在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境下，物流的定位跟蹤是一個重要的技術(shù)環(huán)節(jié)，可靠、無縫地實現(xiàn)定位和跟蹤至關(guān)重要。除了獲得可靠的定位信息以外，如何確保定位信息可靠、有效地回傳也是關(guān)鍵。
    現(xiàn)有的各種物聯(lián)網(wǎng)定位跟蹤通信設(shè)備絕大部分是基于GPS全球定位系統(tǒng)來實現(xiàn)[1-3]。這種嚴(yán)重依賴國外導(dǎo)航的狀況，一方面受制于人，另一方面可能威脅到國家和社會的安全，存在極大不確定性。如今，“北斗二代”(BD2)系統(tǒng)已開始正式運營并提供區(qū)域服務(wù)。以“北斗二代”系統(tǒng)為依托，設(shè)計一款性能強大、工作可靠、成本低廉的物聯(lián)網(wǎng)定位跟蹤通信終端，既可以滿足物流領(lǐng)域的需求，可以擺脫受制于人的局面。
    現(xiàn)有的物流定位跟蹤終端產(chǎn)品大多采用SMS/GPRS作為信息回傳方式[2-4]。這種傳輸方式不僅傳輸速率較慢，而且在某些特殊的應(yīng)用環(huán)境，不能得到運營商移動網(wǎng)絡(luò)的很好支持或者移動網(wǎng)絡(luò)覆蓋不佳，都給系統(tǒng)應(yīng)用帶來嚴(yán)重的問題。
    針對現(xiàn)有系統(tǒng)存在的問題，基于北斗二代定位技術(shù)，采用WCDMA/GPRS為主的信息回傳模式，在兼顧了傳輸速率的同時，采用其他多種信息回傳方式，實現(xiàn)物流定位跟蹤與通信。終端可根據(jù)物流所在地的網(wǎng)絡(luò)狀況自動切換適合當(dāng)前環(huán)境的信息回傳模式，因此可以很好地適應(yīng)各種不同的應(yīng)用環(huán)境。硬件平臺基于ARM11處理器[4-6]，可以靈活適應(yīng)各種應(yīng)用的需求，且具有良好的擴展性。軟件平臺采用嵌入式Linux系統(tǒng)環(huán)境，采用Qt Creator編寫應(yīng)用程序并移植到終端系統(tǒng)上。
1 終端硬件設(shè)計
1.1 終端硬件結(jié)構(gòu)
    定位跟蹤終端以ARM11為核心，總體架構(gòu)如圖1 所示，包含電源模塊、RFID模塊、BD/GPS定位接收模塊、ARM11處理控制模塊、LCD顯示模塊、攝像頭模塊、WCDMA/GSM模塊、甚高頻等其他可擴展通信模塊。電源模塊負責(zé)給整個終端供電。由于涉及的通信模塊較多，每個模塊所需的工作電源都不一樣，結(jié)合實際的物流應(yīng)用場景，需要設(shè)計專門的供電模塊。RFID負責(zé)采集物流信息；BD/GPS模塊負責(zé)接收衛(wèi)星信號，輸出導(dǎo)航電文，對物流進行實時定位；LCD顯示模塊顯示相關(guān)定位和物流信息，配置相關(guān)參數(shù)；攝像頭模塊負責(zé)采集物流所在地的實時圖像。

