Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 基于多模式的物流定位跟踪通信终端的设计术 黄继聪，赵利，方晓科 （桂林电子科技大学信息与通信学院，广西桂林５４１００４） 摘要：采用我国北斗（ＢＤ）定位系统，基于多种通信回传模式，设计开发了一种应用于物联网环 境的物流定位跟踪通信终端。以ＡＲＭ１１处理器为核心，运用北斗二代卫星定位系统，与多种回传通信 模块相结合，通过ＲＦＩＤ采集相关物流信息，实现对物流的定位追踪。软件平台基于嵌入式Ｌｉｎｕｘ操作 系统。在ＱＴ平台上实现对物流定位信息的采集和显示，并采用多模式的信息回传方式与中心站进行 通信。实验表明，该终端可以满足物流环境下的应用需求。 关键词：物流；多模式回传；北斗定位跟踪 中图分类号：ＴＰ２７４ 文献标识码：Ａ 文章编号：０２５８—７９９８（２０］４）０２—０００８—０４ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｌｏｇｉｓｔｉｃｓ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ａｎｄ ｔｒａｃｉｎｇ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｍｕｌｔｉ ｍｏｄｅ Ｈｕａｎｇ Ｊｉｃｏｎｇ，Ｚｈａｏ Ｌｉ，Ｆａｎｇ Ｘｉａｏｋｅ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，Ｇｕｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕｉｌｉｎ ５４１００４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ａ ｍｕｌｔｉ—ｍｏｄｅ ｏｆ ｌｏｇｉｓｔｉｃｓ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ａｎｄ ｔｒａｃｉｎｇ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＢＤ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ．Ｔｈｅ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｔｒａｃｅｓ ｌｏｇｉｓｔｉｃｓ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＢＤ２ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｖｏｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｌｏｇｉｓｔｉｃｓ ａｒｅ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ＲＦＩＤ ｗｈｉｃｈ ｉＳ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ＡＲＭ １ １ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ａｎｄ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅｓ ｉｎ ｌｏｇｉｓｔｉｃｓ ｆｉｅｌｄｓ．