禽品冷鏈是指易腐產(chǎn)品從加工、貯藏、運輸、銷售、直到送達消費者手I1的特殊供應(yīng)鏈系統(tǒng)，其各個環(huán)節(jié)產(chǎn)帚始終處于所必需的低溫環(huán)境F，以保證食品質(zhì)量安全。目前多數(shù)物流公司主要通過將溫濕度檢測記錄儀放在車廂內(nèi)進行溫濕度記錄，在物品交接時一次性瀆取數(shù)據(jù)，公司和客戶無法動態(tài)檢測到冷鏈運輸車輛的過程狀態(tài)，降低了物流中心監(jiān)測的準確件和宴時性。因此，本文設(shè)計了一種基于RFlD的冷鏈運輸監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，RFID采集系統(tǒng)有效降低了車載終端能耗，免除了跟蹤過程中的人工干預(yù)，CPRS網(wǎng)絡(luò)使得用戶無需另外組網(wǎng)，為客戶節(jié)省了組網(wǎng)和維護費用‘訓(xùn)。物流中心實時監(jiān)測冷鏈運輸車輛的在途信息，用戶也可以用手機通過短信以AT指令形式查詢貨物在途參數(shù)。
1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
冷鏈運輸監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的整體結(jié)構(gòu)如圖l所示。整個監(jiān)測系統(tǒng)由車載終端設(shè)備、GPRS通信網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)測中心三部分構(gòu)成。
車載終端內(nèi)RFID電子標簽和讀寫器承擔(dān)著貨物標簽信息和溫濕度數(shù)據(jù)采集與讀取任務(wù)。CJPS定位模塊Ublox NEO接收衛(wèi)星傳來的導(dǎo)航電文。中央處理器STM32F103RBT6將RFID系統(tǒng)采集的溫濕度數(shù)據(jù)進行分析和預(yù)處理，同時對CJPS定位數(shù)據(jù)進行解析與封裝。車載終端通過CJPRS無線模塊SIM900定時向監(jiān)測中心發(fā)送當(dāng)前溫濕度、經(jīng)緯度、車載速度、日期時間等信息，并顯示在車載終端的LCD液晶屏上。監(jiān)測中心無線接收和處理車載在途信息，將當(dāng)前溫濕度顯示在監(jiān)測界面上，并通過Coogle Earth實時顯示車輛位置。
中央處理器STM32內(nèi)置電話簿，當(dāng)溫濕度或者車載速度超過設(shè)定的相應(yīng)閾值，就通過SIM900發(fā)送短信給手機用戶報警，同時駕駛室蜂鳴器響起，司機可立即采取應(yīng)急措施。
2車載終端硬件設(shè)計
2.1中央處理器STM32F103RBT6
本系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體公司(ST)生產(chǎn)的基于ARMContex_M3內(nèi)核的RISC 32位微控制器，CPU處理速度快，工作頻率最高可達72 MHz.定點運算速率達剄每秒9×107條指令：片內(nèi)128 KB Flash，20 KB SRAM，擁有強大的程序和數(shù)據(jù)存儲能力：資源豐富，外圍連通性好，擁有9個通信接口(3個UART、2個I2C、2個SPI、1個CAN、1個USB2.O);外圍設(shè)備豐富，多達80個快速1/0端口擴展，7通道DMA控制器，7個定時器，2個12位的A/D轉(zhuǎn)換：支持JTAC./SWD接口的調(diào)試下載及IAP(在應(yīng)用可編程)，無需專用的編程器/仿真器：具有睡眠、停機和待機模式，體積小、性能高，可滿足車載終端低功耗與多串口的需求。
中央處理器STM32F103RBT6的UART2通過MAX3232芯片連接CJPS數(shù)據(jù)采集模塊Ublox EO的串口，用UART3通過MAX3232芯片連接無線通信模塊SIM900，UARTI利用RS232-RS485轉(zhuǎn)換器與RFID讀寫器相連，通過PA口向LCD NOKIA5110液晶屏寫入顯示數(shù)據(jù)。中央處理器硬件連接圖如圖2所示。
2.2 RFID數(shù)據(jù)采集模塊
