徐文博，趙利,，黃書(shū)婷,，劉小康
　?。ü鹆蛛娮涌萍即髮W(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004）

       摘要：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)各類車(chē)輛的有效調(diào)度,、協(xié)調(diào)控制和管理,，提高物流運(yùn)輸?shù)男屎桶踩裕槍?duì)物流系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境,，基于STM32微控制器設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種北斗導(dǎo)航與通信一體化的智能車(chē)載網(wǎng)絡(luò)終端,。該終端以STM32F103ZET6微控制器為核心，由北斗定位模塊UM220,、GPRS模塊SIM900A和ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊組成,。其中，UM220模塊負(fù)責(zé)接收北斗衛(wèi)星信號(hào)定位,；SIM900A模塊與物流中心通信,；無(wú)線ZigBee模塊用于傳輸車(chē)載物流相關(guān)信息。實(shí)驗(yàn)表明,，該終端能自動(dòng)完成車(chē)載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的采集,、處理和傳輸?shù)裙δ埽瑵M足物流環(huán)境下的應(yīng)用需求,。
　　關(guān)鍵詞：一體化;物流;北斗定位; ZigBee　　

0引言
　　隨著我國(guó)物流業(yè)的快速發(fā)展,，智能物流管理系統(tǒng)受到廣泛重視，對(duì)車(chē)輛精確監(jiān)控與調(diào)度的需求也越來(lái)越迫切［1］,。國(guó)內(nèi)外眾多車(chē)輛監(jiān)控研究機(jī)構(gòu)和公司廠商都已將嵌入式車(chē)輛監(jiān)控系統(tǒng)作為研究開(kāi)發(fā)的重點(diǎn),。
　　目前，市面上的車(chē)載終端產(chǎn)品受不同車(chē)型和應(yīng)用場(chǎng)景的限制,通用性較差,，有的僅支持車(chē)輛定位,，功能單一；終端設(shè)備之間無(wú)法方便地組建車(chē)載網(wǎng)絡(luò),，不能靈活采集各類車(chē)載信息,應(yīng)用難以擴(kuò)展,；各個(gè)終端及設(shè)備之間的通信沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，難以互聯(lián)互通［2］,。
　　針對(duì)現(xiàn)有車(chē)載終端及應(yīng)用存在的問(wèn)題,，本文開(kāi)發(fā)了一種基于STM32的北斗定位與通信一體化的智能車(chē)載網(wǎng)絡(luò)終端。該終端以STM32F103ZET6微控制器為核心,，通過(guò)片上三個(gè)串口分別控制UM220,、SIM900A和ZigBee模塊。UM220模塊負(fù)責(zé)接收北斗衛(wèi)星信號(hào),，對(duì)車(chē)輛實(shí)時(shí)定位,、跟蹤。利用國(guó)內(nèi)北斗的定位技術(shù)可以擺脫依賴國(guó)外導(dǎo)航的潛在危害［3 4］，技術(shù)不再受制于人,。SIM900A和ZigBee均為無(wú)線通信模塊,，SIM900A模塊利用現(xiàn)有GPRS移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備與車(chē)載平臺(tái)中心站之間定位,、跟蹤,、控制等信息以及物聯(lián)網(wǎng)信息的傳遞與交互操作；ZigBee則通過(guò)短距無(wú)線接口方式［5 6］,，與各種應(yīng)用傳感器（例如：條碼掃描器,、RFID、攝像頭,、溫度傳感器等）和手持式應(yīng)用終端連接,，組成車(chē)載信息網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用信息的感知和采集,。

　1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與總體方案設(shè)計(jì)
