基于GNSS的物流信息跟蹤系統(tǒng)設(shè)計

尹海博，徐 熊，郭 杭

基于GNSS的物流信息跟蹤系統(tǒng)設(shè)計

尹海博1,2，徐 熊2，郭 杭1,2

（1. 南昌大學(xué)空間科學(xué)與技術(shù)研究院，南昌 330031；2. 南昌大學(xué)信息工程學(xué)院，南昌 330031）

針對現(xiàn)代生活中快遞在運(yùn)輸過程中出現(xiàn)的丟失、損壞，客戶對重要包裹在運(yùn)送途中的擔(dān)心等問題，提出一種基于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）的物流信息跟蹤系統(tǒng)設(shè)計?；谇度胧綄崟r操作系統(tǒng)，以STM32L151RCT6單片機(jī)為主控模塊，驅(qū)動傳感部分（GNSS位置傳感器、溫濕度傳感器、加速度傳感器）采集包裹的各項物流信息，并通過窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）通信將物流信息傳輸至快遞公司的物聯(lián)網(wǎng)云平臺；用戶通過Web網(wǎng)頁即可查詢包裹的物流信息，包括精確位置、溫濕度、運(yùn)動狀態(tài)等。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠完成對包裹信息的跟蹤和穩(wěn)定上傳，其定位跟蹤精度在2.5 m以內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)對快遞包裹的集中化、規(guī)?；芾怼?/p>

物流跟蹤；窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信；全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；單片機(jī)；嵌入式實時操作系統(tǒng)

0 引言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GNSS）是能在地球表面或近地空間的任何地點為用戶提供全天候的三維坐標(biāo)和速度以及時間信息的空間無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)[1]，正廣泛應(yīng)用于交通、測繪、大地測量、氣象預(yù)報等領(lǐng)域，已經(jīng)成為人們正常生活中不可缺少的一部分。高德地圖、餓了么、滴滴打車、去哪兒等與人們生活息息相關(guān)的軟件都在使用衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)[2]。

隨著交通運(yùn)輸行業(yè)和電子商業(yè)的蓬勃發(fā)展，快遞運(yùn)輸?shù)钠占岸仍絹碓礁?，快遞運(yùn)輸在帶來便利的同時也存在缺陷[3]。包裹在運(yùn)送過程可能存在丟失、損壞等問題，不僅對用戶產(chǎn)生損失，同時對快遞公司的正常運(yùn)轉(zhuǎn)也產(chǎn)生了很大的影響。對于重要包裹的丟失、損壞，顯然是快遞公司和用戶雙方都不愿發(fā)生的事情。

文獻(xiàn)[4]利用差分全球定位系統(tǒng)（differential global positioning system，DGPS）和電子感應(yīng)技術(shù)，設(shè)計了魚雷罐車定位跟蹤系統(tǒng)，能有效地把魚雷罐車的各種信息都匯總起來。文獻(xiàn)[5]以ATmega128A單片機(jī)和MPU6050位核心器件，設(shè)計了基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system, BDS）衛(wèi)星的定位與跟蹤系統(tǒng)，利用卡爾曼濾波算法來優(yōu)化外界對目標(biāo)定位跟蹤的干擾。文獻(xiàn)[6]基于全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）衛(wèi)星及BDS衛(wèi)星，設(shè)計了一款針對移動目標(biāo)的高精度定位與跟蹤系統(tǒng)，由ATGM331模塊實現(xiàn)GNSS定位，系統(tǒng)主要包括核心處理單元、全球移動通信網(wǎng)絡(luò)（global system for mobile communication, GSM）、地理信息系統(tǒng)（geographic information system, GIS）。

針對包裹在運(yùn)輸過程中出現(xiàn)的問題，本文提出一種基于GNSS的物流信息跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)是將衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)通信融為一體的嵌入式系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對包裹的定位跟蹤與狀態(tài)監(jiān)測，可以有效解決包裹丟失與損壞的問題，降低用戶與快遞公司的損失，為解決用戶與快遞公司之間的利益糾紛提供途徑。

1 總體方案

總體方案如圖1所示。該系統(tǒng)由主控芯片、傳感部分、GNSS定位模塊、電源模塊、一維碼掃描器、有機(jī)發(fā)光二極管（organic light-emitting diode, OLED）顯示屏、按鍵等組成。主控模塊選用STM32L151RCT6芯片，負(fù)責(zé)控制和驅(qū)動整個系統(tǒng)的運(yùn)行。傳感部分由MPU6050運(yùn)動狀態(tài)傳感器、DHT11溫濕度傳感器、DS18B20溫度傳感器組成，實時采集包裹的運(yùn)動狀態(tài)、溫濕度信息。一維碼掃描器完成包裹與物流信息跟蹤系統(tǒng)的綁定，綁定之后系統(tǒng)開始實時跟蹤該包裹。OLED顯示屏對物流信息進(jìn)行實時顯示。供電模塊為鋰電池充放電電路，為系統(tǒng)提供3.3 V的工作電壓。GNSS定位模塊選用移遠(yuǎn)通信公司研發(fā)的BC20模塊，完成對包裹的實時定位和窄帶物聯(lián)網(wǎng)（narrow band internet of things, NB-IoT）通信。

