食品冷鏈是指易腐產(chǎn)品從加工、貯藏,、運輸、銷售,、直到送達消費者手中的特殊供應(yīng)鏈系統(tǒng),其各個環(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)進行溫濕度記錄,，在物品交接時一次性讀取數(shù)據(jù),，公司和客戶無法動態(tài)檢測到冷鏈運輸車輛的過程狀態(tài)，降低了物流中心監(jiān)測的準確性和實時性[1],。因此,本文設(shè)計了一種基于RFID的冷鏈運輸監(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)和維護費用[2]。物流中心實時監(jiān)測冷鏈運輸車輛的在途信息,，用戶也可以用手機通過短信以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
    冷鏈運輸監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個監(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電子標簽和讀寫器承擔著貨物標簽信息和溫濕度數(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)進行分析和預(yù)處理,，同時對GPS定位數(shù)據(jù)進行解析與封裝。車載終端通過GPRS無線模塊SIM900定時向監(jiān)測中心發(fā)送當前溫濕度,、經(jīng)緯度,、車載速度、日期時間等信息,，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，將當前溫濕度顯示在監(jiān)測界面上,，并通過Google Earth實時顯示車輛位置,。
    中央處理器STM32內(nèi)置電話簿，當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)送短信給手機用戶報警,，同時駕駛室蜂鳴器響起,，司機可立即采取應(yīng)急措施。
2 車載終端硬件設(shè)計
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72 MHz，定點運算速率達到每秒9×107條指令,；片內(nèi)128 KB Flash,，20 KB SRAM，擁有強大的程序和數(shù)據(jù)存儲能力,；資源豐富,，外圍連通性好，擁有9個通信接口(3個UART,、2個I2C,、2個SPI、1個CAN,、1個USB2.0),；外圍設(shè)備豐富，多達80個快速I/O端口擴展,，7通道DMA控制器,，7個定時器，2個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,、停機和待機模式,，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)是整個車載終端的重要組成部分,，電子標簽采集冷藏車廂內(nèi)的動態(tài)溫濕度數(shù)據(jù)并處理轉(zhuǎn)換成電信號,，通過2.45 GHz微波射頻通信將信息傳輸給讀寫器。
    電子標簽采用有源主動式,，工作狀態(tài)下通信距離可達30~50 m,，休眠狀態(tài)功耗極低， 低頻喚醒距離在0.5～7 m之間準確可控。讀寫器采用全向式,，通信距離達15～50 m,，內(nèi)置存儲器可用于暫存溫濕度數(shù)據(jù)，先進的時隙ALOAH防碰撞算法支持讀寫器同時讀寫200個電子標簽,，在車載內(nèi)可以組建一個無線局域網(wǎng),，實現(xiàn)多點采集車廂內(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,，而且電子標簽體積小、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)議標準輸出,，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；限制運行速度高達1 000節(jié),，相當于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；啟動時間短,，功耗低,，全速模式135 mW,定位快速；提供多種接口,，便于擴展,。模塊上電工作時，與中央處理器STM32F103RBT6進行通信,，通過初始化設(shè)置定時輸出GPS導(dǎo)航電文,，中央處理器對GPS導(dǎo)航電文進行解析,，提取出日期、時間,、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)級四頻段GSM/GPRS模塊SIM900進行遠程數(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四個頻段,。該模塊硬件設(shè)計原理圖如圖4所示。

    中央處理器STM32F103RBT6通過UART3與SIM900接口進行通信,，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SIM900模塊進行控制[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卡進行通信,。
3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計
   監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用軟件程序容量大，實時性強,，因此系統(tǒng)軟件采用模塊化的設(shè)計方法,，使整個系統(tǒng)流程層次分明，邏輯清楚,，便于各個模塊軟件的調(diào)試,、修改和維護，同時提高了系統(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
    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，然后對數(shù)據(jù)進行分析和預(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碼發(fā)送短消息報警,，同時駕駛室內(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,，GPS模塊Ublox NEO每隔一段時間就把接收到的衛(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)航電文的時間間隔,，以降低功耗和節(jié)約通信費用,。從GPS模塊可以得到幾個不同的數(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定位接收機對每一條GPS信息都進行分析及處理,，還要對日期,、時間、經(jīng)度,、緯度,、速度進行轉(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進行GPS數(shù)據(jù)接收時，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將車輛位置實時顯示在電子地圖上,。
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,、短信發(fā)送模式、接收方號碼等[4],，完成模塊初始化并通過GGSN網(wǎng)關(guān)接入遠程監(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)傳輸給遠端監(jiān)控中心,，同時可接受AT指令形式的短信查詢,。
　    為增強系統(tǒng)的安全性和可靠性，防止惡意短信查詢和騷擾,，手機用戶進行短信查詢時需要進行身份和口令的雙重確認,，中央處理器內(nèi)置電話簿，非電話簿用戶短信均被當做垃圾短信處理,?？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，對于不符合口令格式的短信查詢將當作垃圾短信處理,。
3.4 監(jiān)測中心軟件設(shè)計
    監(jiān)測中心軟件主要實現(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,，通過人機界面進行信息查詢和實時監(jiān)測,。監(jiān)測中心采用C/S模式，車載終端作為客戶端,，請求與監(jiān)測中心進行網(wǎng)絡(luò)通信,；監(jiān)測中心作為服務(wù)器，偵聽網(wǎng)絡(luò)的連接請求,，接收,、處理和存儲數(shù)據(jù),，并將信息及時有效地顯示在監(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分表存儲相關(guān)數(shù)據(jù),系統(tǒng)具有良好的擴展性與移植性[5],。
4 實驗結(jié)果與分析
    本文搭建了一個冷鏈運輸監(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電子標簽,、讀寫器,、GPS定位模塊Ublox NEO和SIM900無線通信模塊構(gòu)成，實現(xiàn)冷鏈運輸車與遠程監(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)動程序,，實現(xiàn)各個子模塊的功能。監(jiān)測中心以VC6.0和ACCESS2003為軟件開發(fā)平臺,，實現(xiàn)了無線數(shù)據(jù)的接收,、處理、顯示和存儲功能[5],。該系統(tǒng)目前初步完成了對車廂內(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發(fā)送給監(jiān)測中心，并完善突發(fā)預(yù)警機制,，實現(xiàn)無人值守的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測,。
    物流中心的監(jiān)測界面顯示了當前監(jiān)測中心的固定IP地址和進行數(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，將實時接收的定位數(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，車載終端初次啟動和網(wǎng)絡(luò)信號較弱時系統(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)時延小,、定位快速的特點，可滿足車載終端與監(jiān)測中心通信實時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,，有效維護了貨物運輸在途參數(shù)安全等問題。

    本系統(tǒng)采用先進的RFID技術(shù),、GPS技術(shù),、GPRS技術(shù)及溫濕度傳感技術(shù),實現(xiàn)冷鏈運輸過程中將食品溫度變化記錄在“帶溫濕度傳感器的RFID標簽”上，實時上傳到監(jiān)控中心平臺,提供及時準確的溫濕度監(jiān)測,從而掌控了生鮮食品的運輸在途參數(shù),；能在必要時及時發(fā)出預(yù)警,有效降低了生鮮食品冷鏈運輸過程中的損耗,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,信息追溯困難等問題,。系統(tǒng)具有成本低、功耗低,、實時性,、擴展性良好的特點，提高了冷鏈運輸車的實時監(jiān)測能力,，在提高食品運輸品質(zhì)的同時,降低了食品損耗和供應(yīng)鏈中的投資成本,。
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