摘  要： 針對(duì)快遞業(yè)中特殊物品的運(yùn)輸安全問(wèn)題，提出了一類多功能的包裹智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。給出了系統(tǒng)的整體框架結(jié)構(gòu)，詳細(xì)介紹了終端控制器和客戶端兩個(gè)核心單元的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。終端控制器的硬件包括ARM9微處理器、SIM908數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)饶K；軟件部分由主控程序、數(shù)據(jù)采集和傳輸組成?？蛻舳耸潜O(jiān)控系統(tǒng)的核心部分，主要分為設(shè)置模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊。本系統(tǒng)的硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，軟件采用低功耗的設(shè)計(jì)，具有體積小、攜帶方便等特點(diǎn)。

　　關(guān)鍵詞： 智能包裹；SIM908；智能預(yù)警；物聯(lián)網(wǎng)；定位

0 引言

　　近年來(lái)，我國(guó)的互聯(lián)網(wǎng)電子商務(wù)行業(yè)迅速發(fā)展，快遞行業(yè)如雨后春筍般迅猛發(fā)展。巨大的市場(chǎng)充滿了激烈的競(jìng)爭(zhēng)，許多快遞公司盲目地追求經(jīng)濟(jì)利益，在快速發(fā)展的背后帶來(lái)了一系列問(wèn)題。快遞延遲、損壞、丟失等現(xiàn)象層出不窮[1-2]。針對(duì)此現(xiàn)象，本文設(shè)計(jì)了一種多功能包裹監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。將終端控制設(shè)備放置在包裹內(nèi)，可以監(jiān)測(cè)包裹內(nèi)的劇烈碰撞、破壞、延遲等信息，有效地避免現(xiàn)有問(wèn)題，同時(shí)使得包裹運(yùn)送更加可靠安全，提高了物流行業(yè)的服務(wù)水平。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)及主要功能

　　包裹智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由終端控制器和客戶端兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元組成，其框架結(jié)構(gòu)如圖１所示。

　　終端控制器主要由ARM9微處理器、GPS定位模塊、GPRS數(shù)據(jù)傳輸、MMA8453振動(dòng)傳感器等模塊組成。包裹內(nèi)安裝終端控制器，該終端整合GPS定位傳感器、GPRS數(shù)據(jù)傳輸傳感器及若干個(gè)傳感器。GPS定位傳感器接收來(lái)自衛(wèi)星的定位信息，通過(guò)UART串口將數(shù)據(jù)傳送給中央處理器。同時(shí)中央處理器采集溫度、濕度、震動(dòng)等傳感器數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)按照一定的協(xié)議格式進(jìn)行封裝，然后通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到固定IP地址的服務(wù)器上[3]。

　　客戶端單元主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)顯示等功能模塊。一方面，客戶端接收終端控制器發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，接著對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將結(jié)果存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。另一方面，客戶端單元將解析完成的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在電子地圖上。用戶就可以查看快遞的實(shí)時(shí)位置及狀態(tài)信息。當(dāng)快遞內(nèi)溫濕度超過(guò)設(shè)定閾值的時(shí)候，或者遭受碰撞、搖晃的時(shí)候，終端控制器內(nèi)的傳感器檢測(cè)這些數(shù)據(jù)，就會(huì)打開(kāi)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)。此時(shí)用戶可以在客戶端上面查看到詳細(xì)的報(bào)警信息。同時(shí)用戶可以利用客戶端與智能包裹終端控制器進(jìn)行通信，終端控制器能接收操作指令并將其發(fā)送給下面的傳感器，傳感器將接收到的指令轉(zhuǎn)化為物理動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程配置工作參數(shù)。

2 終端控制器硬件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)硬件電路主要由ARM9微處理器、SIM908數(shù)據(jù)傳輸和定位模塊、MMA8453震動(dòng)傳感器模塊、溫濕度模塊、電源模塊、時(shí)鐘模塊以及LCD顯示模塊組成。硬件電路如圖２所示。

