基于GPS/GPRS的冷链物流信息监控系统设计

秦 旭，谢亚莲，陈 焕

(1.上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海200093;2.上海工业自动化仪表研究院，上海200233)

随着人们生活水平的改善，对饮食的要求也越来越高，新鲜蔬菜、海鲜等经常需要跨区域运输，冷链的应用势在必行［1］。据中国食品工业协会指出，全国由于冷链物流管理的缺失或存在问题，导致每年约1 200万吨水果和1.2亿吨蔬菜的浪费，总价值超过1 000亿元人民币。震惊全国的山西疫苗事件等，表明监管水平低下，直接影响食品安全和医疗安全［2］。研究一种低功耗、运行可靠、易于维护的系统对车载冷库(冷链)物流进行实时监控迫在眉睫。

针对冷链物流的特点，本文设计了基于GPS/GPRS的车载冷库(冷链)物流信息监控系统，该系统能远程实时监控冷库运输车辆的地理位置、车速以及车载冷库内部的温湿度。为相关部门实时了解、安排调度物流运输车辆提供依据。

1 系统总体设计

车载冷库物流信息监控系统主要由车载终端系统和上位机监控平台构成，其中车载终端又分为车载冷库内部系统和司机驾驶舱系统，两者通过nRF24L01无线模块进行数据传输。其系统框图如图1所示。

图1 系统结构框图

图1中，GPRS模块负责车载终端和上位机监控平台的通信，主要传输物流车辆的位置信息以及车载冷库内部的温湿度信息等;GPS模块负责对物流车辆进行实时定位;nRF24L01无线模块负责将车载冷库内部的温湿度信息传输到司机驾驶舱系统;LCD显示模块负责显示设备ID号、车载冷库内部的温湿度信息;上位机监控平台动态显示、实时更新系统内全部物流车辆的位置、车速及车载冷库内部的温湿度信息等。

2 系统硬件设计

2.1 MCU模块

MCU是一个系统的核心，本系统中选用的是STM32F103C8，采用ARM32位Crotex－M3内核，最高72 MHz的工作频率，3个串口，36个快速I/O口，2.0～3.6 V的工作电压，最低可承受工作温度－40℃［3］，可满足该系统的设计要求。

2.2 GPRS模块

GPRS模块负责向监控中心传输数据。本系统中选用的是移远公司的Quectel－M35，采用LCC封装，内嵌强大的TCP/IP协议栈，具有GSM850 MHz，DCS1800 MHz，GSM900 MHz和PCS1900 MHz四频段通信，频段自动搜索或通过AT命令配置。模块主串口与MCU连接时可选择全功能的串口连接方式、带流控制的串口连接方式和三线制的串口连接方式。由于模块典型工作电压为4 V，且启动电流要＞2 A，在为Quectel－M35供电时选择Micrel公司型号为MIC29302WU的低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator，LDO)作为供电模块，其的输出电压可调，负载电流峰值可到3 A。为确保输出电压的稳定，在输出端口靠近模块VBAT管脚处放置一个反向击穿电压为5.1 V，耗散功率为1 W以上的稳压管。电路如图2所示。

图2 GPRS模块接线图

其中，电平转换芯片MIC29302的输出电平满足

2.3 GPS模块

GPS模块获取物流车辆的位置信息。系统选用移远公司的Quectel－L70，其具有稳定性好，准确度高以及低功耗的TTFF(Time To Fist Fix)。由于是集成封装，使用时只需给模块供电，串口就可发出位置信息。PCB布线时，天线RF要有50Ω的阻抗匹配，且长度尽可能的短。为了保证天线的稳定性，选择了有源接法，同时为提高抗干扰性，增加了低噪声放大器(Low Noise Amplifier，LNA)电路，电路如图3所示。

图3 GPS模块天线接线图

其中，天线Antenna 1为没有LNA电路的天线接法，天线Antenna 2为有LNA电路的天线接法，在此设有2个天线是为对比LNA电路对天线性能改善的程度，实验对比显示:接有LNA电路的天线抗干扰能力显著提高，信号稳定性明显改善。

