基于GPSOne的貴重物品跟蹤系統(tǒng)終端設(shè)計

引 言

    消費者委員會對當(dāng)前貨運業(yè)存在的問題進(jìn)行了調(diào)查分析，消費者委托運輸?shù)馁F重物品在運輸過程中丟失情況嚴(yán)重，致使消費者的受損金額越來越大。物流公司常常承擔(dān)運輸貴重物品的任務(wù)，而這些貴重物品的丟失將會導(dǎo)致他們巨額的損失。物流公司使用傳統(tǒng)的 GPS定位技術(shù)跟蹤貴重物品，可以減小物品丟失的機(jī)率。但在高架橋下或城市建筑物密集等復(fù)雜地理環(huán)境中，衛(wèi)星信號容易丟失；且在整個物品的運輸過程中，貴重物品放在貨車的金屬集裝箱內(nèi)或者存放在室內(nèi)時，利用GPS技術(shù)也無法獲得衛(wèi)星定位信號，難以實現(xiàn)對貴重物品的有效跟蹤定位。同時，在物流公司監(jiān)控系統(tǒng)的傳統(tǒng)解決方案中，GPS車載定位業(yè)務(wù)是以GSM或CDMA移動網(wǎng)絡(luò)短消息作為通信媒介的，定位和報警信息是通過手機(jī)短信的方式發(fā)送到終端用戶的，因而不便于物流公司對整個系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)控、查詢和管理。

  為滿足物流公司跟蹤定位貴重物品的迫切需要，本文提出了一組基于GPSOne技術(shù)的解決方案。該方案既能在各種環(huán)境中實時、準(zhǔn)確地定位，又能在發(fā)生盜竊事件時通過Internet及時報警，便于物流公司實時監(jiān)控、查詢和管理，從而可以更加有效地防止物品丟失，并及時追究責(zé)任。

1 定位系統(tǒng)方案

  使用CDMA的DTGS-800模塊定位是一種很好的物流跟蹤管理方案。該模塊基于GPSOne技術(shù)，不僅可以實現(xiàn)定位，而且內(nèi)置TCP／IP協(xié)議棧，能方便地連入Inter-net傳輸數(shù)據(jù)，便于物流公司監(jiān)控管理。

   GPSOne是一種由A-GPS(Assisted Global PositionSystem，網(wǎng)絡(luò)輔助的GPS)與CDMA三角定位結(jié)合而成的混合定位技術(shù)。兩者的有機(jī)結(jié)合使兩種定位技術(shù)優(yōu)勢互補(bǔ)。在遠(yuǎn)離市區(qū)的郊外和農(nóng)村，CDMA三角定位技術(shù)因無線基站稀少而精度較差，但這些地方衛(wèi)星信號較強(qiáng)，可充分利用A-GPS提供的位置信息實現(xiàn)精確定位；在城市繁華地區(qū)、大型商廈、寫字樓等高層樓宇密集的地方或者室內(nèi)，衛(wèi)星信號較弱，A-GPS定位不準(zhǔn)，但這些地區(qū)CD-MA基站較密集，可利用AFLT(Advanced Forward LinkTrilateration，高級前向鏈路三角定位法)技術(shù)克服A-GPS的定位盲區(qū)缺點，實施精確定位。

   同時，DTGS-800模塊采用的是機(jī)卡分離技術(shù)，只要將一片R-UIM卡開通上網(wǎng)和GPSOne定位功能，然后插入模塊就可獲得上網(wǎng)和定位服務(wù)。 DTGS-800模塊自帶TCP／IP協(xié)議棧，只需通過單片機(jī)給模塊相應(yīng)的命令，模塊就能自動通過無線方式使用TcP協(xié)議連接到Internet。進(jìn)行連接前，設(shè)定所連接的IP地址和端口號為監(jiān)控端服務(wù)器的IP地址和端口號，就可以實現(xiàn)Internet數(shù)據(jù)傳輸功能。監(jiān)控服務(wù)器上打開相應(yīng)的軟件接收這些信息然后保存到數(shù)據(jù)庫，利用GIS(Geographic Information System，地理信息系統(tǒng))即可實現(xiàn)實時跟蹤和查詢物流車輛及物品的位置等功能，便于物流公司實時監(jiān)控和管理。整個定位系統(tǒng)如圖1所示。