　　系統(tǒng)主要由定位通信一體化終端以及物流控制和數(shù)據(jù)中心兩部分組成,。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)全天候向地面發(fā)送衛(wèi)星定位信號(hào),，定位與通信一體化終端接收衛(wèi)星信號(hào),，獲取定位信息，并連同其他所采集的信息,，按協(xié)議通過(guò)GPRS無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)回控制和數(shù)據(jù)圖1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖中心,。控制和數(shù)據(jù)中心是系統(tǒng)控制,、通信與應(yīng)用的中心,，主要由前端數(shù)據(jù)無(wú)線收發(fā)設(shè)備、數(shù)據(jù)庫(kù),、監(jiān)控和管理平臺(tái)組成,。前端數(shù)據(jù)無(wú)線收發(fā)設(shè)備用于以無(wú)線方式與一體化終端完成各種通信操作；數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理,；監(jiān)控和管理平臺(tái)對(duì)于一體化終端進(jìn)行控制和管理以及數(shù)據(jù)庫(kù)管理。

2終端硬件設(shè)計(jì)
　　2.1終端硬件結(jié)構(gòu)
　　車(chē)載終端以STM32微控制器為核心,，總體架構(gòu)如圖2所示,，包含STM32處理控制模塊、電源模塊,、BD定位接收模塊,、SMS/GPRS模塊、ZigBee收發(fā)模塊及LCD顯示模塊,。終端的主電源為車(chē)輛電源,，終端內(nèi)應(yīng)具備可充電電池，當(dāng)終端失去主電源后，備用電池工作時(shí)間應(yīng)足夠終端向監(jiān)控中心報(bào)警或傳輸必要的數(shù)據(jù),。終端涉及的通信模塊較多,，需要根據(jù)各個(gè)不同的通信模塊設(shè)計(jì)專門(mén)的供電電源。STM32處理器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理及各個(gè)通信模塊間的調(diào)度,。SIM900A模塊負(fù)責(zé)將STM32傳來(lái)的消息回傳給監(jiān)控和管理平臺(tái),。利用覆蓋范圍廣泛的GPRS移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，可以穩(wěn)定可靠地實(shí)現(xiàn)終端與中心之間的通信,。信息的回傳以GPRS方式為主,，像報(bào)警類的重要信息則采用短消息方式。
　　另外,，車(chē)載終端硬件還包含一些外圍電路,，比如SD卡、EEPROM以及各模塊間的接口設(shè)計(jì),。制作好的字庫(kù)或者圖片信息放在SD卡里,，LCD觸摸屏就能夠任意顯示需要使用的漢字和圖片了。在實(shí)際應(yīng)用中,，終端應(yīng)具有斷電保護(hù)：當(dāng)終端斷電,，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。一些重要的終端參數(shù)初始化配置信息（比如：心跳間隔,、服務(wù)器TCP端口,、中心設(shè)定的監(jiān)聽(tīng)號(hào)碼等）存放在EEPROM存儲(chǔ)芯片中?；赟TM32的硬件系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)的接口有電源接口,、LCD接口、USB接口及串口,，串口波特率為9 600 b/s,，顯示屏采用34PIN軟排線與系統(tǒng)電路板連接。
　　2.2主要硬件模塊的選型及設(shè)計(jì)要點(diǎn)
　　2.2.1STM32核心微控制器
　　STM32處理器與各模塊間通信,，對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,，是整個(gè)終端最核心的部分。采用STM32F103xx系列MCU為核心,，STM32F103ZET6具有ARM Cortex-M3內(nèi)核,，片內(nèi)集成512 KB Flash、64 KB SRAM,、1個(gè)USB,、2個(gè)基本定時(shí)器、4個(gè)通用定時(shí)器,、2個(gè)高級(jí)定時(shí)器,、5個(gè)USART,、3個(gè)12位ADC、2個(gè)DAC,、3個(gè)SPI,、2個(gè)I2C、2個(gè)I2S,、1個(gè)SDIO接口,、1個(gè)CAN、1個(gè)FSMC總線（支持NOR,、NAND,、SRAM）、112個(gè)通用I/O口,。CPU主頻為72 MHz,，采用LQFP144封裝。該芯片的配置非常強(qiáng)大,，價(jià)格又十分實(shí)惠,。帶有的外部總線FSMC可以用來(lái)外擴(kuò)SRAM和連接LCD等，通過(guò)FSMC驅(qū)動(dòng)LCD,，可顯著提高LCD的刷屏速度,。
　　2.2.2UM220定位模塊
