基于RFID、GPS、GPRS的物流追踪系统的研制

赵 超，陈寿元，邵增珍，林 健，李丽娟，李 琳

（山东师范大学 信息科学与工程学院，山东 济南 250014）

随着人们生活节奏的加快，促使物流行业突飞猛进的快速的发展，物流行业的快速发展也导致物流过程出现了一系列的问题。近年来贵重物品在物流中的比例越来越多，同时贵重物流在物流过程中的丢失也越来越多，贵重物品丢失后无法查询在哪个环节丢失的问题引起了物流行业的高度重视。不仅贵重物品需要全程监控，危险品的运输也急需全程的监控，确保在危险品出现事故时可以第一时间解决[1]。

传统的物流追踪是通过物流人员扫描物流单上的条码将物流的基本信息传递给物流管理系统中，这种操作方式的弊端是没有实时性，物流人员操作有一定的滞后性，而且人为操作缺乏准确性。

本文提出的贵重物品和危险品的的物流追踪系统的设计中，引入了RFID技术，采用RFID、GPS、GPRS技术对物流环节中的物品进行动态监管。

利用RFID和GPS技术能够动态采集物流过程中物品的变化信息和地理位置信息，RFID自动读取物流车装载的物品，无需人工操作，在该系统中加入GPRS模块，利用当前成熟的移动通信技术，在没有有线网络的情况下，也能做到与管理平台数据库之间的通信，既能满足监管平台对物品实时信息的需求，当物品出现丢失时或出现异常替换时，实时报告给监管平台，对物流环节中物品进行全程追踪。有效解决了目前贵重物品和危险品物流过程中信息不能实时采集和物品丢失、掉包的问题。

1 物流追踪系统的设计方案

物流追踪系统结构介绍：基于对贵重物品物流环节的考察，提出了以STM32F103RB系列的MCU为核心的物流追踪系统，利用RFID和GPS技术实时采集物流过程中的物品的具体信息如地理位置信息和物品变动信息。利用GPRS模块借助现在已经存在的成熟的移动通信网络，将RFID采集到的物品变化信息和GPS采集到的实时地理位置信息通过GPRS的传输方式传输到监管平台的数据库，同时如果车辆上的物品出现异常的变动、物流车所走的线路没有按照平台的命令行驶，车载物流追踪设备都将向平台实时报警。顾客可以通过网络或者手机访问监管平台的服务器，查询自己的物品的准确详细物流信息。取代了现在物流中落后的手持扫描传输物流动态信息的方式，既节省了人力、物力，又确保了物流信息的准确性，更重要的作用是能够防止贵重物品的丢失和掉包，减少危险品出现事故的危害程度[2]。

物流追踪系统的框图如图1所示，物流车上装有车载终端，车载终端集成了GPS模块、RFID读写器、GPRS模块，当带有电子铅封或者电子标签的物品装车时，RFID读写器将所有装车的物品进行扫描，扫描完成后将物品的基本信息和GPS地理位置信息通过微控制器进行数据处理后，将处理后的信息通过GPRS传输方式传输到监管平台服务器，监管平台服务器将采集到的物流信息存入数据库，此时客户和物流监管平台可以通过访问数据库进行物流信息的查询。当物流车在行驶过程中，RFID不断扫描车内的的物品，如果物品没有异常变化定时将GPS地理位置信息上传到服务器，如果物流车中物品需要进行合法变动时，服务器监管平台通过移动无线网络将要变化的信息传输到车载终端，车载终端将根据命令信息允许带有电子标签的物品进行合法变动。如果中途出现异常变动，车载终端将立刻向监管平台服务器发送报警信息[3]。

图1 物流追踪系统的框图Fig. 1 Logistics tracking system block diagram

2 物流追踪系统的各部分功能设计开发

2.1 车辆车载终端设计分析

车载终端包含微控制器MCU、GPS模块、GPRS模块和RFID模块以及供电电源部分。

2.1.1 车载终端处理器设计分析

STM32F103RBT6是物流追踪系统车载终端的MPU和软件运行的平台，STM32F103是32位标准RISC嵌入式微处理器，该类处理器工作频率为72 MHz，内置128 kB的FLASH存储器和20 kB的SRAM，存储器支持CF卡、SRAM、PSRAM、NOR和NAND存储器，内嵌串行单线 JTAG 调试接口，内嵌跟踪模块(ETM)，可以提供芯片运行时清晰的指令运行与数据流动的信息，拥有睡眠，停机，待机模式 3 种低功耗模式。该信息采集终端配置了u-Blox公司的NEO-5Q高性能GPS芯片、RFID读写器部分、西门子公司的GPRS模块MC52i、液晶显示部分和SD卡等。

物流车接到运输任务后就通过车载终端的人机界面和按键启动车载终端并于监管平台连接，进行登记。在装载过程中读取所有物品标签并与监管平台进行校对。然后在运输过程中与监管平台不断进行通信传输平台需要的信息[4]。物流追踪车载终端的结构组成如图2所示。

图2 车载终端的结构组成图Fig. 2 Car terminal structural composition diagram

2.1.2 GPS模块设计分析

为了满足高精度定位的要求，物流追踪车载终端采用NEO-5Q GPS模块接受定位信息。由瑞士u-Blox公司推出的采用最新的第五代定位引擎u-Blox 5，该模组具有50个通道的u-Blox引擎，100多万个有效相关器，能够同步追踪GPS和Galileo的导航卫星信号，热启动和辅助启动首次定位时间小于1秒。同时支持AssistNow Online和AssistNow Office等A-GPS功能。