   定位系統(tǒng)包括定位終端、CDMA網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星系統(tǒng)及物流公司監(jiān)控平臺4個部分。定位終端通過衛(wèi)星或者CD-MA基站獲取了當(dāng)前的時間、經(jīng)緯度信息后，通過 CDMA網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到Internet上，物流公司監(jiān)控平臺利用軟件接收來自Internet的相應(yīng)信息。只要R-UIM卡開通了CD-MA的GPSOne 定位和上網(wǎng)功能，就可獲得CDMA網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星系統(tǒng)的相應(yīng)服務(wù)。數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程可視作透明傳輸，即可看作數(shù)據(jù)直接從定位終端發(fā)送到物流公司監(jiān)控平臺上。

   整個定位系統(tǒng)的工作方式如下：將DTGS-800模塊、行程開關(guān)、天線和其他輔助電路封裝成一個獨立單元制成定位終端，固定在存放物品集裝箱的開箱口。運輸過程中，當(dāng)集裝箱密封完好并正常運輸時，此定位終端可以定時向監(jiān)控平臺發(fā)送經(jīng)緯度、時間等信息；而當(dāng)集裝箱被非正常開啟時會觸及行程開關(guān)，該定位終端可及時向監(jiān)控平臺發(fā)送報警信息和定位信息。物流公司通過監(jiān)控平臺接收這些信息并結(jié)合物流調(diào)度表，分析事發(fā)時的物流情況，即可判斷是否發(fā)生異常，并及時作出處理，從而實現(xiàn)物流過程跟蹤、防盜、查詢和管理等實時監(jiān)控功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

定位終端硬件總體框圖如圖2所示。

2．1 系統(tǒng)組成

    整個定位終端系統(tǒng)包括電源和電池供電模塊、MCU模塊及外圍電路、DTGS-800模塊及外圍電路。由一片單片機(jī)來控制具有定位功能的DTGS-800，它們之間的通信是通過串口來完成的。由于所選單片機(jī)和DTGS-800的工作電平都在各自的工作電平范圍之內(nèi)，所以可以直接互連，無需額外的電平變換電路。DTGS-800采用機(jī)卡分離技術(shù)，提供與R-UIM卡的連接接口。

2．2 系統(tǒng)各模塊設(shè)計

2．2．1 電源和電池供電模塊

    電源供電部分包括兩部分：專門的電池供電和汽車電源供電。整個終端系統(tǒng)使用的是專門的電池供電，在運輸行程較長而導(dǎo)致電池供電不足時，系統(tǒng)電壓檢測電路會發(fā)出報警，這時可以轉(zhuǎn)換成由汽車電源對其進(jìn)行供電。下面從兩個方面介紹電源部分。

   專門的電池供電。DTGS-800供電有兩種方法：電池供電(VBATT_INT引腳輸入)和外部供電(VEXT_DC引腳輸入)。當(dāng)用電池供電時，要求供電電壓VBATT_INT范圍為+4．O V±10%。因此選用的是容量為10Ah、輸出電壓為3．7 V的鋰聚合物電池。由于選擇的單片機(jī)是3．3 V供電，故電池在向單片機(jī)供電時需加一片LDO(低壓差線性穩(wěn)壓器)芯片MIC5219，其最小壓差可以達(dá)到0．3 V，滿足設(shè)計要求。

   汽車電源供電。目前汽車用的電池多為鉛酸蓄電池，小型汽車用電池一般為12 V，大中型汽車(柴油發(fā)動機(jī))為24 V。DTGS-800啟動時首先要初始化系統(tǒng)和尋找網(wǎng)絡(luò)，功耗較高，約300～500 mA，穩(wěn)定下來后最高功耗(打電話或者上網(wǎng)、定位的情況下)大約在300 mA。設(shè)計時要留有余量，因此供電電源要求在外部供電(VEXT_DC)的情況下能有4．5～5 V、1 A的穩(wěn)定直流供電，最高不能超過5．5 V。考慮到壓差較大，且要求輸出電流大于1 A，選用的是輸出電壓為5 V、輸出電流最大為3 A的DC-DC(開關(guān)電源)芯片LM2576-5。與LDO壓差較大時功耗高且轉(zhuǎn)換效率低的缺點相比，DC-DC電源芯片具有較高的轉(zhuǎn)換效率，且在壓差較大時保證功耗不會太大。電源及電池供電模塊電路如圖3所示。