　　北斗定位接收模塊負(fù)責(zé)接收北斗衛(wèi)星信號(hào)，采用和芯星通公司的UM220北斗/GPS雙系統(tǒng)模塊,，具有尺寸小,、集成度高，功耗低的特點(diǎn),，可滿足各種定位需求,。UM220系列是和芯星通公司針對(duì)車(chē)輛監(jiān)控/導(dǎo)航、手持設(shè)備等應(yīng)用推出的北斗/GPS雙系統(tǒng)模塊,。UM220-III是UM220系列模塊的第三代產(chǎn)品,，能夠同時(shí)支持BD2 B1、GPS L1兩個(gè)頻點(diǎn),。UM220-III采用和芯星通公司完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“蜂鳥(niǎo)”低功耗GNSS SoC芯片,是目圖3車(chē)載終端主程序流程圖前市場(chǎng)上尺寸最小的完全國(guó)產(chǎn)化的北斗/GPS模塊,。該模塊集成度高、功耗低,，非常適合于集成在小型化的北斗終端上,。
　　2.2.3SIM900A通信模塊
　　SIM900A是SIMCOM推出的一款尺寸緊湊的GSM/GPRS通信模塊，采用SMT封裝,，基于STE的單芯片，采用ARM926EJ-S架構(gòu),，性能強(qiáng)大,，可以內(nèi)置客戶應(yīng)用程序,，廣泛應(yīng)用于車(chē)載跟蹤、車(chē)隊(duì)管理,、無(wú)線POS,、手持PDA、智能抄表與電力監(jiān)控等眾多方向,。該芯片性能穩(wěn)定,，外觀精巧，性價(jià)比高,。SIM900A采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口,，工作頻率為900 MHz~1 800 MHz, 內(nèi)嵌嵌入式TCP/UDP協(xié)議，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音,、短信,、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸；支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的短消息,，支持GPRS數(shù)據(jù)傳輸,，適用于2G通信網(wǎng)絡(luò)。模塊提供串行接口和SPI接口,，支持AT指令,。SIM900A功耗低、尺寸小,、價(jià)格低廉,，適合緊湊型產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。
　　2.2.4無(wú)線ZigBee模塊
　　短距通信模塊采用2.4 GHz IEEE 802.15.4無(wú)線ZigBee模塊（REX3DP型號(hào)）,，RF模塊采用天線外置方式,。模塊采用STM32W108xx系列芯片,，帶有ARM Cortex-M3內(nèi)核,，具有出色的射頻和低功耗微控制器性能，配置I/O,、模數(shù)轉(zhuǎn)換器,、定時(shí)器、SPI,、I2C和UART,，并支持RF4CE、IEEE 802.15.4 MAC軟件庫(kù),，帶有64~256 KB片上Flash存儲(chǔ)器和16 KB SRAM的器件,，采用VFQFN40、UFQFN48和VFQFN48封裝,。REX3DP是一款外形小巧,、高靈敏度的低功率ZigBee模塊,，符合IEEE 802.15.4ZigBee協(xié)議棧，支持自我修復(fù),、自我組織的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò),，進(jìn)而優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)流量并降低功耗，非常適合應(yīng)用于無(wú)線傳感,、控制及數(shù)據(jù)采集,。
　　2.2.5LCD觸摸屏
　　終端LCD顯示屏是駕駛員和車(chē)載終端之間的交互界面，駕駛員可以利用LCD與監(jiān)控中心進(jìn)行信息交互,。它可以顯示通信過(guò)程中的相關(guān)信息,，并可以通過(guò)觸摸式顯示屏輸入動(dòng)態(tài)IP地址直接進(jìn)行TCP連接。采用的LCD型號(hào)為2.8英寸的ALIENTEK TFTLCD,，該模塊支持65K色顯示,，分辨率為320×240，接口為16位的80并口,，自帶觸摸屏,。
3終端軟件設(shè)計(jì)
　　3.1軟件工作流程
　　終端的軟件主要包括：主控程序、北斗數(shù)據(jù)處理模塊,、SIM900A通信模塊以及ZigBee通信模塊,。具體軟件工作流程如圖3所示。

　　3.2關(guān)鍵軟件模塊的設(shè)計(jì)要點(diǎn)
　　3.2.1北斗數(shù)據(jù)接收與處理模塊
　　在硬件電路上,，UM220模塊與STM32的UART2相連,，每隔1 s發(fā)送一次指令，因此使用STM32的UART2中斷函數(shù)來(lái)處理接收的數(shù)據(jù)更為方便,。UM220每條NMEA指令都是一串以“MYM”開(kāi)始,、以“*”結(jié)束的字符串，不同指令的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度也不同,，正確存儲(chǔ)BDGGA和BDRMC指令是正確解析所需的經(jīng)緯度,、高度、速度和角度信息的前提,。
