引言

    隨著物流水平的提高，信息的提取和分析越發(fā)顯得重要，貨物運(yùn)輸管理的信息化水平已成為衡量當(dāng)今物流工業(yè)先進(jìn)性的標(biāo)志。目前，國(guó)內(nèi)運(yùn)輸信息化管理方法單一，大多數(shù)物流運(yùn)營(yíng)公司僅能提供實(shí)時(shí)的定位跟蹤與查詢(xún)服務(wù)，不能獲得運(yùn)載工具上的貨物信息，無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)貨物裝卸過(guò)程的失誤，特別是危險(xiǎn)品的運(yùn)輸，一旦出錯(cuò)，后果不堪想象。

    本文設(shè)計(jì)了一種物流貨物運(yùn)輸管理系統(tǒng)以解決這類(lèi)問(wèn)題。該系統(tǒng)基于GPRS、GPS和RFID（無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)），采用單片機(jī)串口時(shí)分復(fù)用方式控制各功能模塊，將采集的信息在運(yùn)載工具上實(shí)時(shí)顯示，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸發(fā)送到遠(yuǎn)程終端。這樣，不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)運(yùn)載工具的定位，而且可以有效管理其裝載的貨物，達(dá)到及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，及時(shí)處理的目的，提高了貨物運(yùn)輸管理中的效率，減少了時(shí)間成本。

    硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    功能模塊

    系統(tǒng)采用三個(gè)功能模塊：RFID模塊，GPS模塊和GPRS模塊。

    RFID模塊采用的是WJ公司的MPR6000，工作頻率為UHF902~928MHz，支持EPC Class0、Class1和Class0+協(xié)議。

    貼在箱內(nèi)各貨物上的電子標(biāo)簽（Tag）寫(xiě)入了貨物的基本信息和編號(hào)，RFID模塊與Tag之間可每幾微秒通信一次，實(shí)時(shí)了解運(yùn)載工具上的貨物信息、以及運(yùn)輸途中貨物裝卸或出入庫(kù)等情況，以便對(duì)貨物進(jìn)行智能管理。

    2合1模塊TRIZIUM-GPS采用Telit公司GPS和GPRS產(chǎn)品。

    該模塊支持4800、9600、38400、57600bps等常見(jiàn)波特率，并集成了GPRS和GPS兩個(gè)模塊，既可以獨(dú)立工作也可以聯(lián)合工作，并且兩模塊都各自有兩對(duì)UART口（UART0和UART1）。在聯(lián)合工作模式下，GPRS模塊的UART1和GPS模塊的UART0對(duì)接，使用AT命令，GPS模塊采集的定位信息就可以傳輸?shù)紾PRS模塊的UART接口上，然后通過(guò)GPRS的UART0口傳輸?shù)組CU。

    GPS的目的在于采集定位信息，用于對(duì)運(yùn)載工具進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，以便實(shí)時(shí)跟蹤、優(yōu)化調(diào)度。GPRS模塊的目的就是將采集到的信息發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控終端。

    系統(tǒng)模型

    系統(tǒng)模型如圖1所示，MUC采用AT89S51單片機(jī)，功耗低，具有4KB在線(xiàn)可編程Flash存儲(chǔ)器，片內(nèi)WDT能提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

                               圖1 系統(tǒng)模型

    3個(gè)功能模塊共同由單片機(jī)控制，內(nèi)置于運(yùn)載工具內(nèi)。

    運(yùn)行流程主要是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸和終端處理及反饋。單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，主要用于與3個(gè)功能模塊和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的通信。數(shù)據(jù)采集包括GPS模塊和RFID模塊的數(shù)據(jù)，通過(guò)串口傳入單片機(jī)進(jìn)行預(yù)處理，顯示在 LCD上，同時(shí)通過(guò)GPRS模塊發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，進(jìn)行終端處理分析。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心也可以通過(guò)GPRS傳輸命令，向單片機(jī)發(fā)出提示、警告或獲取其他實(shí)時(shí)信息。

    電路設(shè)計(jì)

    單片機(jī)系統(tǒng)

    電路原理圖如圖2所示，3個(gè)功能模塊受1塊51單片機(jī)控制，模塊與單片機(jī)之間采用異步串行通行模式。雖然各功能模塊提供了許多控制線(xiàn)，但為了簡(jiǎn)化接口設(shè)計(jì)，均采用兩線(xiàn)（TXD、RXD）連接。模塊之間通信的控制通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用軟件實(shí)現(xiàn)控制具有使用靈活的特點(diǎn)，避免了過(guò)多的硬件信號(hào)的檢測(cè)。

