车载终端和检测终端无线射频通信协议-四川大学

1、四川大学本科毕业论文 基于J2ME技术的手机移动网络游戏(银月血影)本科生毕业论文（设计）题 目 基于北斗的智能物流监测系统设计学 院 电气信息学院专 业 自动化学生姓名 俞巧君学 号 2012141441356 年级 2012指导教师 雷勇 教务处制表二一六年六月一日 四川大学本科毕业论文基于北斗的智能物流监测系统设计基于北斗的智能物流监测系统设计自动化学生 俞巧君 指导老师 雷勇 摘要 随着经济的全球化、互联网的兴起、电子商务的快速发展和“互联网”物流概念的提出，物流业已经成为一个国家综合实力的象征，正在逐步成长为各国国民经济的重要支柱产业之一。传统物流管理方式已经无法满足物流定点跟踪、状

2、态检测等现代化物流的监测需求，物流运输过程中丢包、破损情况严重，物流监测技术的发展水平远远不能满足现代化物流发展需求，严重制约着现代化物流的发展。BDS是我国自主创新，独立知识产权的卫星导航系统，亚太地区定位精度与GPS相当且数据安全性更好，极具推广价值。本论文根据目前国内物流运输和监测的实际情况，设计了基于北斗的智能物流监测系统。系统将GSM技术、BDS定位技术、单片机技术、传感检测技术、无线射频数据传输技术等技术集成到一个系统中，搭建基于北斗的智能物流监测系统。结合实际物流运输情况，采用模块化硬件设计思维，将系统分为车载终端和检测终端，分别对检测终端和车载终端的硬件进行选型并设计电路。检测

3、终端以STC12C5A60S2单片机为核心，通过传感器检测并记录物品运输过程的加速度、温度、湿度、倾斜度，并通过无线射频模块将数据传输到车载终端，车载终端以STM32F103RBT6单片机为核心构建无线数据传输网络，将多个检测终端的数据与单片机解析后得到的BDS定位数据结合，通过GPRS网络传输到信息处理中心。最后对本系统进行了实验验证，测试结果表明，该系统能较好地达到实时物流监测的效果。主题词 物流；BDS；传感检测；实时监测Design of intelligent logistics monitoring system based on BDSAutomationStudent： Yu

4、Qiao-jun Adviser: Lei Yong Abstract With the globalization of economy, the rise of the Internet, the rapid development of electronic commerce and the concept of Internet + logistics, the logistics industry has become a symbol of national comprehensive strength, and it is gradually becoming one of th

5、e important pillar industries of national economy. Traditional logistics management mode has been unable to meet the needs of monitoring demand of modern logistics, such as Logistics point tracking, state detection and so on. In the process of logistics transportation, the loss or damage of package

6、is serious. The development level of the logistics monitoring technology is far from meeting the demand of modern logistics development, which seriously restricts the development of modern logistics. BDS is a satellite navigation system of independent innovation and independent intellectual property

7、 rights in China, and its positioning accuracy in the Asia Pacific region is comparable with GPS, and its data security is better than GPS. Therefore, it is very valuable to promote BDS. According to the actual situation of domestic logistics transportation and monitoring, we design the intelligent

8、logistics monitoring system based on the Beidou system to satisfy the needs of logistics monitoring. The system integrates GSM technology, BDS positioning technology, single chip computer technology, sensing technology, wireless radio frequency data transmission technology and other technologies so

9、as to build a smart logistics monitoring system based on the Beidou. According to the actual situation of logistics and transportation, the system is divided into vehicle terminal and detection terminal by using modular hardware design thinking. Whats more, we have selected and designed the hardware

10、 of the detection terminal and the vehicle terminal. Detecting terminal which regards STC12C5A60S2 microcontroller as the core, is detecting and recording the acceleration, temperature, humidity, inclination through the goods transport process by the sensors. And detecting terminal transmits data to

11、 the car terminal through the radio frequency module. Vehicle terminal, regarding stm32f103vbt6 microprocessor as the core, builds wireless data transmission network and combines detection terminal data with BDS positioning data. Then, Vehicle terminal transmits the information to the information pr

12、ocessing center through the GPRS network. At last, the system is verified by experiments. The test result proves that the system can successfully achieve the effect of real-time logistics monitoring. Key Words Logistics; BDS; sensing detection; real time monitoring 45目录1. 绪论11.1 研究背景及意义11.2 国内外研究现状2

13、1.2.1 国内研究现状21.2.2 国外研究现状31.3 本文工作42. 系统方案设计52.1 系统整体方案52.2 检测终端和车载终端设计52.3 系统核心模块简介62.3.1 BDS62.3.2 GSM技术73. 系统硬件设计83.1 检测终端硬件设计83.1.2 无线射频模块选型与电路设计93.1.3 数据采集模块1温湿度传感器选型与电路设计103.1.4 倾斜度、加速度传感器选型与电路设计103.1.5 人机交互模块选型与电路设计103.1.6 复位电路和时钟电路设计113.1.7 电源模块123.1.8 检测终端总体电路图和PCB图123.2 车载终端设计133.2.1 车载终端主