Ｔｈｅ ｓｏｆｔ— ｗａｒｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｌｉｎｕｘ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｌｌｅｃｔｓ ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｙｓ ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｉｎｇｕｉｓｔｉｃｓ，ａｎｄ ｓｅｎｄｓ ｔｈｅ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ｄａｔａ ｔｏ ｃｅｎｔｒａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔａｔｉｏｎ ｂｙ ｍｕｌｔｉ－ｍｏｄｅ ｏｆ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｅｒｍｉ— ｎａｌ ｍｅｅｔｓ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｉｎ ｌｏｇｉｓｔｉｃｓ ｆｉｅｌｄｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌｏｇｉｓｔｉｃｓ；ｍｕｌｔｉ—ｍｏｄｅ；ＢＤ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ａｎｄ ｔｒａｃｉｎｇ 在物联网应用环境下，物流的定位跟踪是一个重要 慢，而且在某些特殊的应用环境，不能得到运营商移动 网络的很好支持或者移动网络覆盖不佳，都给系统应用 带来严重的问题。 的技术环节，可靠、无缝地实现定位和跟踪至关重要。除 了获得可靠的定位信息以外，如何确保定位信息可靠、 有效地回传也是关键。 针对现有系统存在的问题，基于北斗二代定位技 术，采用ＷＣＤＭＡ／ＧＰＲＳ为主的信息回传模式，在兼顾了 现有的各种物联网定位跟踪通信设备绝大部分是 基于ＧＰＳ全球定位系统来实现［１－３］。这种严重依赖国外 传输速率的同时，采用其他多种信息回传方式，实现物 流定位跟踪与通信。终端可根据物流所在地的网络状况 自动切换适合当前环境的信息回传模式，因此可以很好 地适应各种不同的应用环境。硬件平台基于ＡＲＭｌ１处 理器［４－６１，可以灵活适应各种应用的需求，且具有良好的 扩展性。软件平台采用嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统环境，采用Ｏｔ 导航的状况，一方面受制于人，另一方面可能威胁到国 家和社会的安全，存在极大不确定性。如今，“北斗二 代”（ＢＤ２）系统已开始正式运营并提供区域服务。以“北 斗二代”系统为依托，设计一款性能强大、工作可靠、成 本低廉的物联网定位跟踪通信终端，既可以满足物流领 域的需求，可以摆脱受制于人的局面。 现有的物流定位跟踪终端产品大多采用ＳＭＳ／ＧＰＲＳ Ｃｒｅａｔｏｒ编写应用程序并移植到终端系统上。 １终端硬件设计 １．１终端硬件结构 作为信息回传方式［２－４１。这种传输方式不仅传输速率较 女基金项目：２０１２年桂林电子科技大学科研创新项目（ＸＪＹＣ２０１２０１２） 定位跟踪终端以ＡＲＭ１１为核心，总体架构如图１ 所示，包含电源模块、ＲＦＩＤ模块、ＢＤ／ＧＰＳ定位接收模 ８ 欢迎网上投稿ＷＷＷ．ｃｈｉｎａａｅｔ．ｃｏｍ 《电子技术应用》２０１４年第４０卷第２期 Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 通信模块ｌ＼ ／ 亘Ｓ ５ ３２０ ｌ＼广－ ／ Ｓ３Ｃ６４１０ 踺位模 ｉ￣：ＣＣ５０ＢＧ ｌ＼ ／ 图１硬件设计框架 块、ＡＲＭ１１处理控制模块、ＬＣＤ显示模块、摄像头模块、 ＷＣＤＭＡ／ＧＳＭ模块、甚高频等其他可扩展通信模块。电 源模块负责给整个终端供电。由于涉及的通信模块较 多，每个模块所需的工作电源都不一样，结合实际的物 流应用场景，需要设计专门的供电模块。ＲＦＩＤ负责采集 物流信息；ＢＤ／ＧＰＳ模块负责接收卫星信号，输出导航电 文，对物流进行实时定位；ＬＣＤ显示模块显示相关定位 和物流信息，配置相关参数；摄像头模块负责采集物流 所在地的实时图像。 ＡＲＭ１１处理控制模块负责数据处理及各个通信模 块间的调度。