面向智慧物流的多模车载网关系统设计

陈红芬何昭水吴宗泽陈文科.广东工业大学自动化学院　.华南理工大学电子信息学院



面向智慧物流的多模车载网关系统设计

陈红芬1何昭水1吴宗泽2陈文科2
1.广东工业大学自动化学院2.华南理工大学电子信息学院

摘要：针对物流系统中存在的物流基础设施的配套性、兼容性差，标准化建设滞后的问题，文章设计并实现了一种基于GPS、GPRS、Zigbee技术的多模车载网关应用系统，搭建了一个由手机实时监控终端和货物安全公共服务平台组成的安全运输监测和预警系统。详细设计了车载网关和WSN的硬、软件模块的功能和实现方法。本文所设计的系统通过在相关项目中的实际应用得到了充分验证，有效地确保物流货物和运输车辆的在途安全监管。

关键字：智慧物流 车载载关 WSN GPS GPRS Zigbee

随着物联网技术的飞速发展，智慧物流也进入全面发展阶段。智慧物流将新一代信息技术应用于物流业中，实现物流的自动化、可视化、可控化、智能化、网络化，从而提高资源利用率和生产力水平的创新服务模式。智慧物流的概念早在2009年就已经提出，物联网是智慧物流系统的基础，结合运输技术和物流管理将有助于改善显著的物流服务。目前，国内外对智慧物流也开始大规模广泛的研究，中国科学院上海微系统与信息技术研究所、北京邮电大学、复旦大学以及无锡市国家传感网信息中心等科研院所及高校对物联网体系架构及软硬 件开发进行了相关的研究。沈苏彬等人从信息物品自主网络智能应用3个维度提出了一个物联网体系结构。Zonghua Gu； Zhu Wang等开发出一种基于虚拟化技术的软件平台。Tan-Hsu Tan，Munkhjargal Gocho等提出一种基于传感器装置，网络摄像头，2.4GHz ISM频段RF模块，ZigBee，GPS，谷歌地图和WiMAX移动网络开发的实时交通信息的RTIEMS 系统。Reddy ， A.V.D.G. ；Dhadyalla， G等提出一种基于CAN系统产品各自为政的关键问题，比如GPS定协议的无线网络的蓝牙。目前市场上已经运行的一些物流信息化系统，存在智慧物流标准体系不统一、车载位系统、电子关锁、胎压监控、物品 （如食品和危化品）状态监控等，迫切需要有效的将车载系统统一起来，建立统一、完善的智慧物流标准体系。本文实现了基于GPS、GPRS、Zigbee技术的多模车载网关系统，有效的改善了物流信息采集问题，使得现代物流过程的可见性明显增加。适合于物流运输的在途监控、仓储管理等环境，比如民用物流中包括食品、危化品、冷藏品、液体的运输，槽罐车、集装箱等，甚至在军事物流中也可发挥着重要作用。该系统构建物流运输车载网关及WSN，搭建物流安全公共服务平台，通过实时采集和传输各类货物在途状态及运输车辆及储运设备的运行信息、状态信息和定位数据，确保货物在途安全监管和运输车辆安全监管。

1　车载网关系统架构

整个智慧物流系统以车载网关终端和WSN为核心部分，WSN负责实时采集车载无线传感自组网的运输车辆的货物信息，通过同步定位卫星实时获取车辆的定位信息，并通过GPRS网络将信息实时发送到远程管理后台服务器，建立了一个由手机实时监控终端和货物安全公共服务平台组成的安全运输监测和预警系统。系统可以分为感知层、传输层、应用层三个层次。感知层各类传感器自组织成为一个WSN，主要解决传感器数据的采集问题。其关键技术是Zigbee的组网技术。传输层通过现有通信网络和互联网的基础建立起来的，综合利用现有的移动通信网，使用3G/4G、GPRS等通信技术，实现感知网与通信网的结合，从而实现数据的远距离传输。传输层的关键技术是长距离无线通信技术和网络技术等。应用层主要解决信息数据的处理和服务提供的问题。感知层是智慧物流系统发展和应用的基础，网络层是智慧物流系统发展和应用的先决条件，应用层是智慧物流系统发展和应用的重要目的。