RFID數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是整個車載終端的重要組成部分，電子標簽采集冷藏車廂內(nèi)的動態(tài)溫濕度數(shù)據(jù)并處理轉(zhuǎn)換成電信號，通過2.45GHz微波射頻通信將信息傳輸給讀寫器。
電子標簽采用有源主動式，工作狀態(tài)下通信距離可達30-50 m.休眠狀態(tài)功耗極低，低頻喚醒距離在0.5 -7m之間準確可控。讀寫器采用全向式，通信距離達15-50m.內(nèi)置存儲器可用于暫存溫濕度數(shù)據(jù)，先進的時隙ALOAH防碰撞算法支持讀寫器同時讀寫200個電子標簽，在車載內(nèi)可以組建一個無線局域網(wǎng)，實現(xiàn)多點采集車廂內(nèi)的溫濕度。本文采用的溫濕度傳感器是SHTIX系列，此傳感器電阻溫度系數(shù)大，感應(yīng)靈敏，電阻值隨溫度變化基本呈線性關(guān)系。RFID電子標簽測溫范圍為-40到+123℃，測溫精度為+0.5℃：濕度測量范圍為0% RH-IOO% RH，測濕精度為±20%RH。采用RFID技術(shù)解決了冷鏈物流人工干預(yù)、能耗高的固有缺點，而且電子標簽體積小、易拆卸，可重復(fù)利用，有效降低了物流成本。
2.3 GPS定位模塊Ublox NEO
本系統(tǒng)中CJPS定位模塊采用Ublox NEO SQ，該模塊支持NEMA0183 V3.叭協(xié)議標準輸出，TTL電平接口，CJPS模塊不能直接與中央處理器相連接，必須先通過MAX3232特TTL電平轉(zhuǎn)換成RS232電平后，才能連接到中央處理器的接口。 GPS定位模塊硬件原理圖如圖3所示。
Ublox NEO引腳8(TXDI)和引腳9(RXDI)分別通過MAX3232與STM32F103RBT6的RXD2和TXD2相連。定位精度小于2.5 m;限制運行速度高達1 000節(jié)，相當(dāng)于515 m/s：具有50通道衛(wèi)星接收功能：工作電壓2.7 V-3.6 V;啟動時間短，功耗低，全速模式135 mW，定位快速;提供多種接口，便于擴展。模塊上電工作時，與中央處理器STM32F103RBT6進行通信，通過初始化設(shè)置定時輸出CJPS導(dǎo)航電文，中央處理器對CJPS導(dǎo)航電文進行解析，提取出日期、時間、經(jīng)緯度、車載速度等有用信息作為物流中心監(jiān)測的基本數(shù)據(jù)。并通過(;oogle Earlh軟件在監(jiān)測界面顯示車輛地理位置。
2.4無線通信模塊SIM900
本系統(tǒng)采用SIMCOM公司工業(yè)級四頻段CJSM/CJPRS模塊SIM900進行遠程數(shù)據(jù)傳輸，SIM900模塊體積小、功耗低，可以快速安全可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)方案中的短信消息服務(wù)和CPRS數(shù)據(jù)無線傳輸。SIM900內(nèi)嵌PPP撥號協(xié)議和TCP/IP協(xié)議棧。模塊工作電壓為3.4 V-4.5V，可工作在850/900/1800/1900 MHz四個頻段。該模塊硬件設(shè)計原理圖如圖4所示。
中央處理器STM32F103RBT6通過UART3與SIM900接口進行通信，原理與CJPS模塊接口一致.SIM900模塊的引腳TXD 0和RXD I需要通過MAX3232黽平轉(zhuǎn)換后才能與中央處理器的RXD3和TXD3相連.SIM900與中央處理器的通信協(xié)議是AT命令集，中央處理器通過發(fā)送AT指令可以對SIM900模塊進行控制.設(shè)置工作模式，傳輸速率設(shè)置為115 200 b/s。SIM900模塊內(nèi)置SIM卡進行通信。
3系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計
