基于北斗卫星导航系统的物流动态追溯系统设计与应用

陈政,虞丽娟,2,陈成明,2

(1.上海海洋大学 工程学院,上海 201306; 2.同济大学 机械与能源工程学院,上海 200092)

基于北斗卫星导航系统的物流动态追溯系统设计与应用

陈政1,虞丽娟1,2,陈成明1,2

(1.上海海洋大学 工程学院,上海 201306; 2.同济大学 机械与能源工程学院,上海 200092)

针对当前物流运输业的发展需求,提出了基于北斗卫星导航系统的物流动态追溯系统设计方法。结合嵌入式技术、无线通讯技术和传感器技术,设计出了一种可以实时查询的物流动态追溯系统,使货物运输过程中的多种信息可以被实时监控。该系统具有精确获得位置信息、运输车轨迹显示和路径规划等多种功能,实际测试结果表明:该系统运行流畅,精度高且稳定性强。

北斗系统;动态追溯;实时监控

0 引 言

随着商品经济的高速发展,物流运输产业已经成为一个我国不可或缺的支柱产业。物流运输过程中的实时定位和动态追溯功能可以大大减少商品的损坏,这将成为消费者对商品质量要求越来越高的解决之策[1-2]。目前,现有的物流运输方式在记录商品在运输过程所处于的温湿度是否合适、是否受到过挤压碰撞等方面还不够完善,多数也不能实现实时的位置信息查询,更无法显示运输路线,这都制约了当前电子商务的发展。

北斗卫星导航系统由我国自主研发,是继美国GPS和俄罗斯GLONNASS之后的又一个成熟度高且应用范围广的卫星导航系统。它的定位精度可达10 m,测速精度达到0.2 m/s.西昌卫星发射中心已经成功发射的导航卫星有16颗,实现了对东南亚的全覆盖。相比于GPS定位系统,北斗系统有两大优势[3]:一是信息安全性更高。对于一些较为机密的运输监控,北斗系统更加可靠。二是北斗系统具有短报文功能,可以弥补无线网络通信的不足,是系统更加稳定。目前,北斗系统已经越来越广泛的应用在了物流行业中。俞巧君[4]等综合利用北斗定位系统与蓝牙技术,开发了一种物流监测系统,可以用于检测重要物品在运输过程中的加速度、温度和湿度等多项指标。张向南[5]等基于AJAX、MINA框架,开发出了一套包含制定车辆服务方案功能的车辆监控系统,并通过推广使用起到了显著的效果。滕志军[6]等为打破GPS导航垄断市场的局面,以北斗系统为支撑,应用新型ARM9处理器和Linux操作系统设计了一种新型监控定位模式,使用户可以通过发送短信的方式获取实时信息,具有一定的推广价值。

针对传统物流运输模式存在的诸多不足,本文提出了一种基于北斗卫星导航系统的物流动态追溯系统,结合GPRS技术和传感器技术[7-8]实现了运输车辆的实时定位、车内环境监控以及运输车路线回放等功能,一旦发生商品的损毁、丢失事故,可以第一时间根据相关信息进行追溯,明确事故责任,从而加强对运输车的监控管理,大大提高商品的运输质量[9]。

1 系统整体方案

本文设计的基于北斗系统的物流动态追溯系统架构如图1所示,系统中主要组成部分包括北斗卫星、北斗指挥机、车载设备、通信网络、监控管理中心以及服务器等。其中,车载设备主要包括车载摄像头、多种传感器和车载通信硬盘等,其功能主要是将实时的定位信息发送给北斗指挥机以及接收并执行来自监控中心的各项命令。车载摄像头可以采集运输过程中拍摄的视频和图片,防止意外事件的发生,有效的保障物流安全。服务器的主要功能是处理来自北斗指挥机的信息以及对物流信息进行分析汇总,用户可以通过Internet、GPRS等多种方式向服务器申请查询实时的物流信息。

图1 北斗定位系统在物流动态追溯系统中的基本架构

2 系统硬件

系统硬件主要由北斗定位模块、ARM处理器、无线通信模块、存储模块、传感器信号接口及摄像头接口等组成,如图2所示。

图2 系统硬件组成

北斗定位模块的作用是实时定位物流运输车的位置坐标并传输给ARM处理器,协助其进行路线记录和导航。无线通信模块主要负责接收物流运输车的位置信息,并实现运输车和监控管理中心的信息传递。

