在物聯網應用環境下，物流的定位跟蹤是一個重要的技術環節，可靠、無縫地實現定位和跟蹤至關重要。除了獲得可靠的定位信息以外，如何確保定位信息可靠、有效地回傳也是關鍵。
    現有的各種物聯網定位跟蹤通信設備絕大部分是基于GPS全球定位系統來實現[1-3]。這種嚴重依賴國外導航的狀況，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)系統已開始正式運營并提供區域服務。以“北斗二代”系統為依托，設計一款性能強大、工作可靠、成本低廉的物聯網定位跟蹤通信終端，既可以滿足物流領域的需求，可以擺脫受制于人的局面。
    現有的物流定位跟蹤終端產品大多采用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用環境，不能得到運營商移動網絡的很好支持或者移動網絡覆蓋不佳，都給系統應用帶來嚴重的問題。
    針對現有系統存在的問題，基于北斗二代定位技術，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，實現物流定位跟蹤與通信。終端可根據物流所在地的網絡狀況自動切換適合當前環境的信息回傳模式，因此可以很好地適應各種不同的應用環境。硬件平臺基于ARM11處理器[4-6]，可以靈活適應各種應用的需求，且具有良好的擴展性。軟件平臺采用嵌入式Linux系統環境，采用Qt Creator編寫應用程序并移植到終端系統上。
1 終端硬件設計
1.1 終端硬件結構
    定位跟蹤終端以ARM11為核心，總體架構如圖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，結合實際的物流應用場景，需要設計專門的供電模塊。RFID負責采集物流信息；BD/GPS模塊負責接收衛星信號，輸出導航電文，對物流進行實時定位；LCD顯示模塊顯示相關定位和物流信息，配置相關參數；攝像頭模塊負責采集物流所在地的實時圖像。

    ARM11處理控制模塊負責數據處理及各個通信模塊間的調度。ARM11處理器對導航電文進行解析，從中提取出時間、經緯度、速度等信息，并把接收到的物流信息一起打包發送到WCDMA/GSM模塊，根據實際情況發送圖像信息。WCDMA/GSM模塊負責將ARM傳過來的信息回傳到控制中心。移動通信網絡已經覆蓋得較為廣泛，利用高速3G網絡可以傳輸大容量的信息。信息的回傳以3G網絡的數據業務或者GPRS為主，也可以選擇短信方式。根據系統的實際應用環境，選擇其他可擴展通信模塊實現應用區域的廣泛覆蓋。在設有企業無線數據專網覆蓋的區域，自動切換到相應的數傳模式。
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，對接收的數據進行處理，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，設計簡潔，非常適合對成本、功耗敏感的應用。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備的通信。S3C6410提供了豐富的外設接口，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個標準，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定位接收模塊負責接收北斗衛星信號。采用CC50-BG衛星導航模塊。CC50-BG 衛星導航模塊是基于導航SoC芯片ProGee II的一款小體積、低功耗、易集成的模塊產品，可以實現機動載體的實時、高精度三維定位、三維測速、精確授時，廣泛應用于車載監控、車載導航、手持及物品跟蹤等領域。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；標準NMEA0183數據輸出，數據刷新率為1 Hz；業界主流的SMD封裝，支持標準取放及回流焊接全自動化集成。該模塊可以設置BD和GPS組合定位，定位精度高，工作穩定，發熱低，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標準中，WCDMA為最主流標準。其技術成熟度最高，產業鏈最完善，可以實現全球大范圍的漫游。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點，可以傳輸較大容量的圖像信息；與北斗/GPS接收模塊相結合，非常適用于跟蹤系統、車載信息系統。
1.2.5 可擴展通信模塊
    終端可以根據應用的需要，靈活擴展甚高頻通信、短波數傳通信、衛星通信等各種通信模塊。例如，甚高頻通信采用日精ND250A專業數傳電臺。日精ND系列高速數傳電臺采用數字信號處理技術，以軟件的方式實時地實現無線數字調制/解調算法，而且允許用戶通過AT指令用軟件設置各種參數，實現無線信道與MODEM的最優化匹配，進而實現最佳的數據傳輸性能。該電臺模塊傳輸速率最高可以達到38.4 kb/s，傳輸速率穩定。由于物流環境下常常會遇到通信環境相對惡劣的應用場景，而日精電臺超強的前向糾錯和交織算法的結合可以在惡劣的通信環境中保障通信的可靠性，所以非常適合用于物流領域。
1.2.6 LCD顯示模塊
    終端LCD顯示屏顯示相關的信息量，并可通過觸摸式顯示屏直接對終端的各項參數進行配置。結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中。嵌入式操作系統Linux2.6及以上版本都支持USB設備。
1.3 模塊間接口設計
    基于S3C6410的硬件系統需要設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，以適應各種通信模塊。
2 軟件設計
2.1 軟件設計思想
    軟件總體框架如圖2所示，分為物理層、系統層和應用層。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議；系統層指嵌入式Linux操作系統，集成了各個模塊的驅動，負責完成系統各模塊的初始化任務；應用層實現信息處理和模塊間通信。應用程序采用多線程的設計思想。因為每個通信模塊都采用串口，都需要不斷地吞吐數據，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，提高程序的運行效率。線程間的數據傳遞采用信號與槽的方式。

