物联网技术基础物流追踪

物流追踪技术一．背景介绍现代物流是国民经济的基础之一，已被认为是企业在降低物质消耗、提高劳动生产率之外创造利润的第三重要源泉，极大地降低了生产成本。但是目前物流运输的营运水平普遍不高，给工商制造企业的发展带来了很大不便，产品脱销、订单流失、货物失窃等事件时常发生。物流追踪技术作为物流增值服务的一种实现方式和物流过程可视化的重要手段。在应用方面，首先，物流追踪技术的应用领域进一步拓展。在运输货物和车辆追踪方面，追踪技术开始应用于多式联运，实现多式联运货物全程追踪。物流追踪技术也进一步延伸到仓储和生产物流中，基于条码的仓储货物识别和生产物流中的货物识别应用得到了进一步发展。同时基于射频的物流追踪技术在医药、零售等行业开始示范应用。其次，物流追踪技术应用开始深入到物流与供应链的多个环节中，包括仓储、运输、配送和生产物流等作业中，呈现出追踪全程化、可视化的发展趋势，实现整个作业过程的实时追踪和可视化[1]。在技术研究方面，物流追踪技术的研究主要集中在多种追踪技术融合、追踪数据的异构共享、追踪数据的链式查询等方面。国家“十五”攻关项目“多式联运下物流追踪关键技术研究开发”等一批研究项目已经通过验收。1.多种追踪技术融合。物流追踪技术从传统的以GPS/GIS为主体技术，转向GPS、GIS、GPS、蓝牙技术、条码技术、射频技术等多种追踪相关技术的融合，同时追踪技术与运输管理系统、仓储管理系统、配送管理系统、企业管理信息系统等管理信息系统呈现出进一步的集成。2.追踪数据的异构共享。追踪数据来自于多个业务环节和多种信息系统，其数据的格式和内容具有比较强的异构性，目前主要采用XML技术实现异构数据的共享。XML技术将异构数据转换为结构化的数据格式，实现信息的共享。3.追踪数据的链式查询。链式查询实现物流过程全程追踪中多数据库之间的数据级联接查询。实现方式有同系统非异构链式查询和异系统跨平台链式查询两种。展望2014年，物流追踪技术的应用将进一步在供应链的采购、运输、仓储等环节上得到应用，同时以射频技术为代表的物流追踪技术将在医药、汽车、零售等行业进一步得到应用。同时，射频技术、追踪数据的异构技术、追踪技术与管理信息系统的集成技术在研究方面会得到重视[1]。二．功能描述①微控制器MCU：是一種具備了處理器、記憶體、週邊I/O等功效的內嵌型控制晶片②RFID：是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。RFID（射频身份识别）是一种非接触式的自动识别技术由比米粒还小的感应标签和一套读写装置组成感应标签由一个与硅片粘在一起的简易天线和内置封装玻璃或塑料模块组成它的工作原理非常简单先是集成电路向读写器发出信号读写器收到信号后产生一定的电场或磁场该磁场或电场又和标签内的装置产生相互作用使标签内部产生一定的电流进而形成不同的电压产生由“0”或“1”来表示的信号这些信号又被读卡器转换成数字信号由集成电路识别出来[4]。③GPS：一种具有全方位、全天候、全时段、高精度的卫星导航系统，能为全球用户提供低成本、高精度的三维位置、速度和精确定时等导航信息。④GPRS：是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。[5]工作流程：带有电子铅封或者电子标签的物品装车时,RFID读写器将所有装车的物品进行扫描,扫描完成后将物品的基本信息和GPS地理位置信息通过微控制器进行数据处理后,将处理后的信息通过GPRS传输方式传输到监管平台服务器,监管平台服务器将采集到的物流信息存入数据库,可以通过访问数据库进行物流信息的查询[3]。三、可行性分析采用微控制器MCU，各功能部件集成在一块晶体芯片上，集成度很高，体积最小的。内部布线很短，其抗工业噪音性能优于一般通用的CPU。单片机程序指令，常数及表格等固化在ROM中不易破坏，许多信号通道均在一个芯片内，可靠性高。分支转移能力，I/O口的逻辑操作及位处理能力，非常适用于专门的控制功能。