2　车载网关设计

2.1车载网关硬件设计

车载网关硬件部分，车载网关终端的总体结构包括MDK1808核心板模块，交互模块、 GPS模块、GPRS模块、蓝牙模块、Zigbee模块，电源模块。

MDK1808核心板模块采用ARM主控芯片，植入嵌入式linux系统，负责协调各模块数据处理。交互模块实现实时显示集装箱内货物以及车辆的各种状态信息，并可通过所述触摸屏进行指令输入，实现对该运输车辆及货物的安全监控。GPS模块实现实时获取到车辆所在的经纬度等地理位置信息，并可以获取到车辆的运行速度等附加信息。GPRS模块实现将所述的这些地理位置信息上传到后台服务器，使后台人员和车辆管理人员可以实时了解车辆位置 状况，并进一步对车辆进行行驶路线的轨迹记录。蓝牙模块实现对终端与车辆自身诊断系统的互联，使得司机可以实时了解车辆自身的各种状态信息，实现对车辆自身状态的监控。Zigbee模块作为WSN 网络的中心节点，用来接收WSN中路由节点转发过来的各种传感器采集到的数据信息，实现对车辆货物状态的获取和监控。通过技术集成创新，将创造性地实现车载货物在途安全状态的全方位监测与跟踪，确保车载货物货物运输安全，配套以紧急事件应急处理机制，从而可极大地减少和避免事故的发生，避免生态灾难，确保车载货物运输与环境安全。

2.2车载网关软件设计

本文中系统采用Linux开源操作系统，是一种采用模块化设计的系统。在此只保留了必须的功能模块，删除了冗余模块，并对内核重新编译，从而使系统 运行所需的硬件资源显著减少。Linux系统内核集成 了大量的网络应用程序，支持全部的标准Internet协议和技术，因此将其应用到智慧物流系统的设计，具有代码量小、运行消耗资源少、可靠性高、开发 周期短等优点，适用于系统信息采集和传输要求。

本文选用可移植性强的 GUI应用程序QT，系统应用程序底层基于qextserialport类，实现了关于串口参数初始化，串口读写等操作。GPS数据解析、OBD数据解析、Zigbee数据解析这3个模块是应用程序的中间部分，主要是根据各自的协议来对从串口读取出来的数据进行解析，或者按照各自的协议通过串口发送命令对该模块进行控制。Upload程序主要用于将下层获得的数据根据制定好的与后台服务器的通信协议进行数据封装，然后发送到远程服务器端。

2.2.1GPS定位解析

GPS接收机根据 NMEA-0183协议的标准规范，将位置、速度等信息通过串口发送到MDK1808核心板。NMEA-0183是以语句形式发送数据的，接收机可能发送很多类型的语句，包括$GPGGA、$GPGLL、$GPVTG、$GPGSA、$GPRMC等信息，在这里，我们只需对$GPRMC语句进行解析以获得时间、经纬度、速度、方位等主要信息。

该语句为： $GPGGA，053152，3957.7484，N，11626.7626 ，E，1，06， 1.5，88.1，M，-8.0，M，，*64 其中“$”为语句起始标志，“，”为域分隔符， “*”为校验和识别符，其后面的两位数为校验和，代 表了“$”和“*”之间所有字符的按位异或值。

本系统读取串口是使用定时器查询（T=300ms） 读取的方式，所有不能保证每一次都将所有的信息 （GPS模块每一秒钟传输过来的数据信息）完整地读 取出来，或者由于信号不好导致收到的信息不全。为保证数据的完整性，在获取该语句信息时，检测 $GPRMC字符判断语句头，一直到换行回车结束一条语句，若无$GPRMC则丢弃，再利用字符串比较和显示格式的变换对语句进行解析获得需要的信息。

最后，为了确保所采集的GPS数据的可靠性，必须 进行检验和的计算与比较。若不同，按出错处理， 并继续运行；若相同，则说明通讯成功，数据接收 正确，可以处理该语句，提取所需数据。

2.2.2 GPRS无线通信

GPRS模块的启动包括初始化和联网两个部分。 GPRS的初始化需要检查GPRS模块是否正常工作，关闭回显功能，检查SIM卡能否正常工作和配置 APN参数。这可以用过ARM的UART发送AT指令来控制GPRS模块的启动。GPRS的联网需要完成GPRS 模块信号强度查询，设置GPRS通信的用户名、密码， 以及设置TCP/IP连接对象的IP地址和端口号。

Linux下使用pppd通过GPRS拨号上网，如果拨号成功，将生成一个新的默认网络接口ppp0，并自动为ppp0分配一个IP地址。GPRS的TCP/IP数据包具有固定的格式。

本系统上位机界面程序基于Qt库中 的网络通信QtNetwork类实现。当GPRS模块成功之后，服务器会返回信号，收到信息后，把需要发送的数据信息按照数据格式写入，传输IP数据包。

2.2.3Zigbee模块

WSN采用树形拓扑结构，从Zigbee网络配置上讲，其组网节点分为：终端节点、路由节点、中心节点。中心节点负责网络的建立、网络地址的分配以及接收路由节点和终端节点发送来的信息，是整个WSN的核心，一直处于工作状态。路由节点负责传送数据和控制信息，定期发送信标，使网内节点 能做到很好的同步，便于节点定期进入休眠状态，降低功耗，延长网络寿命。终端节点完成在每隔一段时间采集一次数据；接收车载网关发送过来的命令，并做出相应的动作。中心节点负责网络的建立和初始参数设定，网络都可以通过Zigbee路由节点进行扩展，通过串口线连接待配置设备，可以配置设备类型为Zigbee 终端设备、路由设备、协调器设备和点对点透传设备；可以配置入网参数，比如PANID值、信道、网络模型、网络层次等；可以配置传感器发送周期，使各传感器通道数据可以同一周期发送，也可以不相同周期发送等。部具体函数如下：