　　2.1 中央控制器

　　終端控制器的硬件核心是中央處理器，所有的設(shè)備驅(qū)動(dòng)控制、通信協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等任務(wù)都需要通過(guò)中央處理器。從穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性、性能、安全及操作系統(tǒng)支持等方面考慮，選擇性能強(qiáng)大的32位ARM9微處理器S3C2440作為主處理器。S3C2440工作頻率最高可達(dá)533 MHz，擁有64 MB的Flash和64 MB的SDRAM、UART、I2C、SPI等多類串行接口，便于構(gòu)建外圍電路的拓展功能接口，具有高性價(jià)比、低功耗等特點(diǎn)[4]，完全滿足小型移動(dòng)設(shè)備的低功耗和高性能需求，所以特別適合于本系統(tǒng)應(yīng)用。

　　2.2 SIM908數(shù)據(jù)傳輸和定位模塊

　　在本設(shè)計(jì)中，GPS、GPRS模塊傳感器的選型是關(guān)鍵，GPS模塊負(fù)責(zé)地理位置的準(zhǔn)確定位，GPRS模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，其性能的優(yōu)劣將會(huì)影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴⑼暾?。通過(guò)比較各個(gè)公司的GPS/GPRS模塊，本文最后選用了SIMCOM公司的SIM908模塊。該模塊同時(shí)集成了GPS定位和GPRS數(shù)據(jù)傳輸功能，體積小，集成度高，穩(wěn)定性強(qiáng)[5]。SIM908電路如圖3所示。

　　其標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)接口，在信號(hào)覆蓋的地方，都可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)縫連接，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩煽?。GPRS模塊主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換業(yè)務(wù)，雖然它的數(shù)據(jù)傳輸速度不是很高，但是能夠滿足正常的數(shù)據(jù)傳輸要求，非常適合于智能包裹的集成應(yīng)用，可以節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間和費(fèi)用[6]。

　　2.3 MMA8453振動(dòng)傳感器模塊

　　選用加速度傳感器MMA8453檢測(cè)包裹的振動(dòng)數(shù)據(jù)。該款加速度計(jì)擁有三檔量程、2個(gè)可編程的中斷引腳，內(nèi)部集成了10位的ADC，可檢測(cè)自由落體、碰撞、方向變化等多種狀態(tài)。外圍連接電路簡(jiǎn)單，帶有I2C通信接口，具有低功耗及低噪聲特點(diǎn)。振動(dòng)傳感器電路如圖4所示。

3 終端控制器軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 終端控制器的系統(tǒng)移植

　　終端控制器系統(tǒng)軟件使用Linux嵌入式操作系統(tǒng)。其穩(wěn)定性和開(kāi)放性能夠很好地符合終端系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠性的要求。

　　系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的宿主機(jī)選用Ubuntu12.04，首先安裝內(nèi)核源碼，在編譯前進(jìn)入根目錄，更改其目錄下的Makefile文件，設(shè)置目標(biāo)平臺(tái)和交叉編譯器，然后運(yùn)行makexconfig進(jìn)入配置菜單，合理地設(shè)置內(nèi)核編譯配置選項(xiàng)，保存退出，執(zhí)行內(nèi)核編譯命令make，編譯成功后會(huì)在/usr/src/kernel/arch/arm/boot/目錄下生成zImage，即為L(zhǎng)inux內(nèi)核映像文件。最后通過(guò)bootloaer引導(dǎo)進(jìn)行操作系統(tǒng)移植，裝載完畢文件系統(tǒng)之后，編寫應(yīng)用服務(wù)程序[7]。

　　3.2 終端控制器程序設(shè)計(jì)

　　終端控制器的程序流程圖如圖5所示。系統(tǒng)上電開(kāi)機(jī)后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，設(shè)置時(shí)鐘頻率，初始化GPIO口、I2C和UART總線。接著開(kāi)始硬件自檢，對(duì)內(nèi)存等進(jìn)行檢查，同時(shí)開(kāi)始對(duì)GSM/GPRS、GPS模塊初始化，上傳第一次GPS定位數(shù)據(jù)。然后系統(tǒng)進(jìn)入休眠模式，每隔10 min喚醒一次CPU以及相關(guān)模塊，同時(shí)在休眠的過(guò)程中，如果收到查詢短信的指令，直接通過(guò)中斷喚醒CPU以及相關(guān)模塊。當(dāng)外圍模塊正常工作時(shí)，讀取GPS定位數(shù)據(jù)，并判斷幀頭數(shù)據(jù)，如果正確就通過(guò)GSM/GPRS模塊傳輸GPS及溫濕度傳感器和振動(dòng)傳感器的數(shù)據(jù)，傳輸結(jié)束進(jìn)入休眠模式。