    該終端系統層采用嵌入式Linux操作系統，應用層軟件開發環境采用QT Creator。Qt Creator是跨平臺的輕量級集成開發環境，可移植性強，支持嵌入式Linux操作系統。Qt提供了豐富的庫函數，可以設計出友好的嵌入式應用程序。
2.2 多模式切換機制
    終端應用程序多模式切換機制如圖3所示。BD數據處理線程不斷地讀取電文并提取相關信息。RFID線程只在有卡靠近時被喚醒，其他時候處于休眠狀態。WCDMA傳輸模式為數據傳輸的主要模式，采用TCP/IP協議，主動連續地向中心站發送數據。當連接出現異常時，重試發送3次數據，若3次之內發送成功，則繼續當前的網絡連接，否則認為網絡連接已經斷開，啟動短信發送。若短信發送失敗，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送數據，具體通信模式的選擇可由用戶自行設定。同時，應用程序重新建立TCP/IP連接。如GPRS網絡成功建立，則自動切換回WCDMA線程，關閉其他通信傳輸模式；如果所有的傳輸方式都無法使用，則設置警告指示，并再次嘗試重新連接。

2.3 關鍵軟件模塊設計
2.3.1 BD數據處理
    BD線程處理如圖4所示。BD定位模塊設置好接口參數之后上電。接口會不斷地輸出NEMA格式的導航電文。從電文中可提取出經緯度、實時時間、速度信息。這些信息都包含在“$GPRMC”的幀結構中。BD/GPS模塊輸出的時間是標準的格林尼治時間，需要轉換成當前所在時區的時間。速度是以節為單位。
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送指令對其進行喚醒。然后檢測當前是否有IC卡。當檢測到IC卡時，PN532內部進行防沖撞檢測，然后控制器發送指令獲取IC卡的UID號。用獲取的UID號來對IC卡進行數據的讀取。

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協議。為確保回傳信息的實時性和可靠性，選擇TCP/IP協議進行傳輸。向模塊發送相應的AT操作指令，就可以完成相關數據的發送。這里需注意，接收端需具有公網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操作指令來實現短信發送。發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)查詢網絡是不是注冊上了，如中國移動、中國聯通。
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據傳輸采用透傳傳輸模式。該模式下，用戶不必關心具體的協議，只需直接發送數據即可。

    隨著BD二代衛星導航系統的日益完善，設計一款適用于物流環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。采用嵌入式Linux系統結合QT應用程序實現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，在物流領域具有很好的應用前景。
參考文獻
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