                       圖2 電路原理圖

    AT89S51單片機(jī)只有一對(duì)串口，這樣，如何解決單片機(jī)串口的復(fù)用問(wèn)題是整個(gè)硬件的重點(diǎn)之一。本系統(tǒng)用單片機(jī)的P3.0、P3.1、P3.2三個(gè)管腳來(lái)分別控制三個(gè)功能模塊的RXD。串口通信的起始位處于“space”狀態(tài)，只有當(dāng)某控制管腳為低電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的模塊才能享有使用串口的權(quán)力，達(dá)到串口時(shí)分復(fù)用的目的。

    LCD顯示模塊采用OCMJ4×8，它是128×64點(diǎn)陣液晶模塊。該模塊內(nèi)含GB2312 16×16點(diǎn)陣國(guó)際一級(jí)簡(jiǎn)體漢字和ASCII8×8（半高）及8×16（全高）點(diǎn)英文字庫(kù)，用戶(hù)輸入?yún)^(qū)位碼或ASCII碼即可實(shí)現(xiàn)文本顯示。

    鍵盤(pán)控制器HD7279的主要作用是提供運(yùn)載工具上“人機(jī)對(duì)話(huà)”的功能，可根據(jù)實(shí)際情況隨時(shí)采集所需信息，并顯示在車(chē)載LCD上，這樣就可在貨物裝卸過(guò)程中獲得當(dāng)前狀況，方便管理。

    為了擴(kuò)展MCU的外部ROM和RAM，單片機(jī)外接16k的E2PROM AT28C16和COMS靜態(tài)RAM IDT6116。

    此外TRIZIUM-GPS模塊的邏輯電平為COMS2.8V，單片機(jī)和RFID模塊均為T(mén)TL電平，本系統(tǒng)采用的是SN74HC245N電平轉(zhuǎn)換芯片解決功能模塊與單片機(jī)之間電平轉(zhuǎn)換的問(wèn)題。

    外圍電源電路

    各功能模塊中， RFID射頻模塊（工作電壓為4.5v）對(duì)外圍電源電路要求具有穩(wěn)壓功能和紋波小的特點(diǎn)。本系統(tǒng)中采用12V的輸入電源，由于輸入輸出電壓差比較大，所以線(xiàn)性調(diào)整器并不適用于該電壓轉(zhuǎn)換電路。為了衰減電流的峰值，必須使用100mF的旁路等效串聯(lián)電阻電容來(lái)保護(hù)電路，并且去耦電阻、去耦電容和電感也要盡可能地靠近模塊的電源輸入端口，其原理如圖3所示。

                             圖3 電源電路
          
    單片機(jī)系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

    軟件結(jié)構(gòu)

    系統(tǒng)軟件完成的主要操作包括：模塊及MCU的初始化、與上位機(jī)通信、數(shù)據(jù)處理及顯示，其工作流程如圖4所示。當(dāng)系統(tǒng)上電初始化后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)運(yùn)載工具的不同監(jiān)控要求，利用鍵盤(pán)或等待遠(yuǎn)程命令選擇功能模塊。針對(duì)不同工作模式，通過(guò)對(duì)多路串行通道的設(shè)置，讀取所需的狀態(tài)信息。對(duì)采集所得的數(shù)據(jù)預(yù)處理后保存在外部RAM，通過(guò)LCD顯示出來(lái)（包括目前運(yùn)載工具內(nèi)貨物數(shù)量、總類(lèi)、各自編碼或運(yùn)載工具位置信息等），并由用戶(hù)按鍵確認(rèn)后返回。即可了解貨物運(yùn)載及裝卸情況，并發(fā)送到遠(yuǎn)程終端。

                              圖4 工作流程

    GPS數(shù)據(jù)的采集

    單片機(jī)與各模塊間的通信都采用57600 bps的傳輸速率。幀格式為：無(wú)奇偶校驗(yàn)，一個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位。

