集装箱双定位技术研究

0 引言

在经济全球化大发展的趋势下，中国“世界工厂”地位的确立和对国际资源的依赖，都将产生巨大的运输需求。集装箱运输是一种先进的运输方式，是现代物流业的重要组成部分。随着物流行业的发展，集装箱定位器（系统）变得越来越重要，对于物流过程中的安全及时效性要求越来越高。因为不管是在国内还是国外，客户都希望通过手机或者电脑能够及时了解货物的位置及状态，担心着货物是否能够准时到达自己手中，以防误工时。应用卫星定位，定位精确，只要能接收到四颗卫星的定位信号，就可以进行误差在5~10米以内的定位。但卫星定位受天气和位置的影响较大，当天气不佳的时候或者处于高架桥下信号会发生中断。因此通过借鉴国内外对集装箱定位系统的研究理论和技术，采用融合卫星定位与基站无线定位方式可以解决信号覆盖不完全的问题，两种定位方式技术互相补充，构建一个无盲区、不间断、实时的定位监控系统，运用此系统对集装箱的位置、实时运行状况等信息进行监控，从而能及时获取集装箱货物的状况并能及时地排除不必要的物品损失和人员伤亡。

1 系统的总体设计

双定位系统对集装箱运输途中的位置进行追踪，定位装置利用卫星定位技术，并将经度、纬度、温度、加速度、时间、电压信息通过通信模块回传至中央信息系统。终端采用无线通信方式将原始采集信息直接发送至铁路集装箱定位信息系统，数据传输满足集装箱定位信息系统通信协议要求。

主体硬件架构：以实时快速追踪定位为主要目的，采集位置、时间、温度、湿度、加速度及电压，能够最大程度地减少电能的消耗。主要包含模块：主控芯片、4G/3G/2G全网通通信芯片、卫星定位芯片、蓝牙芯片、振动传感器、温湿度传感器、电源转换模块、防爆电池、复合电容、计时模块、外置flash、库仑计、可触发式RFID电子标签、GSM天线、GPS天线、蜂鸣器。总体框图如图1所示。

图1 定位系统的总体结构

2 系统硬件设计

MSP430F248是定位系统中的中心控制模块的核心芯片，它的Flash存储器用于MSP430F248和SIM7600E程序的存储，SDRAM存储器用于运行程序和缓存临时数据，Msp430f248外部EEPROM存储器用于保存测量结果等重要信息。其USART串口接口用来连接无线数据传输模块和GPS定位模块，通过DMA控制器实现模块之间的通信。其I/O端口用于连接GPS定位模块的射频前端并控制相应的模块，实现相应的模块功能。Msp430f248与JTAG仿真接口外接，用于连接计算机，实现物联网终端代码的刻录和调试。射频前端的核心芯片是Nrf52840。无线数据传输模块基带信号处理部分和GPS定位模块的核心芯片是Sim7600e，用于实现GPS信号的接收、采集和处理，并将信号传输到监控中心。硬件电路结构如图2所示。

图2 定位系统的硬件电路总体结构

3 定位器监控中心设计

监控中心客户端由和Web监控系统组成。网络监控系统包括数据库和网络系统服务器。客户端的功能是实现查看集装箱最后集装箱实时定位、位置分布、历史轨迹回放等。监控系统设计框图如图3所示。使用IIS构建Web服务器，SQL服务器构建数据库，ASP Net 4.6在Windows操作系统上构建应用服务器，使用AJAX技术实现开发，并使用嵌入在Google Maps API中的WebGIS技术为客户提供基于空间分布的位置定位和轨迹再现等多种信息服务，提高地理信息资源的利用和共享。

图3 监控系统设计框图

图5 双定位模式流程图

4 定位器双定位模式的软件程序设计

4.1 MSP430主程序设计

根据物联网终端的功能要求，MSP430的主要程序设计主要包括串口中断处理功能、配置串口参数、数据处理功能和模块初始化功能。MSP430的主要设计流程如图4所示。硬件模块使用5V DC作为输入电源。通电后配置MSP430资源。首先初始化硬件：初始化硬件片上资源，如时钟、定时器、串口、I/O端口和引脚，并设置波特率和数据位等；然后依次初始化串口、GPS和GPRS模块；接着初始化nrf52840和sim7600e芯片。程序首先会检查芯片的存在情况。如果存在，nrf52840将通过MSP430的I/O端口进行控制，sim7600e将使用AT命令对其进行初始化，包括检测SIM卡的状态以及GPRS网络是否被覆盖，当终端的位置覆盖GPRS网络并且与Web系统服务器的连接成功时，GPS初始化开始，GPS通过MSP430的串口2连接，直接接收定位数据，由DMA芯片的内外设备控制。当有GPS数据时，DMA被中断，数据将由系统读取。读取的数据将通过GPRS网络实时传输到服务器，实现定位终端的设计。

图4 定位系统主程序流程图

4.2 双定位模式的实现

定位装置支持卫星和基站定位双定位模式。当装置判断注册的移动通信商为国内运营商时自动选择按照基站定位模式，当装置判断注册的移动通信商为国外运营商时首先选择卫星定位，卫星定位无效的情况下再转为基站定位。

定位装置在卫星定位模式下，存在无法获取GPS信号的可能，为此定位装置设置了GPS定位时间阈值，如果定位装置超过定位时间阈值依然无法达到搜星要求并成功定位，则将本次定位转为基站定位，获取基站定位信息。

定位装置在基站定位模式下，存在无法获取基站信息的可能性，为此定位装置设置了注册时间阈值，如果定位装置超过注册时间阈值，依然无法获取基站信息，实现基站定位，则将本次定位转为GPS定位，获取定位信息。

5 结论

本文提出了一种基于卫星定位和基站双定位模式的集装箱定位系统，对硬件和软件进行了详细的设计，建立了一种实时、可靠、高效的集装箱运输动态监控系统，通过实时跟踪集装箱，实现对车辆的动态监控，保证车辆的运输安全，提高运输效率。