ＡＲＭ１１处理器对导航电文进行解析，从中 提取出时间、经纬度、速度等信息，并把接收到的物流信 息一起打包发送到ＷＣＤＭＡ／ＧＳＭ模块，根据实际情况发 送图像信息。ＷＣＤＭＡ／ＧＳＭ模块负责将ＡＲＭ传过来的 信息回传到控制中心。移动通信网络已经覆盖得较为广 泛，利用高速３Ｇ网络可以传输大容量的信息。信息的 回传以３Ｇ网络的数据业务或者ＧＰＲＳ为主，也可以选 择短信方式。根据系统的实际应用环境，选择其他可扩 展通信模块实现应用区域的广泛覆盖。在设有企业无线 数据专网覆盖的区域，自动切换到相应的数传模式。 １．２主要模块的硬件选型 １．２．１ ＡＲＭ核心控制模块 ＡＲＭ控制器与各模块间进行通信，对接收的数据进 行处理，是整个终端最核心的部分。ＡＲＭ处理器采用三 星的￥３Ｃ６４１０。￥３Ｃ６４１０是基于１６／３２ ｂｉｔ ＲＩＳＣ内核的低 成本、低功耗、高性能微处理器解决方案。￥３Ｃ６４１０采用 ９０ ｎｍ ＣＯＭＳ工艺，功耗低，设计简洁，非常适合对成本、 功耗敏感的应用。本终端各部分模块的通信以串口为 主，￥３Ｃ６４１０集成了４通道ＵＡＲＴ，可以同时满足多个串 口设备的通信。￥３Ｃ６４１０提供了丰富的外设接口，使得 终端的可扩展性得到提高。 １．２．２ ＲＦＩＤ模块 ＲＦＩＤ模块负责采集物流的信息。ＲＦＩＤ的核心采用 ＰＮ５３２。ＰＮ５３２是ＮＸＰ最近推出的一款ＮＦＣ芯片，支持读 卡器模式和卡模式（需要卡芯片Ｓｍａｒｔ ＭＸ），支持ＴｙｐｅＡ、 ＴｙｐｅＢ、ＴｙｐｅＣ ３个标准，支持命令方式，支持ＵＡＲＴ接 口。该模块简洁方便，成本低，性能好。本终端ＰＮ５３２采 用ＵＡＲＴ接口，直接与ＡＲＭ串口连接即可成为一个 ＲＦＩＤ读卡器。 《电子技术应用》２０１４年第４０卷第２期 １．２．３北斗／ＧＰＳ接收模块 北斗／ＧＰＳ定位接收模块负责接收北斗卫星信号。 采用ＣＣ５０一ＢＧ卫星导航模块。ＣＣ５０一ＢＧ卫星导航模块 是基于导航ＳｏＣ芯片ＰｒｏＧｅｅ ＩＩ的一款小体积、低功耗、 易集成的模块产品，可以实现机动载体的实时、高精度 三维定位、三维测速、精确授时，广泛应用于车载监控、 车载导航、手持及物品跟踪等领域。该模块体积仅为 ２６．９ ｍｍｘ４０ ｍｍ×３．４ ｍｍ；同时支持ＢＤ２ Ｂ１和ＧＰＳ Ｌ１ 两个频点，并行双３２通道；标准ＮＭＥＡＯ１８３数据输出， 数据刷新率为１ Ｈｚ；业界主流的ＳＭＤ封装，支持标准取 放及回流焊接全自动化集成。该模块可以设置ＢＤ和 ＧＰＳ组合定位，定位精度高，工作稳定，发热低，功耗小， 非常适合集成在小型化的终端上。 １．２．４ ＷＣＤＭＡ／ＧＳＭ模块 在全球三大３Ｇ标准中，ＷＣＤＭＡ为最主流标准。其 技术成熟度最高，产业链最完善，可以实现全球大范围 的漫游。ｓｉｍ５３２０Ａ是芯讯通（ＳＩＭＣｏｍ）公司推出的一款高 性价比的ＷＣＤＭＡ／ＨＳＤＰＡ模块。该模块为城堡式ＳＭＴ 封装，体积小；支持ＡＴ指令，支持下行速率最高可达到 ３．６ Ｍｂ／ｓ，上行速率最高可达到３８４ ｋｂ／ｓ；模块终端利用 模块上传速率较快的优点，可以传输较大容量的图像信 息；与北斗／ＧＰＳ接收模块相结合，非常适用于跟踪系 统、车载信息系统。 １．２．５可扩展通信模块 终端可以根据应用的需要，灵活扩展甚高频通信、 短波数传通信、卫星通信等各种通信模块。例如，甚高频 通信采用日精ＮＤ２５０Ａ专业数传电台。日精ＮＤ系列高 速数传电台采用数字信号处理技术，以软件的方式实时 地实现无线数字调制／解调算法，而且允许用户通过ＡＴ 指令用软件设置各种参数，实现无线信道与ＭＯＤＥＭ的 最优化匹配，进而实现最佳的数据传输性能。该电台模 块传输速率最高可以达到３８．４ ｋｂ／ｓ，传输速率稳定。由 于物流环境下常常会遇到通信环境相对恶劣的应用场 景，而日精电台超强的前向纠错和交织算法的结合可以 在恶劣的通信环境中保障通信的可靠性，所以非常适合 用于物流领域。 １．２．６ ＬＣＤ显示模块 终端ＬＣＤ显示屏显示相关的信息量，并可通过触摸 式显示屏直接对终端的各项参数进行配置。