监控管理中心可以通过车载摄像头和传感器,观测运输车内情况并监测影响商品质量的各项指标。存储模块主要负责存储相关的电子地图数据及记录车内监控情况。系统功能主要包括定位、导航、监测和信息重现等,如图3所示。

2.1 北斗卫星定位模块

本系统导航定位模块选用的是麦宏科技设计的UM220-III N,如图4所示，UM220-III N芯片具有双系统、高性能、低成本、低功耗等特点,能够同时支持两个频点,在低功耗的情况下依然可以保证很高的灵敏度。

图4 北斗UM220-III N芯片电路

当天线接收到导航信号后,通过功分器将信号分为两路,分别通过两个射频前端输出中频信号供该芯片完成电文解算以及导航信号的捕捉跟踪;然后再由ARM处理器完成PVT解算,最终通过射频前端将解算后的数据发送给下一级。

2.2 ARM处理器模块

ARM处理器模块选用Smart210核心板,中央处理器是基于CortexTM-A8的Samsung S5PV210,主频为1 GHz;兼容Andriod、Linux、Windows等操作系统;容量为2 GB MLC闪存且支持16bit ECC校验;模块内置SGX540高性能图形引擎, 2D/3D图形加速流畅度极高。

该处理器模块是整个系统硬件构成的核心模块,其主要功能是将北斗定位模块输出的＄BDRMC格式数据进行转化处理。同时该模块还将通过无线通讯接收的指令进行转化,从而控制相关的车载设备。

2.3 通讯模块

无线通讯模块选用的是华为公司的MU509通讯模块,这是一种双频宽带码分多址(WCDMA)工业级无线模块,下行速率为3.6 Mbit/s;同时具备短信功能和语音功能,内置TCP/IP协议栈。该通信模块具有8个wire UART,采用RS-232串行接口,同时支持双路接收、发送以及TCP/IP、PPP通信协议。ARM处理器模块可以借助MU509通讯模块的强大数据传输功能随时随地进行数据处理和上传。

3 系统软件

3.1 电子地图嵌入设计

谷歌地图提供了基于JavaScript技术的API接口,本系统在不建立地图服务器的基础上实现了嵌入Google Maps的地图服务应用[10],通过上述接口对谷歌地图进行了二次开发使用。

1) 通过GMarker地标,使用命令符GMap2.addOverlay()来进行标记Google Maps地理位置。

2) 使用openInfo Windows Html()为软件添加图片和信息窗口,创建Tabs数组并在数组中使用html语言进行内容编译。

3) 添加叠加层,将地图图片嵌入Google maps中。分别使用setCenter函数和GGroudOverlay来设定地图坐标和缩放级别以及添加叠加对象。

3.2 软件总体设计

本系统主要实现了以下流程:ARM处理器开发环境的搭建、系统初始化、北斗定位模块及通讯模块的启动、车载设备驱动、远程端监控等。系统在嵌入式下完成定位信息采集程序的设计及各模块的驱动程序。软件的总体设计流程图如图5所示。

图5 系统软件流程图

北斗卫星导航定位模块的软件设计部分主要包括数据的接收、处理和发送程序。其中定位信息采用中断方式来进行获取并保存在Buffer缓冲器中。

无线通信模块的软件部分主要用于实现连接因特网,本系统在数据传输时采用TCP/IP协议。该模块的启动和调用均采用AT指令模式。

Qt软件部分的设计主要是通过调用Google提供的API接口函数及多线程的处理数据;使用QtWebKit组件来实现软件中电子地图部分的显示;应用setUrl函数搭建软件主界面并显示主要功能窗口,最终实现在软件端显示运输车的定位信息、轨迹回放和车内视频信息的获取。

4 系统测试结果

4.1 静态测试

本系统在进行运输车动态测试之前,先对北斗系统的定位精度进行静态测试。选取三个地点进行定位对比,查看车载北斗系统发回的位置坐标与现场手机GPS显示的位置坐标是否基本一致,对比结果如表1所示。