監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用軟件程序容量大，實時性強，因此系統(tǒng)軟件采用模塊化的設(shè)計方法，使整個系統(tǒng)流程層次分明，邏輯清楚，便于各個模塊軟件的調(diào)試、修改和維護，同時提高了系統(tǒng)的可靠性和靈活性。系統(tǒng)軟件包括：車載終端主程序、溫濕度采集程序、JPS定位及解析程序、GPRS網(wǎng)絡(luò)登錄及通信程序、報警及LCD顯示程序、串口通信等，本文主要介紹其中重要模塊的軟件程序流程。
3.1車載終端主程序設(shè)計
中央處理器STM32F103RBT6通過中斷方式讀取溫濕度數(shù)據(jù)和CJPS定位信息，然后對數(shù)據(jù)進行分析和預(yù)處理。微處理器通過向SIM900寫入不同的AT指令集實現(xiàn)CJPRS網(wǎng)絡(luò)登錄、TCP/IP鏈路建立、發(fā)送CPRS數(shù)據(jù)、收發(fā)SMS消息等[41。若溫濕度數(shù)據(jù)、車載速度不在設(shè)定的閾值內(nèi)，則向中央處理器內(nèi)置電話簿中的趼有號碼發(fā)送短消息報警，同時駕駛室內(nèi)蜂鳴器響起，駕駛?cè)藛T可采取應(yīng)急措施。車載終端工作流程圖如圖5所示。
3.2 GPS數(shù)據(jù)解析與處理
車載終端上電工作時，CJPS模塊Ublox NEO每隔一段時間就把接收到的衛(wèi)星導(dǎo)航電文通過串行口傳輸給STM32中央處理器，中央處理器編程控制讀取導(dǎo)航電文的時間間隔，以降低功耗和節(jié)約通信費用。從CJPS模塊可以得到幾個不同的數(shù)據(jù)幀，不同的數(shù)據(jù)幀的幀格式和幀頭都不同，幀頭主要有8 CPCGA、8GPGSA、$CPCSV及8 GPRMC等。不同幀頭的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不同。在正常定位情況下，定位數(shù)據(jù)如日期、時間、經(jīng)緯度、速度等均可以“$GPRMC”中提取。根據(jù)CJPS模塊初始化的設(shè)定，CJPS定位接收機對每一條CJPS信息都進行分析及處理，還要對日期、時間、經(jīng)度、緯度、速度進行轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完畢后，就把數(shù)據(jù)按規(guī)定的格式打包，提供給信息發(fā)送程序，由發(fā)送程序決定是否發(fā)送給監(jiān)控中心。程序根據(jù)主控模塊的設(shè)定來處理這些數(shù)據(jù)。
“$GPRMC”幀格式如下所示：
$GPRMC. 043628. 00,A,3903 .76434.N .11706 .46351,E,0.256，，81112..,D*71.
申央處理器STM32F103RBT6進行CJPS數(shù)據(jù)接收時，檢測“$GPRMC”幀頭的ASC II是否正確。若正確，就接收幀內(nèi)數(shù)據(jù)并進行解析，其他無效或者冗余信息舍棄。接收的有效信息按CJPS數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議封裝成UDP數(shù)據(jù)包，通過CJRPS網(wǎng)絡(luò)無線傳輸給監(jiān)測中心，監(jiān)測中心接收數(shù)據(jù)后通過Google EarLh將車輛位置實時顯示在電子地圖上。
3.3 GPRS鏈路建立與數(shù)據(jù)傳輸
中央處理器STM32F103RBT6向SIM900寫入AT指令，設(shè)置CJPRS連接方式、監(jiān)測中心的固定IP地址和端口號、短信發(fā)送模式、接收方號碼等，完成模塊初始化并通過(;CSN網(wǎng)關(guān)接入遠程監(jiān)測中心的Internet。然后將采集到的溫濕度以及解析后的定位數(shù)據(jù)編碼成PDU格式，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸給遠端監(jiān)控中心，同時可接受AT指令形式的短信查詢。
為增強系統(tǒng)的安全性和可靠性，防止惡意短信查詢和騷擾，手機用戶進行短信查詢時需要進行身份和口令的雙重確認，中央處理器內(nèi)置電話簿，非電話簿用戶短信均被當(dāng)做垃圾短信處理。口令格式如“COM+tem=?”，COM為公司名，tem為查詢的內(nèi)容，此處為溫濕度、定位信息、車載速度等，對于不符合口令格式的短信查詢將當(dāng)作垃圾短信處理。