结合以上功 能以及对终端体积、成本的考虑，ＬＣＤ显示部分采用４．３ 英寸电阻式触摸屏，分辨率为３２０ｘ２４０。 １．２．７摄像头模块 采用常见的ＵＳＢ摄像头，分辨率为３２０ｘ２４０。其方 便、灵活的特性，使其易于集成到嵌入式系统中。嵌入式 操作系统Ｌｉｎｕｘ２．６及以上版本都支持ＵＳＢ设备。 １．３模块间接口设计 ． 基于￥３Ｃ６４１０的硬件系统需要设计的接口有电源接 口、ＲＳ２３２接口、ＵＳＢ接口、ＬＣＤ接口。ＲＦＩＤ读卡接口采 ９ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 用ＲＳ２３２接口，波特率为１１５ ２００ ｂ／ｓ；ＷＣＤＭＡ模块、摄 像头模块接Ｉ＝１采用ＵＳＢ接口，ＷＣＤＭＡ模块波特率为 １１５ ２００ ｂ／ｓ；ＬＣＤ接口采用４０ ｐｉｎ ＬＣＤ接口；其他可扩 展通信接口采用ＲＳ２３２接口，波特率可变，以适应各种 通信模块。 ２软件设计 ２．１软件设计思想 软件总体框架如图２所示，分为物理层、系统层和 应用层。物理层包括各通信模块的硬件和物理接口，以 及各自所遵循的通信协议；系统层指嵌入式Ｌｉｎｕｘ操作 系统，集成了各个模块的驱动，负责完成系统各模块的 初始化任务；应用层实现信息处理和模块问通信。应用程 序采用多线程的设计思想。因为每个通信模块都采用串 口，都需要不断地吞吐数据，对每个通信模块采用独立 线程的方式可以避免程序陷入死循环，提高程序的运行 效率。线程间的数据传递采用信号与槽的方式。 图２软件设计总体框架图 该终端系统层采用嵌入式Ｌｉｎｕｘ操作系统，应用层 软件开发环境采用ＱＴ Ｃｒｅａｔｏｒ。Ｑｔ Ｃｒｅａｔｏｒ是跨平台的轻 量级集成开发环境，可移植性强，支持嵌入式Ｌｉｎｕｘ操 作系统。Ｑｔ提供了丰富的库函数，可以设计出友好的嵌 入式应用程序。 ２．２多模式切换机制 终端应用程序多模式切换机制如图３所示。ＢＤ数 据处理线程不断地读取电文并提取相关信息。ＲＦＩＤ线 程只在有卡靠近时被唤醒，其他时候处于休眠状态。 ＷＣＤＭＡ传输模式为数据传输的主要模式，采用ＴＣＰ／ＩＰ 协议，主动连续地向中心站发送数据。当连接出现异 常时，重试发送３次数据，若３次之内发送成功，则继 续当前的网络连接，否则认为网络连接已经断开，启 动短信发送。若短信发送失败，则唤醒其他通信传输 线程，自动切换到其他通信传输模式发送数据，具体 通信模式的选择可由用户自行设定。同时，应用程序 重新建立ＴＣＰ／ＩＰ连接。如ＧＰＲＳ网络成功建立，则自 动切换回ＷＣＤＭＡ线程，关闭其他通信传输模式；如果 所有的传输方式都无法使用，则设置警告指示，并再 次尝试重新连接。 ｌ０ 欢迎网上投稿ｗｗｗ．ｃｈｉｎａａｅｔ．ｃｏｒｎ 图３应用程序设计总体框架 ２．３关键软件模块设计 ２．３．１ ＢＤ数据处理 ＢＤ线程处理如图４所示。ＢＤ定位模块设置好接口 参数之后上电。接口会不断地输出ＮＥＭＡ格式的导航电 文。从电文中可提取出经纬度、实时时间、速度信息。这 些信息都包含在“￥ＧＰＲＭＣ”的帧结构中。ＢＤ／ＧＰＳ模块 输出的时间是标准的格林尼治时间，需要转换成当前所 在时区的时间。速度是以节为单位。 ２．３．２ ＲＦＩＤ读取软件 ＲＦＩＤ模块的软件部分流程如图５所示。首先配置 ＲＦＩＤ的接口。ＰＮ５３２在每次上电之前都要先发送指令对其 进行唤醒。然后检测当前是否有ＩＣ卡。当检测到ＩＣ卡时， ＰＮ５３２内部进行防冲撞检测，然后控制器发送指令获取ＩＣ 卡的ＵＩＤ号。用获取的ＵＩＤ号来对ＩＣ卡进行数据的读取。 初始化ＢＤ串口， 创建ＢＤ线程 启动定时器，定时１ ｓ 读串口，提取相关信息 图５ ＲＦＩＤ读卡流程 ４ ＢＤ／ＧＰＳ流程 ２．３．３ ＧＰＲＳ回传 从ＢＤ定位模块提取的信息和ＲＦＩＤ或者摄像头采 集到的信息经过打包之后，通过ＧＰＲＳ回传到中心站， 具体流程如图６所示。该终端所采用的ＳＩＭ５３２０Ａ通信 模块支持ＴＣＰ／ＩＰ和ＵＤＰ协议。