    ARM11處理控制模塊負責(zé)數(shù)據(jù)處理及各個通信模塊間的調(diào)度。ARM11處理器對導(dǎo)航電文進行解析，從中提取出時間、經(jīng)緯度、速度等信息，并把接收到的物流信息一起打包發(fā)送到WCDMA/GSM模塊，根據(jù)實際情況發(fā)送圖像信息。WCDMA/GSM模塊負責(zé)將ARM傳過來的信息回傳到控制中心。移動通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)覆蓋得較為廣泛，利用高速3G網(wǎng)絡(luò)可以傳輸大容量的信息。信息的回傳以3G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)或者GPRS為主，也可以選擇短信方式。根據(jù)系統(tǒng)的實際應(yīng)用環(huán)境，選擇其他可擴展通信模塊實現(xiàn)應(yīng)用區(qū)域的廣泛覆蓋。在設(shè)有企業(yè)無線數(shù)據(jù)專網(wǎng)覆蓋的區(qū)域，自動切換到相應(yīng)的數(shù)傳模式。
1.2 主要模塊的硬件選型
1.2.1 ARM核心控制模塊
    ARM控制器與各模塊間進行通信，對接收的數(shù)據(jù)進行處理，是整個終端最核心的部分。ARM處理器采用三星的S3C6410。S3C6410是基于16/32 bit RISC內(nèi)核的低成本、低功耗、高性能微處理器解決方案。S3C6410采用90 nm COMS工藝，功耗低，設(shè)計簡潔，非常適合對成本、功耗敏感的應(yīng)用。本終端各部分模塊的通信以串口為主，S3C6410集成了4通道UART，可以同時滿足多個串口設(shè)備的通信。S3C6410提供了豐富的外設(shè)接口，使得終端的可擴展性得到提高。
1.2.2 RFID模塊
    RFID模塊負責(zé)采集物流的信息。RFID的核心采用PN532。PN532是NXP最近推出的一款NFC芯片，支持讀卡器模式和卡模式(需要卡芯片Smart MX)，支持TypeA、TypeB、TypeC 3個標(biāo)準(zhǔn)，支持命令方式，支持UART接口。該模塊簡潔方便，成本低，性能好。本終端PN532采用UART接口，直接與ARM串口連接即可成為一個RFID讀卡器。
1.2.3 北斗/GPS接收模塊
    北斗/GPS定位接收模塊負責(zé)接收北斗衛(wèi)星信號。采用CC50-BG衛(wèi)星導(dǎo)航模塊。CC50-BG 衛(wèi)星導(dǎo)航模塊是基于導(dǎo)航SoC芯片ProGee II的一款小體積、低功耗、易集成的模塊產(chǎn)品，可以實現(xiàn)機動載體的實時、高精度三維定位、三維測速、精確授時，廣泛應(yīng)用于車載監(jiān)控、車載導(dǎo)航、手持及物品跟蹤等領(lǐng)域。該模塊體積僅為26.9 mm×40 mm×3.4 mm；同時支持BD2 B1和GPS L1 兩個頻點，并行雙32通道；標(biāo)準(zhǔn)NMEA0183數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)刷新率為1 Hz；業(yè)界主流的SMD封裝，支持標(biāo)準(zhǔn)取放及回流焊接全自動化集成。該模塊可以設(shè)置BD和GPS組合定位，定位精度高，工作穩(wěn)定，發(fā)熱低，功耗小，非常適合集成在小型化的終端上。
1.2.4 WCDMA/GSM模塊
    在全球三大3G標(biāo)準(zhǔn)中，WCDMA為最主流標(biāo)準(zhǔn)。其技術(shù)成熟度最高，產(chǎn)業(yè)鏈最完善，可以實現(xiàn)全球大范圍的漫游。sim5320A是芯訊通(SIMCom)公司推出的一款高性價比的WCDMA/HSDPA模塊。該模塊為城堡式SMT封裝，體積小；支持AT指令，支持下行速率最高可達到3.6 Mb/s，上行速率最高可達到384 kb/s；模塊終端利用模塊上傳速率較快的優(yōu)點，可以傳輸較大容量的圖像信息；與北斗/GPS接收模塊相結(jié)合，非常適用于跟蹤系統(tǒng)、車載信息系統(tǒng)。
1.2.5 可擴展通信模塊
    終端可以根據(jù)應(yīng)用的需要，靈活擴展甚高頻通信、短波數(shù)傳通信、衛(wèi)星通信等各種通信模塊。例如，甚高頻通信采用日精ND250A專業(yè)數(shù)傳電臺。日精ND系列高速數(shù)傳電臺采用數(shù)字信號處理技術(shù)，以軟件的方式實時地實現(xiàn)無線數(shù)字調(diào)制/解調(diào)算法，而且允許用戶通過AT指令用軟件設(shè)置各種參數(shù)，實現(xiàn)無線信道與MODEM的最優(yōu)化匹配，進而實現(xiàn)最佳的數(shù)據(jù)傳輸性能。該電臺模塊傳輸速率最高可以達到38.4 kb/s，傳輸速率穩(wěn)定。由于物流環(huán)境下常常會遇到通信環(huán)境相對惡劣的應(yīng)用場景，而日精電臺超強的前向糾錯和交織算法的結(jié)合可以在惡劣的通信環(huán)境中保障通信的可靠性，所以非常適合用于物流領(lǐng)域。
1.2.6 LCD顯示模塊
    終端LCD顯示屏顯示相關(guān)的信息量，并可通過觸摸式顯示屏直接對終端的各項參數(shù)進行配置。結(jié)合以上功能以及對終端體積、成本的考慮，LCD顯示部分采用4.3英寸電阻式觸摸屏，分辨率為320×240。
1.2.7 攝像頭模塊
    采用常見的USB攝像頭，分辨率為320×240。其方便、靈活的特性，使其易于集成到嵌入式系統(tǒng)中。嵌入式操作系統(tǒng)Linux2.6及以上版本都支持USB設(shè)備。
1.3 模塊間接口設(shè)計
    基于S3C6410的硬件系統(tǒng)需要設(shè)計的接口有電源接口、RS232接口、USB接口、LCD接口。RFID讀卡接口采用RS232接口，波特率為115 200 b/s；WCDMA模塊、攝像頭模塊接口采用USB接口，WCDMA模塊波特率為115 200 b/s；LCD接口采用40 pin LCD接口；其他可擴展通信接口采用RS232接口，波特率可變，以適應(yīng)各種通信模塊。
2 軟件設(shè)計
2.1 軟件設(shè)計思想
    軟件總體框架如圖2所示，分為物理層、系統(tǒng)層和應(yīng)用層。物理層包括各通信模塊的硬件和物理接口，以及各自所遵循的通信協(xié)議；系統(tǒng)層指嵌入式Linux操作系統(tǒng)，集成了各個模塊的驅(qū)動，負責(zé)完成系統(tǒng)各模塊的初始化任務(wù)；應(yīng)用層實現(xiàn)信息處理和模塊間通信。應(yīng)用程序采用多線程的設(shè)計思想。因為每個通信模塊都采用串口，都需要不斷地吞吐數(shù)據(jù)，對每個通信模塊采用獨立線程的方式可以避免程序陷入死循環(huán)，提高程序的運行效率。線程間的數(shù)據(jù)傳遞采用信號與槽的方式。