圖1 總體示意圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

1）主控模塊電路設(shè)計。圖2為主控制器電路，包括時鐘電路、復(fù)位電路、電源電路、下載電路，是處理器正常運(yùn)行的必要條件[7]。時鐘電路、復(fù)位電路和電源電路構(gòu)成的系統(tǒng)也稱為單片機(jī)最小系統(tǒng)，下載電路用于給主控芯片燒錄程序。主控制器采用3.3 V的供電。連接STM32-OSC-IN和STM32-OSC-OUT引腳的為時鐘電路，由8 MHz的晶振、兩個22 pF的電容、1 MΩ的電阻組成，為處理器提供時鐘信號。與STM32-NRST引腳相連接的為復(fù)位電路，復(fù)位電路由10 kΩ的電阻、按鍵、電容組成。程序下載電路主要由串行線時鐘（serial wire clock, SWCLK）接口和串行線數(shù)據(jù)（serial wire data, SWDAT）接口組成，其中VCC（volt current condenser）為電源端，GND（ground）為接地端。

2）電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)計。BC20模塊與微處理器通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，由于BC20與微處理器接口協(xié)議里面定義的電平不同，這里使用TXB0104芯片設(shè)計電平轉(zhuǎn)換接口（圖3），它是一款帶自動方向檢測和靜電釋放（elestro-static discharge, ESD）保護(hù)功能的雙向電壓電平轉(zhuǎn)換器[8]，A端口支持1.2～3.6 V電壓，B端口支持1.65～5.5 V電壓，A端電壓不得大于B端。當(dāng)輸出使能端（output enable，OE）輸入為低電平時，所有輸出均處于高阻抗?fàn)顟B(tài)。為確保在上電或掉電期間均處于高阻抗?fàn)顟B(tài)，必須將OE通過下拉電阻接地。驅(qū)動器的拉電流能力決定該電阻的最小值[9]。該芯片被設(shè)計成OE輸入電路由模擬電源（volt current condenser analog，VCCA）供電。將BC20模塊的主串口和調(diào)試（debug，DBG）串口同時連接到TXB0104電平轉(zhuǎn)換器，其中DBG串口連接A1、A2引腳，主串口連接A3、A4引腳，將STM32微處理器的PB11、PB10引腳與TXB0104芯片的B1、B2引腳連接，PA2、PA3與B3、B4連接。

圖3 TXB0104電平轉(zhuǎn)換電路

3）傳感電路設(shè)計。本系統(tǒng)涉及到的傳感器分別為溫度傳感器DS18B20、濕度傳感器DHT11、六軸運(yùn)動傳感器MPU6050。DS18B20的數(shù)據(jù)傳輸接口與STM32單片機(jī)的PB4相連接，測溫范圍為-55～+125℃，測溫分辨率達(dá)0.5℃。DHT11的數(shù)據(jù)傳輸接口與STM32的PB5連接，濕度測量范圍為20%～90%相對濕度（relative humidity, RH），工作電壓3.3～5.5 V直流。MPU6050運(yùn)動傳感器與STM32之間通過集成電路總線（inter-integrated circuit，IIC）通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其中SCL（system clock line）為系統(tǒng)時鐘線，SDA（serial data line）為串行數(shù)據(jù)線。MPU-6000可在（2.5± 2.5×5%）V、（3.0±3.0×5%）V或（3.3±3.3×5%）V這3種供電電壓下工作。傳感器電路設(shè)計的原理圖如圖4所示。

4）電源電路設(shè)計。圖5是鋰電池充電電路，由TP4056、電阻、發(fā)光二極管、電容組成，其中BAT（battery terminal）為電源終端，CE（chip enable）為芯片使能輸入端。TP4056是單節(jié)鋰離子電池，采用恒定電流電壓線性充電器，充電電壓固定于

圖4 傳感器電路設(shè)計

4.2 V，而充電電流可通過一個電阻器進(jìn)行外部設(shè)置，當(dāng)充電電流達(dá)到最終浮充電壓之后降至設(shè)定值1/10時[10]，TP4056將自動終止充電循環(huán)；當(dāng)輸入電壓被拿掉時，TP4056自動進(jìn)入一個低電流狀態(tài)，將電池漏電流降至2 μA以下。圖6為鋰電池放電電路，將4.2 V的電壓經(jīng)過濾波、整流、降壓變成3.3 V的直流電壓。當(dāng)開關(guān)S1接通時，4.2 V的電壓輸出，從EN（enable）引腳輸入到RT2。C9、C11為濾波電容，R4、R11、R17為分壓電阻。電感的作用為“通直流、阻交流”，二極管起保護(hù)電路的作用。