　　本系統(tǒng)采用低功耗的設(shè)計(jì)，CPU不能一直處于工作狀態(tài)，本文設(shè)置系統(tǒng)每10 min或者當(dāng)接收到短信時(shí)喚醒CPU，每次工作大約2 min，以此降低電量的消耗。由于此系統(tǒng)可以方便地放置在重要物品上，必須具有體積小、重量輕的特點(diǎn)，所以使用鋰電池供電。

　　3.3 數(shù)據(jù)采集和傳輸

　　實(shí)現(xiàn)ARM Linux平臺(tái)下SIM908數(shù)據(jù)的采集和傳輸，涉及到Linux下UART編程技術(shù)。首先給出Linux下UART串口的原理，然后使用多線程多進(jìn)程技術(shù)來(lái)完成SIM908模塊的GPS數(shù)據(jù)采集和GPRS模塊的數(shù)據(jù)傳輸。

　　UART串口是一種終端設(shè)備，它不是簡(jiǎn)單地初始化硬件設(shè)備并傳輸數(shù)據(jù)，而是在它們上面封裝了許多功能函數(shù)。UART串口驅(qū)動(dòng)程序從上到下可以概括為：用戶應(yīng)用層->線路規(guī)劃層->TTY層->底層驅(qū)動(dòng)層。

　　線路規(guī)程和TTY驅(qū)動(dòng)層是與硬件平臺(tái)無(wú)關(guān)的，在Linux源碼中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，所以本文只需關(guān)心底層驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程代碼的實(shí)現(xiàn)，s3c2440驅(qū)動(dòng)層主要由dirivers/serial/下的s3c2440.c和samsung.c實(shí)現(xiàn)。移植幾個(gè)必要的函數(shù)，就可以運(yùn)行串口驅(qū)動(dòng)了[8]。

　　具體的SIM908模塊數(shù)據(jù)采集和傳輸都在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)。S3C2440提供3路UART接口。UART0用于RS232電路，主要負(fù)責(zé)軟件調(diào)試，UART1和UART2用于SIM908模塊，負(fù)責(zé)GPRS和GPS數(shù)據(jù)傳輸。

　　為減少系統(tǒng)資源的開(kāi)銷，提高執(zhí)行效率，提高程序的響應(yīng)，數(shù)據(jù)的采集和處理函數(shù)都采用多線程技術(shù)，從而可以提高系統(tǒng)的性能。同時(shí)在Linux下，所有的硬件設(shè)備都被看成是普通文件，可以通過(guò)與普通文件相同的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)調(diào)用完成打開(kāi)、關(guān)閉、讀取和寫入設(shè)備等操作。表1列出了數(shù)據(jù)采集和傳輸程序的主要函數(shù)和功能描述[9]。

4 客戶端軟件設(shè)計(jì)

　　客戶端是監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分，主要功能分為三部分：設(shè)置模塊、顯示模塊和報(bào)警模塊。客戶端軟件使用vs2012開(kāi)發(fā)環(huán)境，客戶端界面如圖6所示。

　?。?）設(shè)置模塊：可以設(shè)置終端控制器的溫濕度閾值和振動(dòng)范圍，一旦溫濕度或者振動(dòng)量超過(guò)設(shè)置的值，客戶端界面將會(huì)顯示紅色的報(bào)警信息。并且該模塊可以設(shè)置終端控制器的GPRS模塊的傳輸速率、發(fā)送間隔等功能。

　?。?）顯示模塊：主要功能是對(duì)智能包裹終端控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)定位和軌跡回放。點(diǎn)擊定位按鈕，程序?qū)?huì)主動(dòng)下發(fā)命令查詢智能包裹終端的地理位置，將接受到的返回?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行處理后直接在地圖上顯示更新。點(diǎn)擊軌跡回放按鈕時(shí)，會(huì)彈出對(duì)話框，接著輸入需要查詢的時(shí)間段。如果該時(shí)間段有智能包裹終端的信息，則顯示運(yùn)行的軌跡路線。如果沒(méi)有智能包裹終端的信息，則彈出對(duì)話框顯示沒(méi)有數(shù)據(jù)。同時(shí)模塊也會(huì)顯示車輛的運(yùn)行速度、運(yùn)行路程距離、運(yùn)行的方向及包裹的溫濕度等信息。智能包裹終端實(shí)時(shí)定位模塊和軌跡回放模塊的流程如圖7、8所示。