低电压，低功耗，便于便携。采用RFID，非接触操作，长距离识别（几厘米至几十米），因此完成识别工作时无须人工干预，应用便利；无机械磨损，寿命长，并可工作于各种油渍、灰尘污染等恶劣的环境；可识别高速运动物体并可同时识别多个电子标签[2]；它与RF条码技术比较，RFID技术具有如下图的优势：采用GPS，毋庸置疑，定位精度高，观测时间短，测站间无须通视，可提供三维坐标，操作简便，全天候作业，在这次的方案设计上是不可或缺的。它所具备高精度定位的特点，大大提升了测量的精确性。各个点可以直接从GPS卫星发出的讯号中获取其所需的三维定位信息。GPS定位精度可以达到0.1～0.0lppm，而且可以保持精度十分均匀；布点更灵活，不受太多的条件限制，只需要满足站点上空的视野开阔就可以；还具备适应性很强和操作更简便的优势[6]。采用GPRS，它是分组交换技术，具有“实时在线”、“按量计费”、“快捷登录”、“高速传输”、“自如切换”的优点。与GSM比较,GPRS有具有的技术优势：GPRS是在GSM基础上发展起来的一种分组交换的数据承载和传输方式，与原有的GSM比较，GPRS在数据业务的承载和支持上具有非常明显的优势：更有效的利用无线网络信道资源，特别适合突发性、频繁的小流量数据传输；支持的数据传输的速率更高，理论峰值达115kbps；计费方式更加灵活，可以支持按数据流量来进行计费；GPRS还能支持在进行数据传输的同时进行语音通话等等。四、方案设计1.车载终端处理器设计该处理器运用STM32F103RBT6，它是物流追踪系统车载终端的MPU和软件运行的平台,STM32F103是32位标准RISC嵌入式微处理器,该类处理器工作频率为72MHz,内置128kB的FLASH存储器和20kB的SRAM,存储器支持CF卡、SRAM、PSRAM、NOR和NAND存储器,内嵌串行单线JTAG调试接口,内嵌跟踪模块(ETM),可以提供芯片运行时清晰的指令运行与数据流动的信息,拥有睡眠,停机,待机模式3种低功耗模式。该信息采集终端配置了u-Blox公司的NEO-5Q高性能GPS芯片、RFID读写器部分、西门子公司的GPRS模块MC52i、液晶显示部分和SD卡等。物流车接到运输任务后就通过车载终端的人机界面和按键启动车载终端并于监管平台连接,进行登记。在装载过程中读取所有物品标签并与监管平台进行校对。然后在运输过程中与监管平台不断进行通信传输平台需要的信息。2.GPS模块设计为了满足高精度定位的要求,物流追踪车载终端采用NEO-5QGPS模块接受定位信息。由瑞士u-Blox公司推出的采用最新的第五代定位引擎u-Blox5,该模组具有50个通道的u-Blox引擎,100多万个有效相关器,能够同步追踪GPS和Galileo的导航卫星信号,热启动和辅助启动首次定位时间小于1秒。同时支持AssistNowOnline和AssistNowOffice等A-GPS功能。该GPS芯片工作电压的范围为2.7~3.6V,在实际设计中采用AMS117-3.3为其提供3.3V稳定电源。其定位数据支持NMEA-0183协议和UBX二进制。NEO-5Q的TXD引脚和RXD引脚分和STM32F103RBT6的RXD2和TXD2连接在一起。该模块支持UART、USB、I2C和SPI接口的数据输入输出,其中UART默认波特率为9600,8位数据位,无奇偶校验位。NEO-5Q能够提供达4Hz的定位跟新速率,其定位跟新速率和定位数据输出格式均可使用软件进行设置。在本设计考虑到实用性和低功耗的原则,设置其定位跟新速率为1Hz,输出协议为NMEA0183,输出格式为GPRMC(建议使用最小GPS定位信息)。GPS芯片在搜索到有效卫星情况下,还能够为系统提供精确地授时服务。3.GPRS模块设计车载终端选用的GPRS通信模块是西门子的MC52i,该模块是一款双频的GSM/GPRS模块,内嵌TCP/IP协议栈;具有快速GPRS技术,该模块体积小、重量轻、功耗低,支持数据、语音、短信息和传真等功能,AT命令控制符合GSM07.05,工作频率在900/1800MHz。