PANID设置函数：

ZDO_NetworkDiscoveryConfirmCB（）；

信道设置函数：

macRadioSetChannel（）；

传感器发送周期函数：

afStatus_t AF_DataRequest（）；

Zigbee模块作为WSN网络的中心节点，通过软串口与MDK1808核心板连接，读取串口数据，解析Zigbee数据包并发送信号。该模块查询参数设置如下：信号发射周期T=100ms，采用Polling查询模式，波特率为115200bps。

2.2.4数据上传格式

上传数据到后台需要实现将传感器信息、GPS信息和蓝牙获取信息等其他需要采集的信息重写，实现协议转换。协议内容即各个传感器的数据，依据实际的传感个数和种类为准，本文研究中，传感器包括温度传感器、液位传感器、压力传感器、真空度传感器、门开关五类。

数据内容中，报警标识位为2字节，高位字节从低位bit0、bit1、bit2 、bit3、bit4分别标示温度、压力、液位、真空度、门开关五种传感器的上限报警情况，此位为1表示该传感器出现上限报警，为0表示该传感器检测值正常。

3　WSN设计

在硬件设计方面，三类Zigbee节点的设计相同，根据集装箱货物运输的环境，合理的设计和布置终结点，使得传感器可以有效的采集信息。

WSN硬件架构包括各类传感器接口、通信接口、 Zigbee RF模块、开关控制电路、电源模块、按键、指示灯等。传感器接口设计成一个可通用的具有4个物理引脚的连接接口，用户可通过上位机软件端设置逻辑采集量，每个接口都与开关电路相接，实现接口供电的接通和断开。Zigbee RF模块采用TI公司的CC2530F256作为主控芯片，集成有射频模块，具有无线发送接收功能，完成上位机指令或数据接收、模拟量传感器AD转换、信号调理、开关控制电路的控制。通信接口电路采用一般的RS485/232串口通信电路。电源模块包括内部多规格电压和外部供电，内部由电池组组成。当使用外部电源输入时，将添加过压TVS保护电路，外部电源经过 AMS1117-3.3V芯片转换成3.3V给内部电路供电。开关控制电路采用晶体管元件、滤波电阻电容电路，控制传感器的电源通断和接口使能。在软件设计中，需要将终端模块中的CC2530的设备类型配置成网络终端节点，路由模块中的 CC2530的设备类型配置成网络路由器节点，将中心协调模块的CC2530的设备类型配置成网络中心协调节点。任意箱体内的节点都可作为终端节点与数据 中转节点通过串口进行通信，来搜集网络中其他节点的数据。具体的配置方法如2.2.3节所述。

4　测试结果及分析

4.1车载网关终端测试

基于上述系统的设计，在LCD显示屏中可以显示传感器的信息、网络连接信息、GPS定位信息。

4.2Android手机客户端软件测试

Android手机客户端是通过蓝牙与安装在车上的 车载网关终端连接，实现了实时读取车载网关终端上的传感器信息，基于Google地图上显示车辆的位置信息。基于蓝牙的手机客户端主要包括登陆，数据显示和设置三部分。 登陆部分包括选择通信方式，蓝牙检测和安卓登陆三个页面。通信方式有“本地蓝牙”和“远程服务 器”两种。“本地蓝牙”表示将通过蓝牙与安装在车辆上的车载网关终端进行通信。“远程服务器”作为与后台服务器通信的预留方式，还未实现。选择“本地 蓝牙”按钮，程序会自动扫描可见的蓝牙设备。

登录安卓客户端之后，就会进入数据显示部分。数据显示主要有传感器数据显示，和地图显示两部分组成。默认以列表的形式显示当前传感器的数据。点击此页面左上方的“历史曲线”按钮，就能以曲线图的形式显示传感器的历史数据。历史信息页面中，可以选择要显示的传感器数据，当通过下方选择框选择了传感器类型时候，就能显示相应的传感器数据的历史曲线。点击界面下方的“地图”按钮，就能进入地图显示页面，显示车辆现在的位置信息。在软件设置部分，点击“设置”按钮，可以进行账号管理，设置数据的刷新频率。

5　结束语

本文详细介绍了系统车载网关和WSN核心部分 的设计，集成了GPS、GSM/GPRS、WSN、蓝牙等 关键技术，并基于Linux/ Qt和Android程序开发，实现了物流车辆和货物信息的实时安全可靠的采集与传输。该系统的实现为相关项目的产业化和商业推广提供了可靠保证，同时也为基于该系统的各种应用研究提供了更加广泛的发展空间。该系统具有良好的发展前景，也必将产生一定的经济价值和社会价值。

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