3.4監(jiān)測中心軟件設(shè)計
監(jiān)測中心軟件主要實現(xiàn)的功能包括車輛管理功能、用戶管理功能、貨物狀態(tài)監(jiān)測功能，通過人機界面進行信息查詢和實時監(jiān)測。鑒測中心采用C/S模式，車載終端作為客戶端，請求與監(jiān)測中心進行網(wǎng)絡(luò)通信：監(jiān)測中心作為服務(wù)器，偵聽網(wǎng)絡(luò)的連接請求，接收、處理和存儲數(shù)據(jù)，并將信息及時有效地顯示在監(jiān)測界面上。軟件采用VC6.0 C++編寫可視化的Socket服務(wù)器程序，采用ACCESS2003分表存儲相關(guān)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)具有良好的擴展性與移植性。
4實驗結(jié)果與分析
本文搭建了一個冷鏈運輸監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32F103RBT6微處理器為控制核心，由RFID電子標簽、讀寫器、CJPS定位模塊Ublox NEO和SIM900無線通信模塊構(gòu)成，實現(xiàn)冷鏈運輸車與遠程監(jiān)測中心之間的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測。在STM32為主控模塊的硬件上編寫底層驅(qū)動程序，實現(xiàn)各個子模塊的功能。監(jiān)測中心以VC6.0和ACCESS2003為軟件開發(fā)平臺，實現(xiàn)了無線數(shù)據(jù)的接收、處理、顯示和存儲功能f5l。該系統(tǒng)目前初步完成了對車廂內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)和車輛定位信息的監(jiān)測，通過無線通信模塊將采集到的信息定時發(fā)送給監(jiān)測中心，并完善突發(fā)預(yù)警機制，實現(xiàn)無人值守的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測。
物流中心的監(jiān)測界面顯示了當(dāng)前監(jiān)測中心的固定IP地址和進行數(shù)據(jù)偵聽的偵聽端口，并可在此界面上在線設(shè)置溫濕度的監(jiān)測閾值。蠃擊監(jiān)測界面的“地圖定位顯示”，監(jiān)測中心處理定位數(shù)據(jù)后，將實時接收的定位數(shù)據(jù)通過Google Earth顯示出來，定位界面如圖6所示。
整個系統(tǒng)經(jīng)過大量的收發(fā)數(shù)據(jù)測試與調(diào)試，車載終端初次啟動和網(wǎng)絡(luò)信號較弱時系統(tǒng)重啟后參數(shù)如表1所示。從表l中可以看出，系統(tǒng)具有丟包率低、網(wǎng)絡(luò)時延小、定位快速的特點，可滿足車載終端與監(jiān)測中心通信實時性好和可靠性高的要求。車載終端加入了數(shù)據(jù)安全設(shè)置和冗余信息處理，有效維護了貨物運輸在途參數(shù)安全等問題。
表1網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)測試參數(shù)表
通過對比不同溫度下強激磁時間固定與動態(tài)控制補償方案下的合閘速度實驗結(jié)果可以看到，強激磁時間固定補償方案，采用較長的強激磁時間補償溫度導(dǎo)致接觸器在溫度較低時合閘速度過大。動態(tài)控制補償方案根據(jù)溫度變化調(diào)整強激磁時間，接觸器始終以較低的速度合閘，減輕了觸頭及鐵心的碰撞。
提供及時準確的溫濕度監(jiān)測，從而掌控了生鮮食品的運輸在途參數(shù)：能在必要時及時發(fā)出預(yù)警，有效降低了生鮮食品冷鏈運輸過程中的損耗，保證了在途食物的質(zhì)量和安全：有效克服了過去信息傳遞不及時。信息追溯困難等問題。系統(tǒng)具有成本低、功耗低、實時性、擴展性良好的特點，提高了冷鏈運榆車的實時監(jiān)測能力，在提高食品運輸品質(zhì)的同時。降低了食品損耗和供應(yīng)鏈中的投資成本。