圖5 鋰電池充電電路設(shè)計

圖6 鋰電池放電電路設(shè)計

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 主程序設(shè)計

軟件設(shè)計是基于開源實時操作系統(tǒng)（free real-time operating system, FreeRTOS），作為一個輕量級的操作系統(tǒng)，功能包括：任務(wù)管理、時間管理、信號量、消息隊列、內(nèi)存管理、記錄功能等，任務(wù)調(diào)度機(jī)制是其核心技術(shù)，調(diào)用開始任務(wù)函數(shù)，即可開始所有任務(wù)（子程序），實現(xiàn)任務(wù)同步進(jìn)行。主程序流程如圖7所示，進(jìn)入主程序，先對串口、定時器、延時函數(shù)、中斷優(yōu)先級等進(jìn)行初始化設(shè)置，隨即獲取BC20窄帶物聯(lián)網(wǎng)模塊接收的命令，識別包括鑒權(quán)應(yīng)答、綁定/解除綁定設(shè)備、喚醒設(shè)備、數(shù)據(jù)上傳等在內(nèi)的8個命令，通過判斷Comd和Clock1-flag的當(dāng)前值來識別BC20模塊接收到的指令，從而完成相應(yīng)的操作。

圖7 主程序流程

3.2 定位模塊程序設(shè)計

BC20定位使用輔助全球定位系統(tǒng)（assisted global positioning system，AGPS）技術(shù)。AGPS是由外界提供接收機(jī)信號捕獲與定位所需信息數(shù)據(jù)的方式和技術(shù)，通過獲取遠(yuǎn)程服務(wù)器上的星歷數(shù)據(jù)，終端將獲取到的輔助數(shù)據(jù)注入到GNSS芯片中，提高定位的速度。先對BC20模塊進(jìn)行初始化，如串口通信波特率的設(shè)置。初始化完之后，單片機(jī)發(fā)送AT+QGNSSC=1命令開啟GNSS功能，開始進(jìn)行定位工作，確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)連接，網(wǎng)絡(luò)連接正常后，通過AT+QGNSSAGPS=1命令使能AGPS，BC20開始從遠(yuǎn)程服務(wù)器處獲取星歷數(shù)據(jù)、偏差改正參數(shù)等，聯(lián)合進(jìn)行定位。部分應(yīng)用于終端設(shè)備與PC應(yīng)用之間的連接與通信指令（AT指令）及其含義如表1。最后，通過DBG串口將美國國家海洋電子協(xié)會（National Marine Electronics Association, NMEA）統(tǒng)一的GPS協(xié)議格式的數(shù)據(jù)打包傳輸給STM32單片機(jī)。圖8為定位子程序流程圖。

表1 BC20模塊部分AT指令及對應(yīng)功能

圖8 GNSS定位程序流程

3.3 NB-IoT通信模塊程序設(shè)計

圖9為NB-IoT通信子程序流程圖。本系統(tǒng)中的NB-IoT通信集成在BC20模塊上，BC20模塊支持標(biāo)準(zhǔn)的NMEA0183協(xié)議，其協(xié)議格式如表2。NB-IoT有3種工作模式：省電模式、不連續(xù)接收模式、擴(kuò)展不連續(xù)接收模式?？紤]本系統(tǒng)定位的實時性，所以選用實時性較好的不連續(xù)接收工作模式[11]。該模式的周期為1.28 s，其間包括連接（Connect）和空閑（IDLE）2個狀態(tài)的切換。用戶在IDLE狀態(tài)時，每個不連續(xù)接收周期監(jiān)聽一次尋呼信道，檢查是否有下行業(yè)務(wù)到達(dá)[12-13]。若有，則觸發(fā)用戶設(shè)備建立空口連接，然后再轉(zhuǎn)發(fā)下行數(shù)據(jù)包，主控制器可通過AT命令喚醒NB-IoT模塊向云服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖9 NB-IoT通信流程圖

表2 NMEA數(shù)據(jù)包協(xié)議

3.4 用戶端網(wǎng)頁設(shè)計

物流信息查詢網(wǎng)頁的設(shè)計分為用戶和管理員兩部分。首次登錄的用戶需要注冊，登錄后界面會顯示多個包裹的物流信息，用戶輸入訂單號即可查詢到自己的包裹信息。對于已經(jīng)簽收的包裹，管理員可以對包裹信息進(jìn)行手動刪除。網(wǎng)頁設(shè)計內(nèi)容如圖10所示。

