多功能包裹智能监测系统设计与实现

邵君辉，曾献辉

（东华大学 信息科学与技术学院，上海 201620）

0 引言

近年来，我国的互联网电子商务行业迅速发展，快递行业如雨后春笋般迅猛发展。巨大的市场充满了激烈的竞争，许多快递公司盲目地追求经济利益，在快速发展的背后带来了一系列问题。快递延迟、损坏、丢失等现象层出不穷[1-2]。针对此现象，本文设计了一种多功能包裹监测系统。将终端控制设备放置在包裹内，可以监测包裹内的剧烈碰撞、破坏、延迟等信息，有效地避免现有问题，同时使得包裹运送更加可靠安全，提高了物流行业的服务水平。

1 系统框架设计及主要功能

包裹智能监测系统主要由终端控制器和客户端两个结构单元组成，其框架结构如图1所示。

图1 系统的框架设计图

终端控制器主要由ARM9微处理器、GPS定位模块、GPRS数据传输、MMA8453振动传感器等模块组成。包裹内安装终端控制器，该终端整合GPS定位传感器、GPRS数据传输传感器及若干个传感器。GPS定位传感器接收来自卫星的定位信息，通过UART串口将数据传送给中央处理器。同时中央处理器采集温度、湿度、震动等传感器数据，并将这些数据按照一定的协议格式进行封装，然后通过GPRS网络将数据传送到固定IP地址的服务器上[3]。

客户端单元主要实现数据通信、数据存储、数据显示等功能模块。一方面，客户端接收终端控制器发送过来的数据，接着对数据进行分析，将结果存储在数据库中。另一方面，客户端单元将解析完成的数据实时显示在电子地图上。用户就可以查看快递的实时位置及状态信息。当快递内温湿度超过设定阈值的时候，或者遭受碰撞、摇晃的时候，终端控制器内的传感器检测这些数据，就会打开蜂鸣器发出警报。此时用户可以在客户端上面查看到详细的报警信息。同时用户可以利用客户端与智能包裹终端控制器进行通信，终端控制器能接收操作指令并将其发送给下面的传感器，传感器将接收到的指令转化为物理动作，实现远程配置工作参数。

2 终端控制器硬件设计

本系统硬件电路主要由ARM9微处理器、SIM908数据传输和定位模块、MMA8453震动传感器模块、温湿度模块、电源模块、时钟模块以及LCD显示模块组成。硬件电路如图2所示。

图2 硬件电路图

2.1 中央控制器

终端控制器的硬件核心是中央处理器，所有的设备驱动控制、通信协议转换、数据传输、数据存储等任务都需要通过中央处理器。从稳定性、可扩展性、性能、安全及操作系统支持等方面考虑，选择性能强大的32位ARM9微处理器S3C2440作为主处理器。S3C2440工作频率最高可达533 MHz，拥有64 MB的Flash和64 MB的SDRAM、UART、I2C、SPI等多类串行接口，便于构建外围电路的拓展功能接口，具有高性价比、低功耗等特点[4]，完全满足小型移动设备的低功耗和高性能需求，所以特别适合于本系统应用。

2.2 SIM908数据传输和定位模块

在本设计中，GPS、GPRS模块传感器的选型是关键，GPS模块负责地理位置的准确定位，GPRS模块负责数据的接收和发送，其性能的优劣将会影响数据传输的可靠性、完整性。通过比较各个公司的GPS/GPRS模块，本文最后选用了SIMCOM公司的SIM908模块。该模块同时集成了GPS定位和GPRS数据传输功能，体积小，集成度高，稳定性强[5]。SIM908电路如图3所示。

其标准的工业接口，在信号覆盖的地方，都可以实现数据的无缝连接，确保数据传输的安全可靠。GPRS模块主要实现数据交换业务，虽然它的数据传输速度不是很高，但是能够满足正常的数据传输要求，非常适合于智能包裹的集成应用，可以节省开发时间和费用[6]。