14、控模块143.2.2 北斗定位模块143.2.3 人机交互模块163.2.4 GSM模块164. 系统软件实现184.1 检测终端软件设计184.2 车载终端软件224.3 车载终端和检测终端无线射频通信协议234.4 GPRS数据传输软件设计255. 应用测试275.1 BDS定位测试275.2 无线射频模块数据传输试验286. 总结与展望316.1 创新点和技术关键316.2 不足与改进316.3 未来展望32作者在读期间科研成果介绍33参考文献34声 明36致 谢37附录38附录1 检测终端PCB图及3D图38附录2 检测终端和车载终端实物图39附录3 车载终端部分重要程序40附录4 检

15、测终端部分重要程序421. 绪论1.1 研究背景及意义随着物联网的兴起、经济的全球化、电子商务的不断发展，物流业已经成为一个国家综合实力的象征，正在逐步成长为各国国民经济的重要支柱产业之一。无论是国防科技、社会生产还是人们的日常生活，对物流的需求都有了更高的要求，物流运输情况的动态监测及数据记录直接关系到物流服务质量的高低和物流配送路线的优化。在商品经济尤其是电子商务日益发达的今天，现有的物流监测设备无法满足人们对货物在运输过程中是否受过碰撞、高温、潮湿、倾斜、压力等多项信息的监测要求，更无法实时获取商品的位置信息1。传统的物流管理方式已经无法满足物流定点跟踪、信息监控等现代化物流的需要2-3

16、,物流监测水平远不及物流的发展速度,已严重制约全球贸易、电子商务等极其依赖物流的行业的发展4-6。物流运输过程中丢包、破损情况严重，物流监测技术的发展水平远远不能满足现代化物流发展需求，严重制约着现代化物流的发展。 国家统计局等权威部门统计数据表明，我国每年物流总费用占GDP比率较高，达到了18%左右，同比欧美等先进国家平均高出近10个百分点。2015年3月，在“大众创新，万众创业”的氛围下，李克强总理在政府工作报告中提出，制定“互联网+”行动计划，将互联网与传统行业结合，引导传统行业向信息化方向发展，其中提出了“互联网”物流概念。将传统物流与互联网结合，构建物联网，提升物流的信息化水平，完善

17、物流的监测机制，研发先进的物流监测系统为物流运输作保障，可以有效提升物流运输的流畅性，降低物流成本，促进物流效益提升。北斗卫星导航系统（简称BDS）为我国自主研发、独立运行的卫星导航系统。从1985年提出建设BDS理论；到2000年首度建成BDS试验系统；BDS研发团队经过27年的不懈努力、艰苦奋斗，不断攻克技术难关，终于在2012年实现了BDS亚太地区组网，初步实现定位功能，标志着BDS开始进入实际应用阶段，“中国人的导航用北斗”从梦想变成了现实，与此同时，BDS开始辐射亚太地区其他国家。2012年至今，BDS的卫星发射和组网不断完善，正朝着全球卫星导航系统发展，“世界人的导航用北斗”的梦想

18、也在逐步实现。BDS具备定位、授时功能的同时，独创了短报文功能，相比于GPS等其他卫星定位系统，具备双向通信功能的BDS优势巨大，在公共通讯网络瘫痪时，短报文可发挥巨大的作用。本系统中的车载终端选用BDS主要基于：（1）短报文功能：GPRS数据网络需要依靠地面基站，本系统车载终端依靠无线网络传输物流信息，而部分地区基站覆盖不全，无法进行实时通信。而BDS的双向报文通信功能7，可以弥补无线网络通信的不足。（2）信息安全性高：系统实时采集物流状态信息、车辆位置信息，甚至可用于航空航天、军工零配件、武器的安全运输过程监控，这些信息量巨大且敏感。因此，物流过程中引入与北斗定位相结合的实时动态监测数据具

19、有重要的经济价值和深远的社会意义。定位数据和物流状态信息的结合，为物流追溯提供了数据支持，一旦发生物流事故，可通过GIS技术还原物流过程，查找物流事故原因，明确物流事故责任；也可以根据事故原因作出相应的调整，升级物流，提升效益。与此同时，不仅支持北斗卫星导航系统的推广和发展，还可以让中国人民了解北斗，推动北斗卫星导航系统的民用化进程，提升物流配送的信息化水平，同时也间接提高了物流配送管理水平和效率，减少物流的破损和丢包率，使物流优化升级，加速我国物流监测水平发展进度。1.2 国内外研究现状物流诞生于20世纪，从目前已有的文献查阅早在1918年的英国犹尼利弗，哈姆勋爵创办了世界上第一家物流公司“

