹏，张 琎，等．基于GPRS模块的无线远程监控与报警系统［J］．中国科技论文在线，2008（10）：1170－1173．

［2］ 华云云，李艳丽．一体封闭厢式货车是城市物流发展的方向［J］．黑龙江交通科技，2004，22（2）：64－64．

［3］ 李勤昌．国际货物运输实务［M］．北京：清华大学出版社，2008．

［4］ 金福宝，曹 军．无线传感器网络节点的低功耗设计［J］．传感器与微系统，2007，26（4）：73－75．

［5］ Akyildiz I F，Su Weilian，Sankarasubramaniam Y，et al．A survey on sensor networks［J］．Communication Magazine，IEEE，2002，40（8）：102－114．

［6］ 魏小龙．MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例［M］．北京：北京航空航天大学出版社，2002．

［7］ 胡 伟．基于双MSP430F149单片机的车载监控终端的设计［D］．武汉：华中科技大学，2006．

［8］ 徐银霞，李德华，石永辉．基于GR47模块的车辆定位监控系统移动终端的设计［J］．计算机与数字工程，2004，32（6）：82－85．

［9］ 陈文鑫，王景成．普通I／O口模拟串口在LIN总线通信中的应用［J］．控制工程，2008，15（S2）：141－143．

［10］ 郭心亮．面向物流运输远程监控的智能终端系统设计［D］．深圳：深圳大学，2011．

［11］ 张保祥，段战归，曹广忠，等．集装箱箱门安全状态无线检测系统的设计［J］．交通与计算机，2007，25（5）：63－65．