    在TRIZIUM-GPS模塊的聯(lián)合工作模式下，對(duì)定位信息的采集可以使用AT命令來(lái)完成，過(guò)程如下：
    發(fā)送：AT#GPIO=1,1,1<cr><lf> //在internal模式下，啟動(dòng)GPS功能；返回： OK
    發(fā)送：AT$GPSDATA=1<cr> <lf> //設(shè)置GPS模塊的通信管腳；返回：OK
    發(fā)送：AT$GPSDATAS= 9600<cr><lf> //設(shè)置GPS模塊與GPRS模塊的通信比特率；返回：OK
    發(fā)送：AT$GPSSAV<cr><lf> //保存設(shè)置；下次啟動(dòng)時(shí)，免去初始化操作；返回：OK
    發(fā)送：AT$GPSACP<cr><lf> //獲取位置信息；返回：$GPSACP:084148,3111.80791N,12129.2586   8E,99.0,218.73,2,0.0,0.0,0.0,120207,07

    其中，80791N,12129.25868E 分別顯示的是北緯和東經(jīng)的度數(shù)。084148是當(dāng)前格林威治時(shí)間。

    RFID數(shù)據(jù)的采集

    RFID模塊的信息采集的軟件實(shí)現(xiàn)方法和GPS類(lèi)似，即發(fā)送命令，返回相應(yīng)信息。其數(shù)據(jù)包幀格式為：
    起始位
    節(jié)點(diǎn)地址
    長(zhǎng)度/狀態(tài)
    命令
    Data 0
    …
    Data N
    CRC MSB
    CRC LSB

    在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)實(shí)際需要，通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)置信息采集頻率，特別是在貨位的裝卸過(guò)程中，也可通過(guò)按鍵產(chǎn)生中斷，即時(shí)采集信息，滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)貨物監(jiān)控要求。

    GPRS無(wú)線(xiàn)傳輸

    在無(wú)線(xiàn)傳輸部分，GPRS網(wǎng)絡(luò)基于IP技術(shù)，因此基于GPRS的無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)需要利用TCP/IP協(xié)議完成GPRS業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的裝幀和拆幀，以及保證數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的安全可靠傳輸。MCU與無(wú)線(xiàn)通信模塊的通信遵循PPP協(xié)議，需要將IP數(shù)據(jù)報(bào)按照PPP的幀格式封裝成PPP幀，然后通過(guò)串口傳給GPRS模塊。

    系統(tǒng)要和外部網(wǎng)絡(luò)建立連接，首先要附著于GPRS網(wǎng)，然后發(fā)起PDP（Packet Data Protocol分組數(shù)據(jù)協(xié)議）上下文激活過(guò)程。通過(guò)此過(guò)程，系統(tǒng)才能與GGSN（網(wǎng)關(guān)GPRS支持點(diǎn)）建立一條邏輯通路，跟外部網(wǎng)絡(luò)建立連接，使數(shù)據(jù)以IP報(bào)的形式進(jìn)行傳送。在發(fā)送AT命令時(shí)，采用模塊化操作，用一個(gè)子程序完成，程序利用程序空間換數(shù)據(jù)空間技術(shù)，以節(jié)約內(nèi)存空間。

    發(fā)送AT命令子程序，以O(shè)DH表示發(fā)送結(jié)束符。其主要代碼如下：
    SEND_AT:CLR ES
    MOV R3,#00H
    LOOP1:  MOV A,R6
    MOVC A,@A+DPTR //DPTR 存放的是一條AT命令的ASCII碼;
    //用于初始化模塊，及撥號(hào)連接到GPRS網(wǎng)絡(luò)；
    CJNE A,#0ODH,LOOP2
    LOOP2:  MOV SBUF,A
         JNB TI,$
         CLR TI
         INC R3
         AJMP LOOP1
    SEND:   MOV SBUF,A
         JNB TI,$
         CLR TI
         SETB ES
         RET

    GPRS模塊連接到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心后，通過(guò)GPRS通信鏈路完成信息的交互，監(jiān)控中心服務(wù)器實(shí)現(xiàn)與車(chē)載終端的通信及數(shù)據(jù)分析、存儲(chǔ)和管理。
　　
    結(jié)語(yǔ)

    本文以普遍使用的51單片機(jī)作為MCU，應(yīng)用串口復(fù)用的方法設(shè)計(jì)出了一套物流運(yùn)輸貨物管理系統(tǒng)。采用人機(jī)對(duì)話(huà)方式操作,無(wú)論在遠(yuǎn)程終端或運(yùn)載工具上，都能實(shí)時(shí)地了解當(dāng)前運(yùn)載情況。這對(duì)于目前物流貨物管理，特別是危險(xiǎn)品的運(yùn)輸管理起到良好的改善作用。