MC52i支持的电压范围是3.3~4.4V,电流消耗在睡眠状态是3.0mA,在闲置的状态下是10.0µA,在通话状态下电流消耗是300mA,最高时可达到2.0A,在掉电状态下电流仅为100µA。功率在900MHz时是2W,在1800MHz时是1W。数据特征为CSD最大达到14.4kbps、USSD、不透明模式。该模块使用方便具备电源接口,1.8V/3.0VSIM卡接口,全双工UART接口,TTL输出,50欧姆天线连接器。MC52i的TXD引脚和RXD引脚分和STM32F103RBT6的RXD和TXD连接在一起。该模块支持UART接口的数据输入输出,其中UART默认波特率为9600,8位数据位,无奇偶校验位。4.RFID模块设计分析RFID模块主要是采用通道式读写器和电子标签通信的方式,检查电子标签的变动信息,将电子标签的变动信息传输到CPU,进行数据分析处理后通过GPRS模块将需要传送的信息传送到监管平台。RFID标签,也称智能标签,由于其一系列优点,正得到越来越广泛的应用。通常是由印刷层、芯片层与底层构成。芯片层在印刷层与底层之间,是标签的核心部分,芯片层不能承受印刷压力,因此通常的做法是先印好印刷层,做好底层,再与芯片层复合。智能标签是一种非接触式的自动识别技术,识别工作无须人工干预。它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据,与条形码相比,智能标签是可擦写的,非接触性的,可同时读取,数据存储容量大,且包含的是单个产品的信息。按照频率划分,包括125kHz、13.56MHz、9.15MHz、2.45GHz、5.8GHz。本系统采用的是一种无源RFIDH4006芯片。其基本性能如下:工作频率范围为10~15兆赫兹,通常选用13.56MHz来进行身份识别。片内有一个64位可编程存储器,可用于存储相关信息。H4006的信息传输方式采用负载调制,编码为密勒码,数据传输速率为26484波特(亦可为其他速率,但需预先选定)。由于H4006内含谐振电路和电源滤波电容,因而使用更方便。H4006在无线方式下为只读存贮卡,其编程采用在线编程方式。RFID模块中另一个重要的部分是高频多通道读写器,本系统选用的是捷通的四通道高频读写器,该读写器能够一次识读200个标签,将该读写器装载物流车厢顶部即可,通过485总线的方式与控制器相连接。5.物流监管平台设计物流监管平台主要是GPRS接收模块和服务器组成,GPRS模块将接收到的物流信息上传到服务器,服务器进行数据分析后存入数据库,同时服务器也可以接收到客户的访问需求,实时下发信心查询物流车和货物的动态信息。6.车载物流终端的程序设计物流车载终端设备在开机后进行初始化,初始化包括GPS初始化、GPRS初始化、RFID初始化3个部分,初始化正常后进入while循环等待上位机的中断请求,当上位机出现中断请求时,控制器采集GPS模块和RFID的数据,通过GPRS模块上传到上位机平台,上位机平台对采集来的数据进行分析处理,检查是否出现异常变动情况。当上位机没有中断请求时,车载中断控制器进行计时等待,等到规定时间后自动采集GPS模块的地理位置信息和RFID的标签信息,将采集到的信息上传到上位机平台。6.总结讨论对于当今物流过程中的贵重物品丢失和物流信息无法实时性采集的问题，比如空运旅客的行李或者货物等问题，可以通过该系统能够对贵重物品在物流过程中实时监控,一旦出现异常情况,能够及时报警通知物流人员,减少贵重物品和危险品的丢失。在接下来的研究中不仅将物流信息实时的上传到物流监管平台,更进一步的与顾客进行信息沟通,使顾客能够实时了解并监管自己物品的物流过程,是物流行业更加安全,操作更加高效。参考文献：[1]纪寿文,物流追踪注重多技术集成,物流技术与应用,2006-01-05[2]徐文伟,RFID在药品物流追踪中的应用,海峡药学,2012-03-15[3]李永刚,马