为确保回传信息的实时 性和可靠性，选择ＴＣＰ／ＩＰ协议进行传输。向模块发送相 应的ＡＴ操作指令，就可以完成相关数据的发送。这里 《电子技术应用》２０１４年第４０卷第２期 图６ ＷＣＤＭＡ线程 需注意，接收端需具有公网ＩＰ，否则无法建立连接。 ２．３．４短信回传 图７甚高频通信流程图 ＳＩＭ５３２０Ａ通信模块可通过ＡＴ操作指令来实现短信 端设计【Ｊ】．计算机系统应用，２０１３，２２（１）：１８９—１９９． 发送。发短信之前需要确定几个因素：（１）信号强度一般 ［２】王盛学，李著信，何平．基于３Ｇ无线网络的工业监控系 大于一９３ ｄＢｍ都可以；（２）查询网络是不是注册上了，如 统设计【Ｊ】．电子技术应用，２０１１，３７（８）：７５—８１． 中国移动、中国联通。 ［３］王肖楠，张兴波，李炳祥．基于ＧＰＲＳ和基站定位的城市 ２．３．５甚高频回传 公交监控装置［Ｊ］．电子技术应用，２０１３，３９（２）：３９—４１． 甚高频传输模块工作流程如图７所示。甚高频模块 ［４］姚立，刘幺和．基于ＡＲＭ的物品精准定位和二维条码扫 在工作前需要确保模块收发两端信道、空中波特率、串 描系统设计［Ｊ】．计算机与数字工程，２０１２（８）：１４９—１５１． 口波特率以及校验一致。本终端所采用的甚高频模块的 【５］史军勇，张晓煜．基于ＧＰＲＳ的实时路况车载导航终端研 数据传输采用透传传输模式。该模式下，用户不必关心 究与实现［Ｊ］．计算机技术与发展，２０１１，２１（９）：１５６－１５９． 具体的协议，只需直接发送数据即可。 【６】周恒恒，全泉，朱志青．基于嵌入式的物流管理无线ＰＤＡ 随着ＢＤ二代卫星导航系统的日益完善，设计一款 终端【Ｊ］．电子科技，２０１２，２５（９）：４９—５１． （收稿日期：２０１３—０９—１８） 适用于物流环境的北斗定位多模通信终端显得非常有 必要。本文详细介绍了基于北斗的物流定位追踪和多模 作者简介： 式回传终端的实现。采用嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统结合ＱＴ应 黄继聪，男，１９８７年生，硕士研究生，主要研究方向：嵌 入式通信系统开发。 用程序实现物流的定位追踪和多种通信模式的信息回 赵利，男，１９６５年生，博士，教授，主要研究方向：移动 传的切换功能，具有功能强大、可靠性强、扩展性好的特 通信与网络通信。 点，在物流领域具有很好的应用前景。 方晓科，男，１９８６年生，硕士研究生，主要研究方向：嵌 参考文献 入式系统开发。 ［１】罗金玲，刘罗仁．基于ＡＲＭ＋Ｌｉｎｕｘ的物联网远程监控终 （上接第７页） ＰＣＩ总线的ＵＳＢ主机端设备，并在ＶｘＷｏｒｋｓ操作系统下 读写速度测试 设计并实现了其ＰＣＩ配置、ＵＳＢ主机端驱动及协议软 一……… Ｔ Ｔ Ｔ ，丫Ｔ Ｔ Ｔ ｖ 件，能够稳定地支持对Ｕ盘等存储外设的访问，在工程 互８ ＿…ｌ＿－一－…一……一 —．－－读操作 上取得了良好的应用。 参考文献 褂２ ＋写操作 ０ 【１】杨伟，刘强，顾新．Ｌｉｎｕｘ下ＵＳＢ设备驱动研究与开发【Ｊ】． 计算机工程，２００６，３２（１９）：２８３—２８５． ｑ ２ 【２】张杨，于银涛．ＶｘＷｏｒｋｓ内核、设备驱动与ＢＳＰ开发详解【Ｍ］． 图５读写速率测试 北京：人民邮电出版社，２００９． 所测量出来的读写速率。从图可以看出，随着每次读写 ［３】邓凤军，张龙，王益忠．基于ＰＣＩ总线的ＨＤＬＣ通信卡的 数据量的增大，读写的速率基本保持稳定，而读取的速 设计与实现［Ｊ１．电子技术应用，２０１２，３８（８）：３０－３２． 率比写入的速率快４ Ｍｂ／ｓ左右。计算平均值可得，本文 （收稿日期：２０１３—１０—０４） 设计的ＵＳＢ主机端写入Ｕ盘的速率为５．９２ Ｍｂ／ｓ，读取 作者简介： Ｕ盘的速率为９．７７ Ｍｂ／ｓ。 刘智武，男，１９８５年生，硕士，工程师，主要研究方向 本文基于ＰｏｗｅｒＰＣ处理器设计并实现了一种基于 ＡＦＤＸ网络通信技术。 《电子技术应用》２０１４年第４Ｏ卷第２期 ｌ】