20、即时送货股份有限公司”。公司的业务是在全国范围内实时配送商品，搭建生产商、批发商、零售商和用户之间的物资输送纽带，拉开了物流公司的序幕。经过一个世纪的发展，传统物流逐渐演变成现代物流，集全球化、信息化于一体，是当今世界范围内蓬勃发展的产业，具有非凡的活力和广阔的发展前景。在商品经济日益发达的今天，消费者对物流业的要求也在逐步提高，对消费者而言，安全已不再局限于选取商品、获得商品两个环节。商品，尤其是食品、药品、电子产品和贵重商品，从生产、加工到运输的全程中的安全问题受到的关注越来越多，众多物流企业和高校研究团队意识到运用高效的物流监测系统来对物流运输进行有效的监测管理，有利于提高物流运输的效率

21、且保证物流运输的质量，国内外对于物流过程的信息化建设的相近研究备受关注。1.2.1 国内研究现状国内已有少数对物流监测相近的相关性研究，由于国内物流起步相对国外较晚，所以关于物流监测的研究起步比较晚，但发展迅速，对物流的监测主要以对车辆的行驶状态的监测情况为主，目前大多数物流车辆上都有安装GPS 定位装置，可以实现运输过程中的定位信息采集，例如京东的配送查看配送路线，而这些都是单纯针对车辆行驶情况的监测。马梅、周惠忠、刘腾等人将传感器检测和GPS结合，于2014年提出了基于STM32的物流监测系统，该系统针对重要物资物流监测，目的在于监测重要物资在物流过程中的状态，防止物资丢失或损毁，该系统实

22、时采集物流信息，将物流状态信息通过短信形式发送到指定客户，使客户可以随时了解物流状态8。天津工业大学根据物流运输信息监测的实际需求，设计了基于多技术集成的远程无线物流运输监测系统，利用传感技术实现了货物所处环境温度、湿度、振动信息的实时采集，系统集成了RFID、ZigBee、GSM等技术，实现了对货物的运输状态的远程监测以及对货物装卸状态的监测，该系统的优势在于，随时查询信息资源，实现信息查询快速准确，定位与物流状态信息结合，形象直观9。燕山大学融合GPS 技术、GPRS 技术、MEMS技术，吕亚倩在2015年5月的硕士论文中提出基于GPS 的危险物资物流实时在线监测系统设计，结合多传感器数据

23、融合技术，构建了一种基于最小二乘支持向量机的泄漏识别模型，实现危险物资物流实时在线监测，保障危险物资运输安全10。发明专利运输包装箱智能监测微系统于2013年提出将车辆GPS定位装备、行驶状态记录仪、电子门封等多种仪器设备的功能在一个微系统实现，安装于包装箱内部，对包装箱体的温度湿度、冲击振动、姿态倾角和非法开启等多种状态进行检测、记录、异常报警和数据传输，然而，该专利并未提出具体的实现方式，尤其是数据传输，且成本较高11。实用新型专利生物制品运输冷链记录装置于2013年提出，适用于药品运输领域。该记录装置包含温度传感器与电子标签，能够感应和记录生物制品本身在运输过程中的温度变化，数据显示直观

24、。然后，该专利设计简单，只含温度传感器，显示方式单一，适用面不广12。发明专利一种用于冷链物流的温湿度全程监测系统及监测方法于2015年提出，全程监测系统包括温湿度检测记录器和终端；监测方法是温湿度检测记录器实时采集检测温湿度,并将存储的日期、时间以及由日期和时间所对应的温度和湿度发送至终端，但是没有远程数据传输，无法实现远程实时在线监测13。1.2.2 国外研究现状随着科学技术的飞速发展和经济的全球化，物流运输监测的技术在不断的成熟和发展。相比我国国内的物流监测水平，国外某些发达国家和地区物流监测行业起步更早、技术也更加成熟。“一流三网”（即订单信息流、全球供应链网，全球永和资源网以及计算机

25、信息网）的发展模式早已为很多公司采用和完善，在这样的发展模式下，全面降低库存、缩短物流距离、降低成本成为了可能。与此同时，物流监测技术的发展已经不局限于让客户实时查询物流包裹途经某地或何时到达，对提高物流质量和监测精度及效率提出了更高的要求。德国不莱梅大学微传感器研究所在近几年提出了一项基于RSSI的室内多点定位技术，该技术考虑到物流监测过程中，信号在狭小空间内传输，存在衰减和反射的问题，在不增加硬件设备和更复杂定位过程的基础上，采用空间动态RSSI滤波技术准确确定传感节点的位置，使小空间精确确定物流位置成为了可能14。精确定位在物流行业中至关重要，除此之外，传感器节点间的传输效率也严重影响了