　　3.2.2SIM900A通信模塊
　　SIM900A模塊內(nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議和UDP協(xié)議,。為確保回傳信息的穩(wěn)定性和可靠性,，選擇TCP/IP協(xié)議進(jìn)行傳輸,。通過(guò)該模塊，可以很方便地進(jìn)行GPRS數(shù)據(jù)通信,。SIM900A模塊與處理器通過(guò)串口通信,，向模塊發(fā)送相應(yīng)的AT操作指令，就可以完成相關(guān)的配置,。與中心建立TCP連接之后,，便可利用命令“AT+CIPSEND”發(fā)送信息,。信息接收是通過(guò)串口自動(dòng)回傳的，因此雙方可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信,。
　　3.2.3ZigBee通信模塊
　　ZigBee模塊與處理器通信同樣是利用UART串口。對(duì)相應(yīng)串口配置好之后,，再對(duì)ZigBee模塊初始化,。由于ZigBee模塊每條消息具有與UM220模塊相同的結(jié)束標(biāo)志位，因此對(duì)ZigBee模塊的中斷處理函數(shù)可以參考UM220模塊的中斷處理函數(shù),。同時(shí),，ZigBee模塊和SIM900A模塊一樣，可以通過(guò)AT指令進(jìn)行操控,，實(shí)現(xiàn)其初始化,。本車(chē)載終端使用的是COO節(jié)點(diǎn)，手持終端則是路由節(jié)點(diǎn),。需要特別注意的是,，必須保證COO節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)處于相同的網(wǎng)絡(luò)PANID圖4車(chē)輛位置服務(wù).Net平臺(tái)通信界面
　　圖5終端定位信息及位置參數(shù)和相同的網(wǎng)絡(luò)信道才能正常通信。
　　3.3數(shù)據(jù)通信協(xié)議
　　為保證本車(chē)載終端與后臺(tái)中心之間通信的完整性及通用性,，提高通信的檢錯(cuò)能力,，必須有一套規(guī)范讓通信雙方共同遵守。就本終端而言,，通信協(xié)議嚴(yán)格遵守《道路運(yùn)輸車(chē)輛衛(wèi)星定位系統(tǒng)北斗兼容車(chē)載終端通訊協(xié)議技術(shù)規(guī)范》,。它規(guī)定了包括通信的格式、內(nèi)容以及對(duì)應(yīng)不同消息的應(yīng)答要求,，為車(chē)載終端和物流中心之間的通信提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的信息結(jié)構(gòu)規(guī)范,。
4終端驗(yàn)證與測(cè)試
　　首先給終端上電，燒錄預(yù)先寫(xiě)好的程序,，讓其完成端口配置及各模塊初始化,。同時(shí)，啟動(dòng)上位機(jī)中的Visual Basic.Net車(chē)輛位置服務(wù)平臺(tái),，并搭建好網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,，為終端提供一個(gè)穩(wěn)定的公網(wǎng)IP地址。當(dāng)終端成功連接到數(shù)據(jù)中心時(shí),，服務(wù)平臺(tái)便能與終端通信并實(shí)時(shí)監(jiān)控終端作業(yè),。各種通信數(shù)據(jù)通過(guò)平臺(tái)存入MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，方便后臺(tái)管理,。車(chē)輛位置服務(wù).Net平臺(tái)通信界面如圖4所示,。

通過(guò)平臺(tái)上位置查詢欄中如圖5所示的人機(jī)界面，可以看到電子地圖上通過(guò)終端定時(shí)上報(bào)的位置圖標(biāo)以及相應(yīng)的位置參數(shù),。由圖5可見(jiàn),，所注冊(cè)的車(chē)牌號(hào)為桂AGK898的車(chē)輛當(dāng)前?？吭诠鹆蛛娮涌萍即髮W(xué)附近。
5結(jié)束語(yǔ)
　　該智能車(chē)載網(wǎng)絡(luò)終端選用Cortex-M3內(nèi)核的處理器STM32F103ZET6,，結(jié)合定位模塊UM220和SIM900A,、ZigBee無(wú)線通信模塊，實(shí)現(xiàn)了在物流環(huán)境下的定位與通信的一體化應(yīng)用,。通過(guò)采用模塊化設(shè)計(jì),，有效降低了終端功耗，減小了終端體積?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明,，定位信息準(zhǔn)確，通信穩(wěn)定可靠,，易于擴(kuò)展應(yīng)用,。
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