该GPS芯片工作电压的范围为2.7～3.6 V，在实际设计中采用AMS117-3.3为其提供3.3 V 稳定电源。其定位数据支持NMEA-0183协议和UBX二进制。如图3所示为GPS模块电路原理图。

图3 GPS模块原理图Fig. 3 GPS module schematic

NEO-5Q的TXD引脚和RXD引脚分和STM32F103RBT6的RXD2和TXD2连接在一起。该模块支持UART、USB、I2C和SPI接口的数据输入输出，其中UART默认波特率为9 600，8位数据位，无奇偶校验位。NEO-5Q能够提供达4 Hz的定位跟新速率，其定位跟新速率和定位数据输出格式均可使用软件进行设置。在本设计考虑到实用性和低功耗的原则，设置其定位跟新速率为1 Hz，输出协议为NMEA-0183，输出格式为GPRMC（建议使用最小GPS定位信息）。GPS芯片在搜索到有效卫星情况下，还能够为系统提供精确地授时服务[5]。

2.1.3 GPRS模块设计分析

车载终端选用的GPRS通信模块是西门子的MC52i,该模块是一款双频的GSM/GPRS模块，内嵌TCP/IP协议栈；具有快速GPRS技术，该模块体积小、重量轻、功耗低，支持数据、语音、短信息和传真等功能，AT命令控制符合GSM07.05，工作频率在900/1 800 MHz[6]。

MC52i支持的电压范围是3.3～4.4 V，电流消耗在睡眠状态是3.0 mA，在闲置的状态下是10.0 μA，在通话状态下电流消耗是300 mA，最高时可达到2.0 A，在掉电状态下电流仅为100 μA。功率在900 MHz时是2 W，在1 800 MHz时是1 W。数据特征为CSD最大达到14.4 kbps、USSD、不透明模式。该模块使用方便具备电源接口，1.8 V/3.0 V SIM卡接口，全双工UART接口，TTL输出，50欧姆天线连接器。

MC52i的TXD引脚和RXD引脚分和STM32F103RBT6的RXD和TXD连接在一起。该模块支持UART接口的数据输入输出，其中UART默认波特率为9 600，8位数据位，无奇偶校验位。

2.1.4 RFID模块设计分析

RFID模块主要是采用通道式读写器和电子标签通信的方式，检查电子标签的变动信息，将电子标签的变动信息传输到CPU，进行数据分析处理后通过GPRS模块将需要传送的信息传送到监管平台。

RFID标签，也称智能标签，由于其一系列优点，正得到越来越广泛的应用[7]。通常是由印刷层、芯片层与底层构成。芯片层在印刷层与底层之间，是标签的核心部分，芯片层不能承受印刷压力，因此通常的做法是先印好印刷层，做好底层，再与芯片层复合。智能标签是一种非接触式的自动识别技术，识别工作无须人工干预。它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，与条形码相比，智能标签是可擦写的，非接触性的，可同时读取，数据存储容量大，且包含的是单个产品的信息。按照频率划分，包括125 kHz、13.56 MHz、9.15 MHz、2.45 GHz、5.8 GHz。本系统采用的是一种无源R FID H4006芯片。其基本性能如下：工作频率范围为10～15 兆赫兹，通常选用13.56 MHz来进行身份识别。片内有一个64 位可编程存储器，可用于存储相关信息。H4006的信息传输方式采用负载调制，编码为密勒码，数据传输速率为26 484 波特(亦可为其他速率，但需预先选定)。由于H4006内含谐振电路和电源滤波电容，因而使用更方便。H4006 在无线方式下为只读存贮卡，其编程采用在线编程方式。

RFID模块中另一个重要的部分是高频多通道读写器，本系统选用的是捷通的四通道高频读写器，该读写器能够一次识读200个标签，将该读写器装载物流车厢顶部即可，通过485总线的方式与控制器相连接。RFID模块的连接电路图如图4所示。

图4 RFID模块连接电路图Fig. 4 RFID module connection diagram

2.2 物流监管平台设计分析

物流监管平台主要是GPRS接收模块和服务器组成，GPRS模块将接收到的物流信息上传到服务器，服务器进行数据分析后存入数据库，同时服务器也可以接收到客户的访问需求，实时下发信心查询物流车和货物的动态信息[8]。

3 软件设计

该系统的软件部分主要由上位机软件和车载物流终端两部分组成。在此详细介绍车载物流终端的软件设计。

物流车载终端设备在开机后进行初始化，初始化包括GPS初始化、GPRS初始化、RFID初始化3个部分，初始化正常后进入while循环等待上位机的中断请求，当上位机出现中断请求时，控制器采集GPS模块和RFID的数据，通过GPRS模块上传到上位机平台，上位机平台对采集来的数据进行分析处理，检查是否出现异常变动情况。当上位机没有中断请求时，车载中断控制器进行计时等待，等到规定时间后自动采集GPS模块的地理位置信息和RFID的标签信息，将采集到的信息上传到上位机平台[9]。物流车载中断的主程序流程图如图5所示。

图5 主程序流程图Fig. 5 Main program flow chart

4 结束语

文中针对当今物流过程中的贵重物品丢失和物流信息无法实时性采集的问题，研究了基于GPS、GPRS和RFID的物流追踪系统，通过该系统能够对贵重物品在物流过程中实时监控，一旦出现异常情况，能够及时报警通知物流人员，减少贵重物品和危险品的丢失。在接下来的研究中不仅将物流信息实时的上传到物流监管平台，更进一步的与顾客进行信息沟通，使顾客能够实时了解并监管自己物品的物流过程，是物流行业更加安全，操作更加高效。

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