26、物流监测的效率和成本。德国达姆施塔特工业大学多媒体通信实验室提出了一种基于传感器网络数据相关性测定和过滤数据的算法。在过滤掉不相关的数据、减少不必要的传输的同时，提供更高效的实时数据，进一步节约成本，提高物流传感器节点间的传输效率15。 全球零售巨头沃尔玛是物流监测系统的典型代表，沃尔玛耗资7亿多美元建设世界上最大、最完善的物流监测系统，采用了世界一流的信息技术，物流监测为其带来巨大的效益，不仅是零售巨头，其实本质上更是物流巨头。天天低价不仅源于郊区选点和规模或采购，它的成功源于沃尔玛拥有一套完整的冷链物流系统和背后的大数据分析系统，引入物流监测系统来监测物流过程，并将物流监测过程中得到的数据

27、进行大数据分析，从而为全球每个门店的提供精准营销和商品进货量分析等，极大的节约了其门店的成本，实现了利润最大化。2014年底，沃尔玛通过其之前的冷链物流监测数据分析得出仓库选址，设计物流配送路线和供应链系统，在中国建成11个生鲜配送中心（简称FDC）,全程辅以温度监测，最快可以确保24小时内就可以吃到外国的生鲜食品16-17。 1.3 本文工作本论文主要研究了基于北斗的智能物流监测系统设计，传感数据采集与北斗定位结合，实时监测物流位置和状态。系统的检测终端以单片机为核心，通过传感器检测并记录物品运输过程的实时加速度、温度、湿度、倾斜度等状态信息，可通过射频模块将数据发送给带有北斗导航系统的车载

28、终端，车载终端通过GSM网络将数据发送到信息处理中心，构建物联网。系统以较低成本达到智能监测的效果，所得数据在如今“大数据时代”有巨大商业、科研价值。全文章节安排如下: 第一章绪论：阐述了物流监测系统的研究背景及意义，对国内外物流监测的研究现状进行归纳和总结，确定本论文的研究方向、研究目的及研究的主要内容。第二章系统方案设计：分析了系统的功能需求，确定了整个系统的设计方案，将系统分为车载终端和检测终端，简要介绍系统的关键技术。第三章系统硬件设计：根据第二章的系统整体设计方案，本章将设计车载终端和检测终端的硬件电路，主要包括温湿度传感器，加速度、倾斜度传感器，无线射频模块，人机交互模块，GSM模

29、块，北斗定位模块等外围模块和MCU连接电路设计。第四章物流监测系统软件实现：结合硬件完成检测终端、车载终端程序设计和两者的通信协议,主要包括北斗定位数据读取程序设计,温湿度传感数据读取程序设计,加速度、倾斜度数据解算程序，GSM数据发送程序设计，最后把所有的代码集成形成监测系统的软件系统。第五章实物制作与实验测试：根据监测系统的工作要求设计车载终端、检测终端，并对设计的软件进行实验验证。第6章 总结与展望：对本系统设计进行总结，并针对本物流监测系统提出了改进意见，以及接下来的系统升级要求。2. 系统方案设计2.1 系统整体方案通过第一章对物流监测背景及意义、当前的国内外物流监测现状的分析可以得

30、出以下结论：当前国内外的物流监测系统发展迅速，但是每个监测系统只针对特定的物流领域，监测系统存在功能单一化问题。因此，物流监测领域急需一款可以提供多个物流状态参数检测、适应多领域的物流监测系统，实现物流过程的全程监测。因此，本文设计了一种基于北斗的智能物流监测系统，将温度、湿度、加速度、倾斜度等参数引入到物流过程的监测中，使物流监测过程数据化，检测参数可根据实际监测需求设定；此外，系统还引入北斗定位，可对物流进行定位追踪。本系统将传感检测技术、无线射频技术、北斗定位技术、单片机技术和计算机技术结合，将物流状态信息与地理位置信息结合，实现物流实时在线监测。由于系统较复杂，所以基于北斗的智能物流监

31、测系统采用模块化设计思想，将每个子系统设计成独立部件。考虑到物流运输的实际情况，将系统划分为2个子系统车载终端和检测终端，其中每辆物流车配备一个车载终端，可根据物流包裹实际数量和监测需求配置对应数目的检测终端，系统整体原理图如图2-1所示。图2-1 系统工作原理图2.2 检测终端和车载终端设计基于北斗的智能物流监测系统由位于驾驶室内的车载终端和多个位于物流包裹内的检测终端两部分组成，两者的通信模式采用一对多模式。检测终端的设计包括处理器模块、多个传感器以及电源模块等，主要由单片机、传感器、人机交互模块、无线射频模块和供电系统组成，实现物流状态信息的实时采集、液晶显示以及数据传送功能，采用应答式