2．2．2 MCU模塊及外圍電路

     MCU選用的是宏晶科技公司的STC12LE5410AD，其工作電壓為3．3 V，便于在所選定的系統(tǒng)電源下工作。這是一款帶A／D轉(zhuǎn)換的單片機(jī)芯片，具有超強(qiáng)抗干擾的特性，并且具有超低的功耗，正常工作時電流僅為4～7mA，空閑時電流<1 mA。它的工作周期僅為一個時鐘周期，可以大大降低使用的晶振頻率，從而降低EMI(Elec-tromagnetic InteRFerence，電磁干擾)。STC12LE5410AD具有引腳少、體積小、價格低、使用方便等特點，可降低開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期。

   MCU外圍電路包括晶振電路、復(fù)位電路、開關(guān)檢測電路和電壓測量部分。開關(guān)檢測電路用來檢測行程開關(guān)的動作，電壓測量部分利用單片機(jī)的A／D轉(zhuǎn)換功能是來測量DTGS-800供電的電池電壓，當(dāng)檢測到電池電壓不足時會發(fā)出報警，此時需將供電部分轉(zhuǎn)換到汽車電源上。MCU及外圍模塊電路如圖4所示。

2．2．3 DTGS-800模塊及外圍電路

  CDMA模塊選用的是美國高通公司帶有GPSOne定位功能的集成MSM6050芯片組的DTGS-800。此模塊接口共有100個引腳，可提供電話、短信、音頻、傳真、定位、上網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽€提供多種用戶接口，如串口、鍵盤及LCD等接口，用戶可方便地根據(jù)需要進(jìn)行開發(fā)。

    DTGS-800與單片機(jī)接口使用的是3線(TXD，RXD，GND)串口，利用AT指令可以實現(xiàn)打電話、發(fā)短信及定位等功能，但是在上網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸時需要接串口的流控信號(如RTS、CTS及DTR等)。RTS為請求發(fā)送信號；CTS為清除發(fā)送信號，起流控作用；DTR為數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好信號，用來指示上網(wǎng)時數(shù)據(jù)連接的有效性，系統(tǒng)中使用單片機(jī)的一個I／O口來控制。當(dāng)DTR=1時，表示允許數(shù)據(jù)連接。此時單片機(jī)向DTGS-800發(fā)送上網(wǎng)指令，DTGS -800就被允許連接到Internet，單片機(jī)即可通過串口控制DTGS-800向指定IP地址和端口號的服務(wù)器上傳輸數(shù)據(jù)。注意，當(dāng)模塊處于數(shù)據(jù)連接有效狀態(tài)時，是不響應(yīng)任何AT指令的。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完畢時，將DTR置0可斷開數(shù)據(jù)連接，此時DTGS-800就可以再次響應(yīng)AT指令。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

   單片機(jī)與DTGS-800通信，分為單片機(jī)控制DTGS-800執(zhí)行相應(yīng)的功能，以及控制 DTGS-800通過網(wǎng)絡(luò)向監(jiān)控服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)2部分。單片機(jī)控制DTGS-800執(zhí)行相應(yīng)的功能，只需要通過串口給DTGS-800發(fā)送AT指令，不同的AT指令可以實現(xiàn)不同的功能。AT命令是以“AT”為首，字符結(jié)束的字符串。單片機(jī)每向模塊發(fā)送一個AT指令，模塊都會返回數(shù)據(jù)。返回的數(shù)據(jù)是以結(jié)束的字符串。單片機(jī)收到數(shù)據(jù)之后，要經(jīng)過一定的解析和處理，才能重新發(fā)送給監(jiān)控服務(wù)器。串口的設(shè)置如下：115 200 bps，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。單片機(jī)控制DTGS-800向監(jiān)控服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)時，定義了相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式：幀頭+數(shù)據(jù)內(nèi)容。幀頭包括以下內(nèi)容：16字節(jié)定長的R-UIM卡號碼、1字節(jié)的命令標(biāo)識、1字節(jié)的數(shù)據(jù)內(nèi)容長度。當(dāng)數(shù)據(jù)內(nèi)容長度不夠時，按左對齊，右側(cè)填0x00。數(shù)據(jù)內(nèi)容即發(fā)送的數(shù)據(jù)。命令標(biāo)識定義命令的類型，命令類型說明如表1所列。

