基于GPSOne的贵重物品跟踪系统终端设计

引 言
    消费者委员会对当前货运业存在的问题进行了调查分析，消费者委托运输的贵重物品在运输过程中丢失情况严重，致使消费者的受损金额越来越大。物流公司常常承担运输贵重物品的任务，而这些贵重物品的丢失将会导致他们巨额的损失。物流公司使用传统的 GPS定位技术跟踪贵重物品，可以减小物品丢失的机率。但在高架桥下或城市建筑物密集等复杂地理环境中，卫星信号容易丢失；且在整个物品的运输过程中，贵重物品放在货车的金属集装箱内或者存放在室内时，利用GPS技术也无法获得卫星定位信号，难以实现对贵重物品的有效跟踪定位。同时，在物流公司监控系统的传统解决方案中，GPS车载定位业务是以GSM或CDMA移动网络短消息作为通信媒介的，定位和报警信息是通过手机短信的方式发送到终端用户的，因而不便于物流公司对整个系统进行实时监控、查询和管理。
    为满足物流公司跟踪定位贵重物品的迫切需要，本文提出了一组基于GPSOne技术的解决方案。该方案既能在各种环境中实时、准确地定位，又能在发生盗窃事件时通过Internet及时报警，便于物流公司实时监控、查询和管理，从而可以更加有效地防止物品丢失，并及时追究责任。

1 定位系统方案
    使用CDMA的DTGS-800模块定位是一种很好的物流跟踪管理方案。该模块基于GPSOne技术，不仅可以实现定位，而且内置TCP／IP协议栈，能方便地连入Inter-net传输数据，便于物流公司监控管理。
    GPSOne是一种由A-GPS(Assisted Global PositionSystem，网络辅助的GPS)与CDMA三角定位结合而成的混合定位技术。两者的有机结合使两种定位技术优势互补。在远离市区的郊外和农村，CDMA三角定位技术因无线基站稀少而精度较差，但这些地方卫星信号较强，可充分利用A-GPS提供的位置信息实现精确定位；在城市繁华地区、大型商厦、写字楼等高层楼宇密集的地方或者室内，卫星信号较弱，A-GPS定位不准，但这些地区CD-MA基站较密集，可利用AFLT(Advanced Forward LinkTrilateration，高级前向链路三角定位法)技术克服A-GPS的定位盲区缺点，实施精确定位。
    同时，DTGS-800模块采用的是机卡分离技术，只要将一片R-UIM卡开通上网和GPSOne定位功能，然后插入模块就可获得上网和定位服务。 DTGS-800模块自带TCP／IP协议栈，只需通过单片机给模块相应的命令，模块就能自动通过无线方式使用TcP协议连接到Internet。进行连接前，设定所连接的IP地址和端口号为监控端服务器的IP地址和端口号，就可以实现Internet数据传输功能。监控服务器上打开相应的软件接收这些信息然后保存到数据库，利用GIS(Geographic Information System，地理信息系统)即可实现实时跟踪和查询物流车辆及物品的位置等功能，便于物流公司实时监控和管理。整个定位系统如图1所示。

    定位系统包括定位终端、CDMA网络、卫星系统及物流公司监控平台4个部分。定位终端通过卫星或者CD-MA基站获取了当前的时间、经纬度信息后，通过 CDMA网络发送到Internet上，物流公司监控平台利用软件接收来自Internet的相应信息。只要R-UIM卡开通了CD-MA的GPSOne 定位和上网功能，就可获得CDMA网络和卫星系统的相应服务。数据传输的过程可视作透明传输，即可看作数据直接从定位终端发送到物流公司监控平台上。
    整个定位系统的工作方式如下：将DTGS-800模块、行程开关、天线和其他辅助电路封装成一个独立单元制成定位终端，固定在存放物品集装箱的开箱口。运输过程中，当集装箱密封完好并正常运输时，此定位终端可以定时向监控平台发送经纬度、时间等信息；而当集装箱被非正常开启时会触及行程开关，该定位终端可及时向监控平台发送报警信息和定位信息。物流公司通过监控平台接收这些信息并结合物流调度表，分析事发时的物流情况，即可判断是否发生异常，并及时作出处理，从而实现物流过程跟踪、防盗、查询和管理等实时监控功能。[!--empirenews.page--]