    該終端系統(tǒng)層采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)，應(yīng)用層軟件開發(fā)環(huán)境采用QT Creator。Qt Creator是跨平臺的輕量級集成開發(fā)環(huán)境，可移植性強，支持嵌入式Linux操作系統(tǒng)。Qt提供了豐富的庫函數(shù)，可以設(shè)計出友好的嵌入式應(yīng)用程序。
2.2 多模式切換機制
    終端應(yīng)用程序多模式切換機制如圖3所示。BD數(shù)據(jù)處理線程不斷地讀取電文并提取相關(guān)信息。RFID線程只在有卡靠近時被喚醒，其他時候處于休眠狀態(tài)。WCDMA傳輸模式為數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕Ｊ剑捎肨CP/IP協(xié)議，主動連續(xù)地向中心站發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)連接出現(xiàn)異常時，重試發(fā)送3次數(shù)據(jù)，若3次之內(nèi)發(fā)送成功，則繼續(xù)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)連接，否則認為網(wǎng)絡(luò)連接已經(jīng)斷開，啟動短信發(fā)送。若短信發(fā)送失敗，則喚醒其他通信傳輸線程，自動切換到其他通信傳輸模式發(fā)送數(shù)據(jù)，具體通信模式的選擇可由用戶自行設(shè)定。同時，應(yīng)用程序重新建立TCP/IP連接。如GPRS網(wǎng)絡(luò)成功建立，則自動切換回WCDMA線程，關(guān)閉其他通信傳輸模式；如果所有的傳輸方式都無法使用，則設(shè)置警告指示，并再次嘗試重新連接。

2.3 關(guān)鍵軟件模塊設(shè)計
2.3.1 BD數(shù)據(jù)處理
    BD線程處理如圖4所示。BD定位模塊設(shè)置好接口參數(shù)之后上電。接口會不斷地輸出NEMA格式的導(dǎo)航電文。從電文中可提取出經(jīng)緯度、實時時間、速度信息。這些信息都包含在“$GPRMC”的幀結(jié)構(gòu)中。BD/GPS模塊輸出的時間是標(biāo)準(zhǔn)的格林尼治時間，需要轉(zhuǎn)換成當(dāng)前所在時區(qū)的時間。速度是以節(jié)為單位。
2.3.2 RFID讀取軟件
    RFID模塊的軟件部分流程如圖5所示。首先配置RFID的接口。PN532在每次上電之前都要先發(fā)送指令對其進行喚醒。然后檢測當(dāng)前是否有IC卡。當(dāng)檢測到IC卡時，PN532內(nèi)部進行防沖撞檢測，然后控制器發(fā)送指令獲取IC卡的UID號。用獲取的UID號來對IC卡進行數(shù)據(jù)的讀取。

2.3.3 GPRS回傳
    從BD定位模塊提取的信息和RFID或者攝像頭采集到的信息經(jīng)過打包之后，通過GPRS回傳到中心站，具體流程如圖6所示。該終端所采用的SIM5320A通信模塊支持TCP/IP和UDP協(xié)議。為確保回傳信息的實時性和可靠性，選擇TCP/IP協(xié)議進行傳輸。向模塊發(fā)送相應(yīng)的AT操作指令，就可以完成相關(guān)數(shù)據(jù)的發(fā)送。這里需注意，接收端需具有公網(wǎng)IP，否則無法建立連接。

2.3.4 短信回傳
    SIM5320A通信模塊可通過AT操作指令來實現(xiàn)短信發(fā)送。發(fā)短信之前需要確定幾個因素：(1)信號強度一般大于-93 dBm都可以；(2)查詢網(wǎng)絡(luò)是不是注冊上了，如中國移動、中國聯(lián)通。
2.3.5 甚高頻回傳
    甚高頻傳輸模塊工作流程如圖7所示。甚高頻模塊在工作前需要確保模塊收發(fā)兩端信道、空中波特率、串口波特率以及校驗一致。本終端所采用的甚高頻模塊的數(shù)據(jù)傳輸采用透傳傳輸模式。該模式下，用戶不必關(guān)心具體的協(xié)議，只需直接發(fā)送數(shù)據(jù)即可。

    隨著BD二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的日益完善，設(shè)計一款適用于物流環(huán)境的北斗定位多模通信終端顯得非常有必要。本文詳細介紹了基于北斗的物流定位追蹤和多模式回傳終端的實現(xiàn)。采用嵌入式Linux系統(tǒng)結(jié)合QT應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)物流的定位追蹤和多種通信模式的信息回傳的切換功能，具有功能強大、可靠性強、擴展性好的特點，在物流領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。
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