32、指令发送数据至车载终端。车载终端获取各个检测终端采集到的物流数据，将收到的物流状态信息和BDS提供的位置信息相结合，通过GSM网络传送给信息处理中心，以便信息处理中心能及时掌握物流车辆信息。实现物流过程的实时在线监测。2.3 系统核心模块简介2.3.1 BDS北斗卫星导航系统(简称BDS)是我国自主研发、独立运行的全球卫星导航系统，经过30余年的努力，BDS已经逐步从理论走向了实际应用，逐步走近人们的身边，BDS已触手可及。长期以来，在孙家栋院士的带领下，我国一直怀揣着“中国人的导航用北斗”这一梦想，建设完全由中国创造的北斗卫星导航系统。北斗卫星导航系统由空间段、地面段、用户端三部分组成，空间

33、端由35颗组网的北斗卫星构成，地面段由主控站、注入站和监测站等构成，用户段主要涉及北斗卫星导航系统的有源定位和无源定位接收器18。从1985年提出建设BDS，到2000年首度建成BDS试验系统，再到2012年实现了北斗卫星群的亚太地区组网，发布空间接口文件1.0正式版，正式向大众提供无源定位、导航、授时服务，2016年成功研发“北斗IP核”，同时将此技术植入儿童、老人的智能手表中，在南京、上海部分地区投入实际应用。通过30余年的建设与发展，目前已将北斗卫星导航系统运用到远程定位与通信、灾害急救、测绘、交通导航与测速等诸多领域，产生显著的经济效益和社会效益，越来越多的基于北斗卫星导航系统的产品出

34、现在生活生产中，预计到2020年可达到4000亿元的卫星导航市场份额19。我国向来以世界大国姿态展示给世界人民，积极推动北斗系统走出中国、走向世界，促进北斗系统服务全球、造福人类。北斗卫星导航系统是继美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧洲“伽利略”系统后的世界第四大卫星定位系统。按开放性、自主性、兼容性、渐进性等原则建设，具体表现为中国拥有独立的自主产权，技术完全中国化；同时向世界各国免费开放；BDS和其他卫星导航系统兼容发展；BDS建设参照我国目前的科技发展水平，一步一个脚印，稳步前进。开放性:BDS将对各国免费开放，开放定位数据格式同时欢迎各国使用。积极参全球的卫星导航定位系统发展合作,从

35、而推动BDS技术进步和产业发展。自主性:我国独立研发BDS系统，并运用BDS系统，所有研发流程全部由我国独立研发，自主组建完成。 兼容性:由于卫星无线频段在一定的范围内，如果BDS使用卫星无线电导航频段与其他卫星导航系统出现频谱重叠，我国愿意参照国际电联的有关规则，协调频段,从而与其他卫星导航系统兼容并存，共同为世界人民服务。渐进性:BDS建设过程中，从实际出发，以我国的经济和科技发展为基础，循序渐进的建设BDS，平稳发展BDS，从系统验证到区域导航、再到全球导航，BDS建设一直稳中求进，从“中国人的导航用北斗”梦想转变到“世界人民的导航用北斗”梦想，不断前进20。与其他卫星导航系统一样，BD

36、S致力于向用户提供的准确定位、精确导航和准点授时服务。为满足不同用户需求，BDS将服务分为开放式服务和授权式服务。其中开放式服务是向全球用户提供的免费服务，提供免费定位、授时、测速等服务，授权式服务是收费式服务满足对定位、授时、测试、通信等有高精度要求的用户。与当前用户量占有率世界第一、定位精度世界第一的GPS相比，我国自主研发的BDS也有自己的特色，特点主要为以下三点：1）北斗卫星导航系统提供测速功能，可实时测速，亚太地区测速精度高。2）授权式BDS用户终端具有双向报文通信功能，用户可以一次传送40-60个汉字的短报文信息,可以弥补GSM基站覆盖率不高的地区的通信问题，目前此功能为授权式服务

37、。3）我国自主创新、独立研发、组网的卫星导航系统，数据安全，可以防止数据被他国窃取。2.3.2 GSM技术GSM是Global System For Mobile Communications的缩写，由欧洲电信标准组织ETSI制订的一数字移动通信标准，GSM是全球移动通信系统(Global System for Mobile communications) 的简称，随着数字蜂窝网络在的推出，并在全球引起了的广泛应用。随着数据传输技术的发展，人们对无线数据传输的迫切需求，GSM系统的分组交换无线数据业务GPRS(General Packet Radio Server)逐渐占据市场，引起了数据传输