2 系统硬件设计
    定位终端硬件总体框图如图2所示。

2．1 系统组成
    整个定位终端系统包括电源和电池供电模块、MCU模块及外围电路、DTGS-800模块及外围电路。由一片单片机来控制具有定位功能的DTGS-800，它们之间的通信是通过串口来完成的。由于所选单片机和DTGS-800的工作电平都在各自的工作电平范围之内，所以可以直接互连，无需额外的电平变换电路。DTGS-800采用机卡分离技术，提供与R-UIM卡的连接接口。
2．2 系统各模块设计
2．2．1 电源和电池供电模块
    电源供电部分包括两部分：专门的电池供电和汽车电源供电。整个终端系统使用的是专门的电池供电，在运输行程较长而导致电池供电不足时，系统电压检测电路会发出报警，这时可以转换成由汽车电源对其进行供电。下面从两个方面介绍电源部分。
    专门的电池供电。DTGS-800供电有两种方法：电池供电(VBATT_INT引脚输入)和外部供电(VEXT_DC引脚输入)。当用电池供电时，要求供电电压VBATT_INT范围为+4．O V±10%。因此选用的是容量为10Ah、输出电压为3．7 V的锂聚合物电池。由于选择的单片机是3．3 V供电，故电池在向单片机供电时需加一片LDO(低压差线性稳压器)芯片MIC5219，其最小压差可以达到0．3 V，满足设计要求。
    汽车电源供电。目前汽车用的电池多为铅酸蓄电池，小型汽车用电池一般为12 V，大中型汽车(柴油发动机)为24 V。DTGS-800启动时首先要初始化系统和寻找网络，功耗较高，约300～500 mA，稳定下来后最高功耗(打电话或者上网、定位的情况下)大约在300 mA。设计时要留有余量，因此供电电源要求在外部供电(VEXT_DC)的情况下能有4．5～5 V、1 A的稳定直流供电，最高不能超过5．5 V。考虑到压差较大，且要求输出电流大于1 A，选用的是输出电压为5 V、输出电流最大为3 A的DC-DC(开关电源)芯片LM2576-5。与LDO压差较大时功耗高且转换效率低的缺点相比，DC-DC电源芯片具有较高的转换效率，且在压差较大时保证功耗不会太大。电源及电池供电模块电路如图3所示。

2．2．2 MCU模块及外围电路
    MCU选用的是宏晶科技公司的STC12LE5410AD，其工作电压为3．3 V，便于在所选定的系统电源下工作。这是一款带A／D转换的单片机芯片，具有超强抗干扰的特性，并且具有超低的功耗，正常工作时电流仅为4～7mA，空闲时电流<1 mA。它的工作周期仅为一个时钟周期，可以大大降低使用的晶振频率，从而降低EMI(Elec-tromagnetic Interference，电磁干扰)。STC12LE5410AD具有引脚少、体积小、价格低、使用方便等特点，可降低开发成本，缩短开发周期。
    MCU外围电路包括晶振电路、复位电路、开关检测电路和电压测量部分。开关检测电路用来检测行程开关的动作，电压测量部分利用单片机的A／D转换功能是来测量DTGS-800供电的电池电压，当检测到电池电压不足时会发出报警，此时需将供电部分转换到汽车电源上。MCU及外围模块电路如图4所示。