圖10 網(wǎng)頁功能設(shè)計

4 系統(tǒng)調(diào)試

首先，將終端設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)云平臺進(jìn)行對接。步驟分為設(shè)置終端設(shè)備標(biāo)識號（identification，ID）、需要對接物聯(lián)網(wǎng)平臺的地址與端口號、頻段、核心網(wǎng)（access point name，APN）、終端入網(wǎng)；查詢終端是否獲取到核心網(wǎng)分配的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（internet protocol，IP）地址[14-15]，如果獲取到IP地址，表示終端入網(wǎng)成功，對接完成。然后，手持設(shè)備進(jìn)行測試，用電腦端打開web網(wǎng)頁，查詢設(shè)備信息。

圖11為物流跟蹤系統(tǒng)成品。圖12為物流公司的物聯(lián)網(wǎng)云平臺展示的數(shù)據(jù)，包括包裹的寄出時間、溫濕度情況、震動情況、經(jīng)緯度信息以及終端的電量情況等。其中，2019年起為調(diào)試過程中所測得到的數(shù)據(jù)，其經(jīng)緯度符合當(dāng)時快遞所在區(qū)域，震動情況、溫度、電量等也都正常，當(dāng)電量過低時，發(fā)出了相應(yīng)的警告標(biāo)志。但是出現(xiàn)了3次溫度為0的情況，考慮可能是因為監(jiān)測儀震動導(dǎo)致DS18B20與STM32接觸不良，STM32無法穩(wěn)定獲取到溫度數(shù)據(jù)。將DS18B20傳感器重新與STM32焊接，重新調(diào)試，測試結(jié)果如圖12中2020年所示，溫度、震動情況、經(jīng)緯度全都在正常范圍內(nèi)，能夠完成對快遞包裹的穩(wěn)定跟蹤。

圖11 物流跟蹤系統(tǒng)

圖12 物流信息展示

經(jīng)過多個經(jīng)緯度數(shù)據(jù)計算，得出3個方向的位置誤差在2.5 m以內(nèi)。東北天3個方向的偏差曲線如圖13所示，定位結(jié)果較為準(zhǔn)確，滿足對包裹位置跟蹤的要求。測試表明，該系統(tǒng)基本能夠完成運(yùn)送過程中對物流信息的穩(wěn)定跟蹤和數(shù)據(jù)上傳。

圖13 東北天方向偏差曲線

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于GNSS的物流信息跟蹤系統(tǒng)設(shè)計，以STM32L151RCT6為主控制器，利用NB-IoT通信將包裹的位置信息、溫濕度信息、運(yùn)動狀態(tài)等穩(wěn)定上傳至遠(yuǎn)程服務(wù)器，用戶從web網(wǎng)頁可以實時查詢包裹的物流信息。經(jīng)測驗，該系統(tǒng)能夠完成對包裹信息的跟蹤和穩(wěn)定上傳，其定位跟蹤精度在2.5 m以內(nèi)，為用戶的財產(chǎn)安全提供了保障，為快遞公司物流的正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供了保證，為規(guī)?；⒓谢芾砜爝f包裹提供了途徑。

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Design of logistics information tracking system based on GNSS

YIN Haibo1,2, XU Xiong2, GUO Hang1,2

（1. Institute of Space Science and Technology, Nanchang University，Nanchang 330031, China; 2. School of Information Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031, China）

Aiming at the loss and damage of express delivery in the transportation process in modern life, and the customer’s worry about important packages in transit, a logistics information tracking system design based on the Global Navigation Satellite System (GNSS) was proposed. Based on the embedded real-time operating system, the STM32L151RCT6 single-chip microcomputer was the main control module, which drived the sensing part (GNSS position sensor, temperature and humidity sensor, acceleration sensor) to collect various logistics information of the package, and logistics information was transmited to the cloud platform of the internet of things of the express company through the Narrow Band Internet of Things (NB-IoT) communication. Users could query the logistics information of the package through the web page, including the precise location, temperature and humidity, and movement status. The test results showed that the system could complete the tracking and stable upload of package information, and its positioning and tracking accuracy was within 2.5 meters, which could realize centralized and large-scale management of express packages.

logistics tracking; narrow band internet of things communication; global navigation satellite system; microcontroller unit; embedded real-time operating system

P228

A

2095-4999(2021)06-0096-08

尹海博，徐熊，郭杭. 基于GNSS的物流信息跟蹤系統(tǒng)設(shè)計[J]. 導(dǎo)航定位學(xué)報, 2021, 9(6): 96-103.（YIN Haibo, XU Xiong, GUO Hang. Design of logistics information tracking system based on GNSS[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2021, 9(6): 96-103.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20210615.

2021-01-08

國家自然科學(xué)基金資助項目（41764002）。

尹海博（1997—），男，湖南湘潭人，碩士研究生，研究方向為GNSS導(dǎo)航定位。

郭杭（1960—），男，江西南昌人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為GNSS導(dǎo)航定位。