图3 SIM908电路图

2.3 MMA8453振动传感器模块

选用加速度传感器MMA8453检测包裹的振动数据。该款加速度计拥有三档量程、2个可编程的中断引脚，内部集成了10位的ADC，可检测自由落体、碰撞、方向变化等多种状态。外围连接电路简单，带有I2C通信接口，具有低功耗及低噪声特点。振动传感器电路如图4所示。

图4 MMA8453振动传感器电路

3 终端控制器软件设计

3.1 终端控制器的系统移植

终端控制器系统软件使用Linux嵌入式操作系统。其稳定性和开放性能够很好地符合终端系统对系统安全、稳定、可靠性的要求。

系统开发的宿主机选用Ubuntu12.04，首先安装内核源码，在编译前进入根目录，更改其目录下的Makefile文件，设置目标平台和交叉编译器，然后运行makexcon-fig进入配置菜单，合理地设置内核编译配置选项，保存退出，执行内核编译命令make，编译成功后会在/usr/src/kernel/arch/arm/boot/目录下生成 zImage，即为 Linux内核映像文件。最后通过bootloaer引导进行操作系统移植，装载完毕文件系统之后，编写应用服务程序[7]。

3.2 终端控制器程序设计

终端控制器的程序流程图如图5所示。系统上电开机后，首先进行系统初始化，设置时钟频率，初始化GPIO口、I2C和UART总线。接着开始硬件自检，对内存等进行检查，同时开始对GSM/GPRS、GPS模块初始化，上传第一次GPS定位数据。然后系统进入休眠模式，每隔10 min唤醒一次CPU以及相关模块，同时在休眠的过程中，如果收到查询短信的指令，直接通过中断唤醒CPU以及相关模块。当外围模块正常工作时，读取GPS定位数据，并判断帧头数据，如果正确就通过GSM/GPRS模块传输GPS及温湿度传感器和振动传感器的数据，传输结束进入休眠模式。

图5 终端控制器的程序流程图

本系统采用低功耗的设计，CPU不能一直处于工作状态，本文设置系统每10 min或者当接收到短信时唤醒CPU，每次工作大约2 min，以此降低电量的消耗。由于此系统可以方便地放置在重要物品上，必须具有体积小、重量轻的特点，所以使用锂电池供电。

3.3 数据采集和传输

实现ARM Linux平台下SIM908数据的采集和传输，涉及到Linux下UART编程技术。首先给出Linux下UART串口的原理，然后使用多线程多进程技术来完成SIM908模块的GPS数据采集和GPRS模块的数据传输。

UART串口是一种终端设备，它不是简单地初始化硬件设备并传输数据，而是在它们上面封装了许多功能函数。UART串口驱动程序从上到下可以概括为：用户应用层-＞线路规划层-＞TTY层-＞底层驱动层。

线路规程和TTY驱动层是与硬件平台无关的，在Linux源码中已经实现，所以本文只需关心底层驱动和应用程代码的实现，s3c2440驱动层主要由dirivers/serial/下的s3c2440.c和samsung.c实现。移植几个必要的函数，就可以运行串口驱动了[8]。

具体的SIM908模块数据采集和传输都在应用层实现。S3C2440提供3路 UART接口。UART0用于RS232电路，主要负责软件调试，UART1和UART2用于SIM908模块，负责GPRS和GPS数据传输。

为减少系统资源的开销，提高执行效率，提高程序的响应，数据的采集和处理函数都采用多线程技术，从而可以提高系统的性能。同时在Linux下，所有的硬件设备都被看成是普通文件，可以通过与普通文件相同的标准系统调用完成打开、关闭、读取和写入设备等操作。表1列出了数据采集和传输程序的主要函数和功能描述[9]。

表1 主要函数和功能描述

4 客户端软件设计

客户端是监控系统的核心部分，主要功能分为三部分：设置模块、显示模块和报警模块。客户端软件使用vs2012开发环境，客户端界面如图6所示。

图6 客户端界面

（1）设置模块：可以设置终端控制器的温湿度阈值和振动范围，一旦温湿度或者振动量超过设置的值，客户端界面将会显示红色的报警信息。并且该模块可以设置终端控制器的GPRS模块的传输速率、发送间隔等功能。