表1 北斗系统定位精度静态测试结果

对比可知,车内北斗系统发回的三点定位坐标数据与现场手机GPS软件测得误差极小,定位精度极高,故可继续进行运输车行走轨迹的动态测试。

4.2 动态测试

静态测试完成后,选用物流实验车在上海地区进行系统动态测试。在测试过程中,车载设备发送数据的频率为10 s/次,共发射2000组数据,GPRS未出现掉线情况,数据准确率高达99.2%,完全能够满足正常运营的需要。测试期间,北斗定位导航系统通过谷歌实验室提供的Google Maps API接口函数与软件端实现互通,清晰的显示了物流车辆当前的位置信息和车辆轨迹记录,如图6所示。从系统服务平台界面中可以看到当前运输车所在位置的坐标信息以及之前行程的红色行车轨迹。

图6 运输车定位及轨迹显示功能测试

5 结束语

对于当前存在的物流跟踪不及时、商品无法实现动态追溯等现实问题[11],本文将我国自主研发的北斗卫星定位系统、无线通讯模块和嵌入式系统进行了结合应用,实现了物流运输车的实时定位、轨迹显示、路径优化和视频采集等功能,在很大程度上提高了物流运输过程中相关信息的真实性和及时性,同时也使得消费者可以实时的动态追溯商品配送信息。目前该系统运行良好,下一步应继续优化的问题主要是在无线信号不稳定时的系统的延时问题,使之更加的真实有效。

[1] 武敏,王春岐. 我国北斗卫星导航系统应用及发展前景分析[J]. 科技经济导刊,2016(30):39.

[2] 朱为建. 基于北斗的交通物流运输系统研究[J]. 企业科技与发展,2016(10):19-21.

[3] 徐文博,赵利,黄书婷,等. 北斗通信与导航一体化车载智能网络终端的开发[J]. 微型机与应用,2016(16):34-37.

[4] 俞巧君,梁丰研,潘瑾,等. 基于北斗与蓝牙的物流监测系统设计[J]. 测控技术,2016(1):50-52.

[5] 张向南,赵庆展,何启峰,等. 基于北斗的物流车辆监控系统[J]. 物流技术,2015(15):251-254,268.

[6] 滕志军,郭素阳,徐艳伟,等. 北斗卫星导航的物流运输监控系统[J]. 河南科技大学学报(自然科学版),2015,36(4):47-50.

[7] 张晶晶. 北斗车联网技术的应用及发展[J]. 数字通信世界,2016(S1):37-39.

[8] 王古月,陶庭叶,张耀允. 北斗智能车载终端的研究与实现[J]. 信息通信,2016(4):80-82.

[9] 贾国荣,杜少波,吴永坚. 北斗导航在贵州运输物流方面的应用研究[J]. 贵州商学院学报,2016(1):54-58.

[10]陈启锋,莫家勤. 基于北斗卫星定位的物流平台的设计与实现[J]. 大众科技,2016(1):1-4.

[11]王艳红,赵文智,杨明. 北斗卫星导航系统及其于民航导航的应用[J]. 计算机测量与控制,2014(2):496-498.

Design and Implementation of Logistics Dynamic Traceability System Based on BeiDou Satellite Navigation System

CHEN Zheng1,YU Lijuan1,2,CHEN Chengming1,2

(1.SchoolofEngineering,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306,China2.CollegeofMechanicalandEnergyEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China.)

Aiming at the current development of logistics and transportation, a design method of logistics dynamic traceability system based on Beidou satellite navigation system is proposed. Combined with embedded technology, wireless communication technology and sensor technology, designed a logistics dynamic traceability system, so that a variety of information in the process of transport can be real-time monitoring. The system has many functions, such as obtaining location information, showing trajectory of tractor and path planning. The actual test shows that the system is running smoothly, with high precision and high stability.

Beidou system; dynamic traceability; real-time monitoring

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.03.017

2017-01-09

上海市科技兴农重点攻关项目(编号：沪农科攻字(2013)第4-2号)

P228.4

A

1008-9268(2017)03-0082-05

陈政 (1990-),男,硕士研究生,研究方向为物联网服务平台开发。

虞丽娟 (1963-),女,教授,研究方向为物联网搭建与开发。

陈成明 (1978-),男,讲师,主要从事人因工程、工效学、物联网工程等方面的科研工作。

联系人: 陈政E-mail:cz397498572@163.com