   例如，當(dāng)發(fā)送的數(shù)據(jù)是定位信息時，幀數(shù)據(jù)依次是：16字節(jié)的R-uIM卡號碼(通常為11字節(jié))，類似于手機(jī)號碼，不夠16字節(jié)時，后面補(bǔ)0x00；1字節(jié)的數(shù)據(jù)內(nèi)容長度，用來說明每幀幀頭后面發(fā)送的數(shù)據(jù)內(nèi)容的字節(jié)數(shù)；1字節(jié)的命令標(biāo)識，表明發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的意義，如果是定位信息，則發(fā)送的是0x12；緊接著是數(shù)據(jù)內(nèi)容。在通信協(xié)議里還規(guī)定了不同信息內(nèi)容的數(shù)據(jù)格式。

   系統(tǒng)軟件工作過程如下：在運輸過程中，單片機(jī)使用定時器定時向監(jiān)控平臺服務(wù)器發(fā)送定位信息。發(fā)送的數(shù)據(jù)格式遵照前面所述的通信協(xié)議數(shù)據(jù)格式。首先，單片機(jī)向DTGS-800發(fā)送定位指令“AT+GPSSRT”，CD-MA模塊完成定位后向單片機(jī)返回定位信息。單片機(jī)對此信息進(jìn)行解析，提取經(jīng)緯度及當(dāng)前時間等有效信息后對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換；再向模塊發(fā)送上網(wǎng)指令“ATDT1123”，數(shù)據(jù)連接狀態(tài)有效后，就開始向監(jiān)控服務(wù)器發(fā)送定位信息。當(dāng)行程開關(guān)動作時，首先要發(fā)送上網(wǎng)指令和報警信息，然后按照上面的步驟進(jìn)行通信。軟件流程如圖5所示。

   注意：在TCP連接并發(fā)送數(shù)據(jù)時使用了握手機(jī)制，即應(yīng)答機(jī)制。為使系統(tǒng)的流程更加清晰，圖5中未給出握手過程。當(dāng)DTGS-800模塊向監(jiān)控端發(fā)送數(shù)據(jù)時，監(jiān)控端需要根據(jù)情況返回應(yīng)答信號；模塊如果在規(guī)定的時間內(nèi)沒有得到應(yīng)答，默認(rèn)為連接超時。為避免在TCP連接過程中由于沒有收到應(yīng)答而出現(xiàn)死機(jī)情況，系統(tǒng)中運用了超時重傳機(jī)制，保證了通信的可靠性。

結(jié) 語

  傳統(tǒng)的GPS定位技術(shù)在物流中應(yīng)用時，除了使用GPS模塊之外，還需要另外使用GSM模塊等其他輔助硬件才能實現(xiàn)定位報警功能。而在本文基于GPSOne 技術(shù)的定位終端中，DTGS-800模塊融合了定位、GSM及CDMA網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等多種功能，集成度和性價比高。系統(tǒng)測試表明，本方案在樓群密集的市區(qū)或者室內(nèi)實現(xiàn)了精確定位，克服了GPS技術(shù)定位盲區(qū)的缺點。此系統(tǒng)裝置體積小，便于安裝在物品集裝箱內(nèi)；定位數(shù)據(jù)能及時地通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到物流公司的監(jiān)控平臺服務(wù)器上，便于實時監(jiān)控和管理；還可以在發(fā)生物品被盜事件時及時報警，便于物流公司查清事實，追究責(zé)任，在一定程度上能防止物流公司內(nèi)部員工盜竊。