（2）显示模块：主要功能是对智能包裹终端控制器进行实时定位和轨迹回放。点击定位按钮，程序将会主动下发命令查询智能包裹终端的地理位置，将接受到的返回数据进行处理后直接在地图上显示更新。点击轨迹回放按钮时，会弹出对话框，接着输入需要查询的时间段。如果该时间段有智能包裹终端的信息，则显示运行的轨迹路线。如果没有智能包裹终端的信息，则弹出对话框显示没有数据。同时模块也会显示车辆的运行速度、运行路程距离、运行的方向及包裹的温湿度等信息。智能包裹终端实时定位模块和轨迹回放模块的流程如图 7、8所示。

（3）报警模块：一旦包裹受到剧烈震动、摇晃、温湿度超过阈值等情况，界面就会显示红色报警，并弹出警告框。

图7 智能包裹终端实时定位模块的流程图

图8 智能包裹终端轨迹回放模块的流程图

5 系统测试方案设计

5.1 GPS调试

GPS定位模块能否快速准备定位是实时定位的关键部分。使用GPS模块进行定位，受密集的高楼和树木影响较大，因此本文将控制器放在空旷场地，去除环境的干扰因素[10]。 选取四个时间段 5 s，15 s，30 s，60 s，每个时间点采样10个样本，然后将采集到的数据通过GPRS网络传输到客户端，并绘制出图9所示的定位精度与时间的关系图。

图9 定位精度与时间的关系图

从图9可以得出，增加GPS定位时间，可以提高定位的精度和可靠度。当定位时间为60 s时，定位精度基本维持在4 m，当定位时间为30 s时，定位精度保持在5 m；当定位时间为 15 s时，定位精度保持在 7～8 m，当定位时间为5 s时，定位精度保持在9～10 m。这样的定位误差可以满足包裹定位的要求。同时观察得出，随着定位时间的增加，定位误差变化不是很大，因此本系统可以选择一个合适的定位时间。

5.2 GPRS数据模块调试

运行智能包裹终端控制器，采集GPS数据，然后通过GPRS模块传输到客户端。同时将终端控制器通过USB转串口连接电脑，电脑上打开串口调试工具。最后比较客户端数据库的数据 （图10）和串口助手采集的GPS数据（图11），数据完全一致。该GPS模块运行安全稳定，符合设计要求。

5.3 整体系统调试

图10 客户端数据库的数据

图11 串口助手采集的数据

将整个终端设备烧录程序，安装锂电池，放在空旷的场地上，进行整体系统测试。打开终端设备电源开关，等待几分钟，让系统完全启动，然后运行客户端登录主界面后。点击定位按钮，程序将会主动下发命令查询智能包裹终端的地理位置，此时终端的GPRS模块数据灯闪烁，表示正在传输数据。客户端将接受到的返回数据进行处理后直接在地图上显示，界面会显示包裹的温湿度、车辆运行速度等信息。运行结果如图12。

图12 运行结果

6 结束语

本文实现了一种基于物联网技术的智能包裹系统，它够能实时监测包裹的状态。系统的硬件采用模块化设计，GPS模块和GPRS模块高度集成，整个硬件具有体积小、携带方便等特点。系统的软件采用低功耗设计，大部分状态下CPU处于休眠，将系统设置为每隔10 min唤醒一次CPU或者接受到短信时唤醒CPU，每次工作大约2 min，以此降低电量的消耗。本文的下一步是优化客户端软件，将客户端分成服务器与客户端两部分，服务器负责数据的传输和数据的存储，而客户端负责数据的显示。

[1]唐晴.论快递行业消费者权益的法律保护[D].长沙：湖南师范大学，2014.

[2]曾碧琪.完善我国快递行业监管制度的立法思考[D].长沙：湖南师范大学，2014.

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