38、的革命浪潮。GPRS是介于第二代GSM网络和第三代GSM网络之间的一种通信技术，一般称为2.5G，GSM网络的思维方式是仅提供电路交换。GPRS是一类基于包(Packet)的无线通讯服务，采用分组交换技术，可以让多个用户同时共享某些固定的信道资源，采用分组传送技术对数据流量进行处理，网络接入时间极短，按传送的数据量为依据进行费率计算，相比于传统数据交换电路，它有着绝对的技术优势数据传输更快、网络接入时间短、软硬件资源利用效率更高。GPRS的主要目标是提供给移动用户一种与数据网络持续连接的方式。目前主要通过对现有GSM网络系统的改造来实现GPR，传输速率相较GSM网络有了很大幅度的提升，从而可以

39、实现以较快的速率在GSM网络上传送字符串数据、语音数据以及视频图像数据21。本章小结：本章根据目前国内外物流监测系统的发展现状，分析系统的功能需求并确定物流监测系统的整体设计方案，采用模块化设计思维，将系统分成车载终端和检测终端，重点介绍了BDS技术和GSM技术。3. 系统硬件设计基于第二章的整体方案设计，系统分为检测终端和车载终端。硬件选型的正确与否直接关系软件能否实现，决定整个系统能否实现实现，本章将着重分析检测终端和车载终端的硬件电路设计，包括主控芯片、传感器、无线射频模块的分析和主控芯片与各个硬件模块的连接电路。3.1 检测终端硬件设计检测终端是监测系统最初的数据来源，直接附着在物流包

40、裹内部或外部，所需数量大，因此检测终端的各个硬件模块的选型应该满足低成本、适当精度和较小体积等要求。检测终端硬件系统分为微处理器、温湿度传感器、三轴加速度陀螺仪传感器、人机交互模块、无线射频模块、时钟电路、复位电路和供电系统等，实现物流包裹的状态信息检测与数据传输的功能。检测终端硬件系统的结构框图如图3-1所示。图3-1检测终端系统框图微处理器是检测终端的核心，是检测终端的大脑，负责处理各个模块的数据读取与传输，人机交互模块实时显示物流状态信息，包括温湿度、加速度、倾斜度等；温湿度传感器负责检测物流包裹内或外的温湿度，微处理器编程解码得到相应的温湿度数值；三轴加速度陀螺仪传感检测物流过程中的加

41、速度以及倾斜度，通过卡尔曼滤波编程解算出加速度以及倾斜度的具体数值；无线射频模块负责检测终端和车载终端之间的数据通信。3.1.1 微处理器简介综合考虑单片机的数据处理能力和市场价格，本系统选用宏晶科技研发的STC12C5A60S2单片机。STC12C5A60S2是最新一代8051单片机，芯片构架有了巨大的改变，具有运行速度快、功耗超低、抗干扰能力极强等特点，片内程序存储器转变成FLASH工艺，可以瞬间擦出和改写程序，极大的提高了程序下载、运行速度，运行速度有了质的提升可达8-12倍22。该MCU的设计者考虑到保护程序员的知识产权，在设计单片机时引入了支持程序加密功能，可以防止程序被反编译、抄袭

42、。综上考虑，选用STC12C5A60S2单片机作为检测终端的微处理器，特点如下：1）工作频率范围可达035M，由于指令处理速度快，相比于传统8051内心单片机的0402M。2）双串口模式，扩展方便：STC12C5A60S2设计了双串口，增加了P12和P13为串口RXD和TXD，方便系统扩展。3）工作电压范围大：STC12C5A60S2单片机的电压适应范围可达3.3V到5.5V。4）程序下载方便：直接支持串口程序下载，只需USB转TTL串口连接器即可完成HEX文件下载，无需专用编程器和仿真器，数秒即可完成程序载入。3.1.2 无线射频模块选型与电路设计考虑到体积、功耗、数据传输距离，本系统的无线

43、射频模块选用NRF24L01+，NRF24L01+是一款世界通用ISM 频段的单片无线收发器，数据传输频段是2.42.5GHz。工作电压范围1.9 - 3.6V工作，功耗极低，待机模式下电流仅为22uA，掉电模式下电流仅为900nA，可通过SPI接口设置频道和通信协议。特点如下：1）极低的电流消耗：工作在发射模式下，发射功率为0dBm时，电流可小到为11.3mA；工作在接收模式下电流可降到13.5mA；此外，还可以设置待机模式从而进一步降低功耗，节省电能。2）数据传输距离远：发送数据时，nRF24L01+的0dBm的输出功率可通过PA电路放大到+22dBm左右，从而大大增强了数据传输的距离。在