2.4 nRF24L01无线收发模块

nRF24L01无线收发模块负责车载冷库内部系统和司机驾驶舱系统的数据传输，即将冷库内的温湿度信息传到司机驾驶舱设备。nRF24L01无线射频芯片共有8个引脚，分别为VCC、GND、CE、CSN、SCK、MISO、MOSI和IRQ。其中，GND为电源地，VCC为3.3 V工作电压、IRQ为外部中断引脚，其它为芯片的控制引脚和数据引脚［4］。VCC引脚接MCU的一个I/O口，当需要模块工作时，PB0口输出高电平，无需模块工作时，只需拉低PB0口即可，此举可降低功耗，延长电池的使用寿命。由于STM32单片机的I/O口输出为3.3 V，符合nRF24L01的供电工作范围，故可直接将nRF24L01模块与MCU连接，不需要分压电阻，其电路接法如图4所示［5］。

2.5 温湿度采集模块

图4 nRF24L01模块接线图

负责采集车载冷库内部的温湿度信息。系统选用DHT11数字温湿度传感器，其具有响应速度快、抗干扰能力强、性价比高等优点。采用4引脚封装，方便与MCU的连接，其引脚分别为VCC、GND、DATA、NC，其中VCC为3.3 V工作电压，GND为电源地，DATA为串行数据、单总线，NC为空脚，使用时悬空，其电路接法如图5所示［6－7］。其中单总线通常要求外接一个5.1 kΩ的上拉电阻，这样当总线空闲时，其状态为高电平。

图5 DHT11温湿度采集模块接线图

3 系统软件设计

3.1 车载终端软件设计

车载终端软件设计分为车载冷库内部系统软件设计和司机驾驶舱系统软件设计。车载冷库内部系统软件主要包括DHT11数字温湿度传感器采集程序和nRF24L01无线发送数据程序。司机驾驶舱系统软件包括MCU、GPS、GPRS、nRF24L01、LCD1602等模块的初始化，GPS数据解析，nRF24L01无线模块接收温湿度数据及GPRS通信程序，软件流程图如图6所示。

图6 车载终端软件流程图

3.1.1 GPRS模块信息配置

首先拉低模块的PWRKEY引脚，当STATUS引脚输出高电平之后，表示开机成功，PWRKEY引脚可释放［8］。然后分3步对GPRS模块进行配置:(1)发送“AT+IPR=X＆W”命令配置模块波特率。例如发送“AT+IPR=115200＆W”配置模块波特率为115200。(2)发送“AT+CPIN?”查询SIM卡状态，若模块返回+CPIN:READY，表示SIM卡已成功检测到。(3)发送“AT+CGREG?”检查模块是否注册到GPRS网络，若模块返回+CGREG:0，5或+CGREG:0，1，表示模块已成功注册到GPRS网络。此时，GPRS模块配置完成，可进行GPRS通信了。

3.1.2 GPS数据解析

按照GPS数据协议(NEMA－0183协议)，GPS模块通过串口发出的数据有GPRMC、GPVTG、GPGGA、GPGSA、GPGSV、GPGLL等几种格式，本系统采用GPRMC格式解析GPS数据，其数据格式为［9］:

3.2 上位机监控平台软件设计

上位机监控平台使用Microsoft Visual Studio 2010编写C++程序，QT Creator3.1.0设计用户界面，联合搭建上位机监控平台。使其具有接收GPRS数据包并提取其中有效信息，如车辆经纬度、车载冷库温湿度信息等;加载经纬度信息到百度地图脚本文件，显示车辆位置信息;用户界面显示设备ID号、经纬度、海拔高度、车速、温湿度信息;将数据存入SQL数据库，并实现可查询历史数据等功能。

4 实验测试

在系统调试完成后进行了模拟测试，检验系统的运行效果以及测试精度。温湿度数据如表1所示，其中“测量温湿度”栏数据为系统采集，“标准温湿度”栏数据为某型号温湿度测量仪采集。GPS定位信息如表2所示，其中“测量经纬度”栏数据为系统采集，“标准经纬度”栏数据从百度地图获得。

表1 温湿度实验数据

表2 GPS实验数据

经多次测试、实验并与某型号温湿度测量仪对比，该系统的温湿度误差小于5%;GPS定位在地域开阔、天气晴朗的条件下，测量误差＜50 m，表明该系统是一个运行可靠、精度高的冷链物流监控系统。

5 结束语

针对冷链物流的特点，设计了一种基于GPS和GPRS的冷链物流信息监控系统。该系统能够对物流车辆进行快速、精确定位，同时能实时监控车载冷库内部的温湿度信息。目前，该系统已投入试运行。但该系统还有一些不足之处，例如监控中心只能显示车载冷库内部的温湿度信息，若温湿度超过设定的阈值，系统出现报警时，只能由现场人员手动调控，而不能智能调控，这也是今后继续研究改进的地方。

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