2．2．3 DTGS-800模块及外围电路
    CDMA模块选用的是美国高通公司带有GPSOne定位功能的集成MSM6050芯片组的DTGS-800。此模块接口共有100个引脚，可提供电话、短信、音频、传真、定位、上网和数据传输等功能，还提供多种用户接口，如串口、键盘及LCD等接口，用户可方便地根据需要进行开发。[!--empirenews.page--]
    DTGS-800与单片机接口使用的是3线(TXD，RXD，GND)串口，利用AT指令可以实现打电话、发短信及定位等功能，但是在上网和数据传输时需要接串口的流控信号(如RTS、CTS及DTR等)。RTS为请求发送信号；CTS为清除发送信号，起流控作用；DTR为数据终端准备好信号，用来指示上网时数据连接的有效性，系统中使用单片机的一个I／O口来控制。当DTR=1时，表示允许数据连接。此时单片机向DTGS-800发送上网指令，DTGS -800就被允许连接到Internet，单片机即可通过串口控制DTGS-800向指定IP地址和端口号的服务器上传输数据。注意，当模块处于数据连接有效状态时，是不响应任何AT指令的。当数据传输完毕时，将DTR置0可断开数据连接，此时DTGS-800就可以再次响应AT指令。

3 系统软件设计
    单片机与DTGS-800通信，分为单片机控制DTGS-800执行相应的功能，以及控制 DTGS-800通过网络向监控服务器传输数据2部分。单片机控制DTGS-800执行相应的功能，只需要通过串口给DTGS-800发送AT指令，不同的AT指令可以实现不同的功能。AT命令是以“AT”为首，<CR>字符结束的字符串。单片机每向模块发送一个AT指令，模块都会返回数据。返回的数据是以<CR><LF>结束的字符串。单片机收到数据之后，要经过一定的解析和处理，才能重新发送给监控服务器。串口的设置如下：115 200 bps，8位数据位，1位停止位。单片机控制DTGS-800向监控服务器发送数据时，定义了相应的数据格式：帧头+数据内容。帧头包括以下内容：16字节定长的R-UIM卡号码、1字节的命令标识、1字节的数据内容长度。当数据内容长度不够时，按左对齐，右侧填0x00。数据内容即发送的数据。命令标识定义命令的类型，命令类型说明如表1所列。

例如，当发送的数据是定位信息时，帧数据依次是：16字节的R-uIM卡号码(通常为11字节)，类似于手机号码，不够16字节时，后面补0x00；1字节的数据内容长度，用来说明每帧帧头后面发送的数据内容的字节数；1字节的命令标识，表明发送的数据帧的意义，如果是定位信息，则发送的是0x12；紧接着是数据内容。在通信协议里还规定了不同信息内容的数据格式。
    系统软件工作过程如下：在运输过程中，单片机使用定时器定时向监控平台服务器发送定位信息。发送的数据格式遵照前面所述的通信协议数据格式。首先，单片机向DTGS-800发送定位指令“AT+GPSSRT”，CD-MA模块完成定位后向单片机返回定位信息。单片机对此信息进行解析，提取经纬度及当前时间等有效信息后对数据进行转换；再向模块发送上网指令“ATDT1123”，数据连接状态有效后，就开始向监控服务器发送定位信息。当行程开关动作时，首先要发送上网指令和报警信息，然后按照上面的步骤进行通信。软件流程如图5所示。

    注意：在TCP连接并发送数据时使用了握手机制，即应答机制。为使系统的流程更加清晰，图5中未给出握手过程。当DTGS-800模块向监控端发送数据时，监控端需要根据情况返回应答信号；模块如果在规定的时间内没有得到应答，默认为连接超时。为避免在TCP连接过程中由于没有收到应答而出现死机情况，系统中运用了超时重传机制，保证了通信的可靠性。

结 语
    传统的GPS定位技术在物流中应用时，除了使用GPS模块之外，还需要另外使用GSM模块等其他辅助硬件才能实现定位报警功能。而在本文基于GPSOne技术的定位终端中，DTGS-800模块融合了定位、GSM及CDMA网络服务等多种功能，集成度和性价比高。系统测试表明，本方案在楼群密集的市区或者室内实现了精确定位，克服了GPS技术定位盲区的缺点。此系统装置体积小，便于安装在物品集装箱内；定位数据能及时地通过网络发送到物流公司的监控平台服务器上，便于实时监控和管理；还可以在发生物品被盗事件时及时报警，便于物流公司查清事实，追究责任，在一定程度上能防止物流公司内部员工盗窃。