44、接收模式下，通过LNA电路实现接收信号的加强，放大接收信号的强度。通过在数据发送和接收端设计电路，增大数据传输的距离，在空旷、无干扰环境下，数据传输距离可达2000米。图3-2是STC12C5A60S2与NRF24L01+的电路连接图。图3-2 STC12C5A60S2与NRF24L01+的电路连接图3.1.3 数据采集模块1温湿度传感器选型与电路设计温湿度传感器选用DHT11，该传感器是一款温湿度复合传感器,内部自带校准芯片，数字信号输出，工作电压35.5V，由电阻式感湿元件和NTC测温元件构成，温度测量范围是050，测量精度为2，相对湿度测量范围是2090RH，精度为5%RH。由于DHT1

45、1只有一个数据输出口，采用单总线数据格式，数据发送快，单次温湿度数据读取时间为4ms，所以通过编程控制STC12C5A60S2发送一次开始信号激活DHT11，DHT11从低功耗模式转换到高速模式，等待STC12C5A60S2开始信号结束后，DHT11发送响应信号，送出40位数据，其中前16位是湿度数据的二进制数，整数、小数各8位；17到32位是温度数据的二进制数，整数、小数各8位，最后8位是校验和。STC12C5A60S2接收数据并检验正确之后返回给DHT11一个结束信号。为使传感器数据读取更加精确，在DATA口用5K上拉电阻，从而减小外部干扰。图3-3 是STC12C5A60S2与DHT11

46、的电路连接图。图3-3 DHT11电路连接图3.1.4 倾斜度、加速度传感器选型与电路设计本文选取的加速度和倾角传感器是MPU-6050，全球首例整合性6轴运动处理组件，相比于单独检测加速度和倾斜度的传感器，MPU-6050组合陀螺仪与加速器，消除了单独安装陀螺仪和加速计时引入的轴差，同时减少了传感器的安装控件。MPU-6050支持IIC和SPI总线通讯方式，工作电压3-5V。角速度测量范围为250，500，1000和2000/sec，加速度的测量范围2g，4g，8g和16g。输出值为16位数值的补码。由于轴加速度传感器GY-521 MPU-6050输出的信号存在相互干扰，因此采用卡尔曼滤波，

47、增加数据的可靠性和精确度，图3-4是STC12C5A60S2与MPU-6050的电路连接图。图3-4 MPU-6050电路连接图3.1.5 人机交互模块选型与电路设计由于 LCD 液晶显示屏的特点是结构体积小、重量轻、工作电压和能耗很低，特别适合检测终端的要求。液晶显示的原理是利用液晶的电光效应以及偏光效应，系统上电后液晶便根据上下两块玻璃的配向膜角度有序地排列起来，当光线抵达下层板时便可顺利通过，不连通电源时液晶通过杂乱的排列来阻止光波的穿过。这样想让其显示的图形就可以通过导通与不导通的结合来呈现。检测终端使用1602液晶，工作电压3.3V5V，对比度可调，是工业字符型液晶，显示分为上下两行

48、，每行16个字符。在本设计中，应用1602显示方便且工作稳定,LCD电路连接简单，显示指令简单，方便设计简单的人机影像交互界面。图3-5是STC12C5A60S2与 LCD的电路连接图。图3-5 STC12C5A60S2与LCD的电路连接图3.1.6 复位电路和时钟电路设计检测终端的复位电路采用上电复位方式。复位电路接单片机的I/O口第九脚即RST脚。当按键被按下，使RST端口保持两个机器周期以上的高电平，单片机就可以进行复位操作，图3-6是单片机的复位电路。 图3-6 复位电路的电路图 时钟电路是系统的心脏，它的主要作用是向STC12C5A60S2提供基准频率晶振电路产生震荡电流,发出时钟信

49、号，时钟电路图如图3-7所示。图3-7 时钟电路图3.1.7 电源模块供电电路的设计至关重要，检测终端采用可重复充放电的锂电池供电，由于锂电池的电压档中不存在5V和3.3V，因此需要设计线性稳压电源来满足系统多电压供电要求，从而适应锂电池供电。以7805为核心构建5V线性稳压电源模块给整个系统供电，以AMS117为核心构建3.3V线性稳压电源给24L01+供电，电路图如图3-7，3-8所示。 图3-7 7805稳压电路图 图3-8 AMS117稳压电路图3.1.8 检测终端总体电路图和PCB图经过3.1节的检测终端的硬件系统的模块化设计，系统电路整体电路设计完成，检测终端总体电路图、3D效果图

50、设计如图3-9、3-10所示。图3-9 系统整体电路图图3-10 系统PCB 3D视图3.2 车载终端设计车载终端的硬件设计是实现系统稳定运行，完成物流监测的核心，车载终端车安装在物流车辆驾驶室内，结构框图如图3-1所示，主要由微处理器、BDS模块、GSM模块、人机交互模块、电源模块、时钟电路及复位电路构成。其中微处理器是车载终端的核心部分，微处理器控制整车载终端的运行，BDS模块负责实时获取运输车辆的定位信息，GSM模块负责与远程监控中心进行通信，TFTLCD 负责显示实时的检测参数值，其他模块为处理器工作需要的基本外围电路和系统调试模块。车载终端结构示意图如图3-11所示。图3-11 车载

