食品冷鏈?zhǔn)侵敢赘a(chǎn)品從加工、貯藏、運(yùn)輸、銷售、直到送達(dá)消費(fèi)者手中的特殊供應(yīng)鏈系統(tǒng),其各個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)品始終處于所必需的低溫環(huán)境下，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(jìn)行溫濕度記錄，在物品交接時(shí)一次性讀取數(shù)據(jù)，公司和客戶無法動(dòng)態(tài)檢測到冷鏈運(yùn)輸車輛的過程狀態(tài)，降低了物流中心監(jiān)測的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性[1]。因此,本文設(shè)計(jì)了一種基于RFID的冷鏈運(yùn)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)，GPRS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(hù)費(fèi)用[2]。物流中心實(shí)時(shí)監(jiān)測冷鏈運(yùn)輸車輛的在途信息，用戶也可以用手機(jī)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(jì)
    冷鏈運(yùn)輸監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)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(biāo)簽和讀寫器承擔(dān)著貨物標(biāo)簽信息和溫濕度數(shù)據(jù)采集與讀取任務(wù)。GPS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(jìn)行分析和預(yù)處理，同時(shí)對(duì)GPS定位數(shù)據(jù)進(jìn)行解析與封裝。車載終端通過GPRS無線模塊SIM900定時(shí)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(shí)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Google Earth實(shí)時(shí)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(jī)用戶報(bào)警，同時(shí)駕駛室蜂鳴器響起，司機(jī)可立即采取應(yīng)急措施。
2 車載終端硬件設(shè)計(jì)
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ARM Contex_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(dá)72 MHz，定點(diǎn)運(yùn)算速率達(dá)到每秒9×107條指令；片內(nèi)128 KB Flash，20 KB SRAM，擁有強(qiáng)大的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力；資源豐富，外圍連通性好，擁有9個(gè)通信接口(3個(gè)UART、2個(gè)I2C、2個(gè)SPI、1個(gè)CAN、1個(gè)USB2.0)；外圍設(shè)備豐富，多達(dá)80個(gè)快速I/O端口擴(kuò)展，7通道DMA控制器，7個(gè)定時(shí)器，2個(gè)12位的A/D轉(zhuǎn)換；支持JTAG/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(jī)和待機(jī)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GPS數(shù)據(jù)采集模塊Ublox NEO的串口,用UART3通過MAX3232芯片連接無線通信模塊SIM900，UART1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)[2]。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(gè)車載終端的重要組成部分，電子標(biāo)簽采集冷藏車廂內(nèi)的動(dòng)態(tài)溫濕度數(shù)據(jù)并處理轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過2.45 GHz微波射頻通信將信息傳輸給讀寫器。
    電子標(biāo)簽采用有源主動(dòng)式，工作狀態(tài)下通信距離可達(dá)30~50 m，休眠狀態(tài)功耗極低， 低頻喚醒距離在0.5～7 m之間準(zhǔn)確可控。讀寫器采用全向式，通信距離達(dá)15～50 m，內(nèi)置存儲(chǔ)器可用于暫存溫濕度數(shù)據(jù)，先進(jìn)的時(shí)隙ALOAH防碰撞算法支持讀寫器同時(shí)讀寫200個(gè)電子標(biāo)簽，在車載內(nèi)可以組建一個(gè)無線局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)采集車廂內(nèi)的溫濕度。本文采用的溫濕度傳感器是SHT1X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[3]。RFID電子標(biāo)簽測溫范圍為
-40℃～+123℃，測溫精度為±0.5℃； 濕度測量范圍為0％ RH～100% RH，測濕精度為±2% 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(diǎn)，而且電子標(biāo)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GPS定位模塊采用Ublox NEO 5Q，該模塊支持NEMA0183 V3.01協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)輸出，TTL電平接口，GPS模塊不能直接與中央處理器相連接，必須先通過MAX3232將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（TXD1）和引腳9（RXD1）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(yùn)行速度高達(dá)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(dòng)時(shí)間短，功耗低，全速模式135 mW,定位快速；提供多種接口，便于擴(kuò)展。模塊上電工作時(shí)，與中央處理器STM32F103RBT6進(jìn)行通信，通過初始化設(shè)置定時(shí)輸出GPS導(dǎo)航電文，中央處理器對(duì)GPS導(dǎo)航電文進(jìn)行解析，提取出日期、時(shí)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Google Earth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(jí)四頻段GSM/GPRS模塊SIM900進(jìn)行遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)方案中的短信消息服務(wù)和GPRS數(shù)據(jù)無線傳輸。SIM900內(nèi)嵌PPP撥號(hào)協(xié)議和TCP/IP協(xié)議棧。模塊工作電壓為3.4 V～4.5 V，可工作在850/900/1800/1900 MHz四個(gè)頻段。該模塊硬件設(shè)計(jì)原理圖如圖4所示。

    中央處理器STM32F103RBT6通過UART3與SIM900接口進(jìn)行通信，原理與GPS模塊接口一致，SIM900模塊的引腳TXD_O和RXD_I需要通過MAX3232電平轉(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(duì)SIM900模塊進(jìn)行控制[4]，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(jìn)行通信。
3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)
   監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用軟件程序容量大，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，因此系統(tǒng)軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，使整個(gè)系統(tǒng)流程層次分明，邏輯清楚，便于各個(gè)模塊軟件的調(diào)試、修改和維護(hù)，同時(shí)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、GPS定位及解析程序、GPRS網(wǎng)絡(luò)登錄及通信程序、報(bào)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(jì)
    中央處理器STM32F103RBT6通過中斷方式讀取溫濕度數(shù)據(jù)和GPS定位信息，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡(luò)登錄、TCP/IP鏈路建立、發(fā)送GPRS數(shù)據(jù)、收發(fā)SMS消息等[4]。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)置電話簿中的所有號(hào)碼發(fā)送短消息報(bào)警，同時(shí)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(shí)，GPS模塊Ublox NEO每隔一段時(shí)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(shí)間間隔，以降低功耗和節(jié)約通信費(fèi)用。從GPS模塊可以得到幾個(gè)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$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV及$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(shí)間、經(jīng)緯度、速度等均可以從“$GPRMC”中提取。根據(jù)GPS模塊初始化的設(shè)定，GPS定位接收機(jī)對(duì)每一條GPS信息都進(jìn)行分析及處理，還要對(duì)日期、時(shí)間、經(jīng)度、緯度、速度進(jìn)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,,181112,,,D*71.