　?。?）報(bào)警模塊：一旦包裹受到劇烈震動(dòng)、搖晃、溫濕度超過(guò)閾值等情況，界面就會(huì)顯示紅色報(bào)警，并彈出警告框。

5 系統(tǒng)測(cè)試方案設(shè)計(jì)

　　5.1 GPS調(diào)試

　　GPS定位模塊能否快速準(zhǔn)備定位是實(shí)時(shí)定位的關(guān)鍵部分。使用GPS模塊進(jìn)行定位，受密集的高樓和樹(shù)木影響較大，因此本文將控制器放在空曠場(chǎng)地，去除環(huán)境的干擾因素[10]。選取四個(gè)時(shí)間段5 s，15 s，30 s，60 s，每個(gè)時(shí)間點(diǎn)采樣10個(gè)樣本，然后將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇蛻舳?，并繪制出圖9所示的定位精度與時(shí)間的關(guān)系圖。

　　從圖9可以得出，增加GPS定位時(shí)間，可以提高定位的精度和可靠度。當(dāng)定位時(shí)間為60 s時(shí)，定位精度基本維持在4 m，當(dāng)定位時(shí)間為30 s時(shí)，定位精度保持在5 m；當(dāng)定位時(shí)間為15 s時(shí)，定位精度保持在7~8 m，當(dāng)定位時(shí)間為5 s時(shí)，定位精度保持在9~10 m。這樣的定位誤差可以滿足包裹定位的要求。同時(shí)觀察得出，隨著定位時(shí)間的增加，定位誤差變化不是很大，因此本系統(tǒng)可以選擇一個(gè)合適的定位時(shí)間。

　　5.2 GPRS數(shù)據(jù)模塊調(diào)試

　　運(yùn)行智能包裹終端控制器，采集GPS數(shù)據(jù)，然后通過(guò)GPRS模塊傳輸?shù)娇蛻舳?。同時(shí)將終端控制器通過(guò)USB轉(zhuǎn)串口連接電腦，電腦上打開(kāi)串口調(diào)試工具。最后比較客戶端數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)（圖10）和串口助手采集的GPS數(shù)據(jù)（圖11），數(shù)據(jù)完全一致。該GPS模塊運(yùn)行安全穩(wěn)定，符合設(shè)計(jì)要求。

　　5.3 整體系統(tǒng)調(diào)試

　　將整個(gè)終端設(shè)備燒錄程序，安裝鋰電池，放在空曠的場(chǎng)地上，進(jìn)行整體系統(tǒng)測(cè)試。打開(kāi)終端設(shè)備電源開(kāi)關(guān)，等待幾分鐘，讓系統(tǒng)完全啟動(dòng)，然后運(yùn)行客戶端登錄主界面后。點(diǎn)擊定位按鈕，程序?qū)?huì)主動(dòng)下發(fā)命令查詢智能包裹終端的地理位置，此時(shí)終端的GPRS模塊數(shù)據(jù)燈閃爍，表示正在傳輸數(shù)據(jù)?？蛻舳藢⒔邮艿降姆祷?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行處理后直接在地圖上顯示，界面會(huì)顯示包裹的溫濕度、車輛運(yùn)行速度等信息。運(yùn)行結(jié)果如圖12。

6 結(jié)束語(yǔ)

　　本文實(shí)現(xiàn)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能包裹系統(tǒng)，它夠能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)包裹的狀態(tài)。系統(tǒng)的硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，GPS模塊和GPRS模塊高度集成，整個(gè)硬件具有體積小、攜帶方便等特點(diǎn)。系統(tǒng)的軟件采用低功耗設(shè)計(jì)，大部分狀態(tài)下CPU處于休眠，將系統(tǒng)設(shè)置為每隔10 min喚醒一次CPU或者接受到短信時(shí)喚醒CPU，每次工作大約2 min，以此降低電量的消耗。本文的下一步是優(yōu)化客戶端軟件，將客戶端分成服務(wù)器與客戶端兩部分，服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，而客戶端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的顯示。

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