51、终端结构示意图应为图3-113.2.1 车载终端主控模块车载终端的主控模块是实现系统稳定运行、实时数据传输与交互的核心。选用STM32F103RBT6芯片完成对各个检测终端的数据读取、BDS定位和授时数据读取、GPRS数据传输的控制，实现实时物流在线监测。STM32F103RBT6芯片基于ARMCortex-M3内核的32位微控制器，128K flash,20K SRAM，支持最高72MHz的运行频率，开源且拥有函数库，功能强大，与硬件兼容性好，可移植性强，I/O口丰富，便于车载终端软硬件升级和维护，减少了软硬件维护的成本。 总体而言，STM32F103RBT6具有以下特点：1) 处理性能强大

52、，硬件内核为基于32位的Cortex-M3架构的处理单元；2) 支持最高72MHz的运行频率，指令运行速度最高可达1.25DMips/MHz；3) 支持单周期乘法和硬件除法运算；4) 内存容量较大，Flash最高配可达128K，SRAM最高配可达64K；5）低功耗，采用标准的3.3V供电电压。3.2.2 北斗定位模块基于BDS的短报文功能和定位数据安全性考虑，本物流监测系统宜采用带有短报文功能的北斗模块。BDS模块接受北斗定位、授时数据，便于信息处理中心对车辆进行跟踪、导航，记录车辆的路径信息，方便运输过程的追踪和回溯。由于北斗短报文模块尚未普及，基于北斗的智能物流监测系统实际采用UM220-

53、III BD+GPS双系统、双模导航和授时模块，该模型工作电压为5V，采用和芯星通低功耗GNSS SoC芯片HumbirdTM，该芯片是我国国内公司完全自主知识产权设计的，是完全国产化的BDS/GPS模块，也是目前市场上体积最小的BDS/GPS模块。模块在信号较好时可以搜索到9颗北斗定位卫星，串口波特率采用9600bit/s，一秒发送一次串口数据，可以全天候的实现定位数据采集。由于它集成度高、功耗低（小于120mw），非常合适应用于尺寸、功耗要求高的场合。由于北斗定位模块提供的是 TTL 电平，所以TXD和RXD可以直接连接STM32F103RBT6单片机 UART 的 TXD ,RXD引脚，

54、通过串口通信读取UM220-III模块定位数据。图3-12、图3-13分别是UM220-III的结构概述图、实物图。 图3-12 UM220-III 的结构概述图 图3-13 UM220-III实物图UM220-III的定位数据协议是在NMEA3.0基础上扩展的北斗相关语句，NMEA是美国国家海洋电子协会的简称，现在是卫星导航设备统一的RTCM标准协议，NMEA3.0协议定义的语句非常多，但是常用的为$BDGGA、$BDGSA、$BDGSV、$BDRMC、$BDVTG、$BDGLL等。本系统中主要提取的是$BDGGA语句。$BDGGA语句数据格式含义如下表3-1所示：表3-1 $BDGGA语句

55、数据格式含义消息格式$-GGA,time,Lat,N,Lon,E,FS,NoSV,HDOP,msl,M,Altref,M,DiffAge,Diff Station*cs例子$BDGGA,063952.000,4002.229934,N,11618.096855,E,1,4,2.788,37.25 4,M,0,M,*71参数名数据类型参数解释-STRBD 北斗系统单独定位timeSTRUTC时间，格式为 hhmmss.ssshh - 小时 mm - 分钟 ss.sss - 秒LatSTR纬度，格式为ddmm.mmmmmmdd - 度 mm.mmmmmm - 分NSTR北纬或南纬指示 ：N - 北

56、纬S - 南纬ESTR东经或西经指示 E - 东经 W - 西经FSUINT定位状态标识：0 - 无效 1 - 单点定位NoSVUINT参与定位的卫星数量HDOPDOUBLE水平精度因子， 0.0 - 99.999, 不定位时值为 127.000mslDOUBLE椭球高MSTR椭球高单位，固定填 MAltrefDOUBLE海平面分离度MSTR海平面分离度单位，固定填 M续表3-1 $BDGGA语句数据格式含义DiffAgeDOUBLE差分校正时延，单位为秒；非差分定位时为空DiffStationDOUBLE参考站 ID；非差分定位时为空csSTR校验和,从$到*之间的所有字符进行异或得到的 16 进制数由于遵从统一协议，BDS所有与定位有关的数据串都以“$”开头和“*”结束，STM32F103RBT6首