    中央處理器STM32F103RBT6進(jìn)行GPS數(shù)據(jù)接收時(shí)，檢測“＄GPRMC”幀頭的ASCⅡ是否正確。若正確，就接收幀內(nèi)數(shù)據(jù)并進(jìn)行解析[2]，其他無效或者冗余信息舍棄,接收的有效信息按GPS數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議封裝成UDP數(shù)據(jù)包，通過GRPS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 Earth將車輛位置實(shí)時(shí)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GPRS連接方式、監(jiān)測中心的固定IP地址和端口號(hào)、短信發(fā)送模式、接收方號(hào)碼等[4]，完成模塊初始化并通過GGSN網(wǎng)關(guān)接入遠(yuǎn)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[4]，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸給遠(yuǎn)端監(jiān)控中心，同時(shí)可接受AT指令形式的短信查詢。
　    為增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性和可靠性，防止惡意短信查詢和騷擾，手機(jī)用戶進(jìn)行短信查詢時(shí)需要進(jìn)行身份和口令的雙重確認(rèn)，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?？诹罡袷饺?amp;ldquo;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(duì)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(jì)
    監(jiān)測中心軟件主要實(shí)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(jī)界面進(jìn)行信息查詢和實(shí)時(shí)監(jiān)測。監(jiān)測中心采用C/S模式，車載終端作為客戶端，請(qǐng)求與監(jiān)測中心進(jìn)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(qǐng)求，接收、處理和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并將信息及時(shí)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(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù),系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性與移植性[5]。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
    本文搭建了一個(gè)冷鏈運(yùn)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(biāo)簽、讀寫器、GPS定位模塊Ublox NEO和SIM900無線通信模塊構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)冷鏈運(yùn)輸車與遠(yuǎn)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(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)各個(gè)子模塊的功能。監(jiān)測中心以VC6.0和ACCESS2003為軟件開發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了無線數(shù)據(jù)的接收、處理、顯示和存儲(chǔ)功能[5]。該系統(tǒng)目前初步完成了對(duì)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(shí)發(fā)送給監(jiān)測中心，并完善突發(fā)預(yù)警機(jī)制，實(shí)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(jìn)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。點(diǎn)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(shí)時(shí)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(gè)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(dòng)和網(wǎng)絡(luò)信號(hào)較弱時(shí)系統(tǒng)重啟后參數(shù)如表1所示。從表1中可以看出，系統(tǒng)具有丟包率低、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延小、定位快速的特點(diǎn)，可滿足車載終端與監(jiān)測中心通信實(shí)時(shí)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(hù)了貨物運(yùn)輸在途參數(shù)安全等問題。

    本系統(tǒng)采用先進(jìn)的RFID技術(shù)、GPS技術(shù)、GPRS技術(shù)及溫濕度傳感技術(shù),實(shí)現(xiàn)冷鏈運(yùn)輸過程中將食品溫度變化記錄在“帶溫濕度傳感器的RFID標(biāo)簽”上，實(shí)時(shí)上傳到監(jiān)控中心平臺(tái),提供及時(shí)準(zhǔn)確的溫濕度監(jiān)測,從而掌控了生鮮食品的運(yùn)輸在途參數(shù)；能在必要時(shí)及時(shí)發(fā)出預(yù)警,有效降低了生鮮食品冷鏈運(yùn)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(shí),信息追溯困難等問題。系統(tǒng)具有成本低、功耗低、實(shí)時(shí)性、擴(kuò)展性良好的特點(diǎn)，提高了冷鏈運(yùn)輸車的實(shí)時(shí)監(jiān)測能力，在提高食品運(yùn)輸品質(zhì)的同時(shí),降低了食品損耗和供應(yīng)鏈中的投資成本。
參考文獻(xiàn)
[1] 王鈾.采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)藥品食品全程冷鏈監(jiān)控[J].物流技術(shù)與應(yīng)用，2011(2):70-72.
[2] 魏芬，王海彬.基于ARM的智能車載終端設(shè)備系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2012，12(8):66-69.
[3] 張璘，陶琳，袁江南,等.基于GSM的遠(yuǎn)程溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)研究及實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38(6):93-96.
[4] 董宇，楊強(qiáng)，顏文俊.基于nRF905和GPRS的智能家居用電監(jiān)測系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38(9):78-81.
[5] 鄭琪，方思行. 通用多線程服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2003，39(16):146-147.