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1、精品论文基于 STM32 的冷链物流车载终端的设计何仲勉，周慧玲（北京邮电大学自动化学院，北京 100876）5摘要：介绍了为冷链物流远程监控应用而设计的基于 STM32 的车载终端，该终端结合 Zigbee和 GPRS 传输技术，在嵌入式系统的支持下完成一系列数据采集、发送、存储和显示的功能。 经过实际的测试表明，该装置满足稳定性、可靠性的设计要求，可以应用在冷链物流远程监控系统中，同时还有良好的可扩展性。10关键词：冷链物流；STM32；Zigbee；GPRS中图分类号：TP277Design of Cold Chain Vehicle Terminal based on STM32HE
2、Zhongmian, ZHOU Huiling15(Automation School, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876) Abstract: This paper design a cold chain vehicle terminal based on stm32 which mainly used for remote monitoring. This terminal combine the Zigbee technology and GPRS technology, possess
3、multi-function including the collection, transmission, save and display of data under the support of embedded system. Final test indicate that the device realize the requirement of stability and20reliability, can be used in cold chain logistics and many other fields.Key words: cold chain logistics;
4、stm32; zigbee; gprs0引言冷链物流是以保护易腐食品发展起来的，被广泛应用于初级农产品、加工食品、生物制25品和药品等流通体系1，我国人口多，地域广，随着社会经济的发展和城市化进程的加快， 人们对于高质量食品的需求增幅很快，由此带来的巨大的冷产品市场需求必将大大促进我国 冷链物流的发展。但是目前我国冷链物流产业发展仍然处于起步阶段，与发达国家相比，硬 件配置不足，关键技术落后，各类设施陈旧，急需建立一个覆盖国内主要地区的完善的冷链 物流网络，为企业和消费者提供一个可控、可管、可信赖、可追溯的全方位物流服务，以节30约社会资源，提高人民生活质量。 冷链物流的核心在于温度的检测和控
5、制，要保证食品运输快速可靠，实时的跟踪监测很有必要，这需要对自动化控制技术与信息管理技术进行综合的应用和创新2。本文由此出发， 提出一款基于嵌入式技术的车载终端的设计方案，该装置能够实时采集和传送车上各类数 据，与监控中心的服务器总共组成一个远程监控系统，使冷链物流拥有快速的反应能力和高35效的管理能力，从而达到以信息技术推动冷链物流整体发展的目的。1整体设计方案1.1远程监控系统设计方案针对冷链物流的具体应用特征3，远程监控系统的监控对象是运输食品的温湿度变化情 况和车辆位置坐标，设计为三个部分：测温节点、车载终端和上位机监控中心，各部分协同40工作，共同完成多数据的采集、传输、分析、处理和
6、命令的发送、执行等操作。整体设计如作者简介：何仲勉（1987），男，研究生，嵌入式系统与测控网络通信联系人：周慧玲（1965-），女，教授，嵌入式系统与测控网络. E-mail: huiling- 6 -图 1 所示。图 1 远程监控系统整体设计测温节点部署在车辆冷藏库中需检测温湿度的关键位置，通过无线的方式进行通讯。节45点带有温湿度传感器，采集的温湿度数据实时发送到车载终端，用电池供电，空闲时处于休 眠状态，定时唤醒进行数据采集和发送的工作以降低功耗。车载终端是基于嵌入式技术的多功能信息采集和传输装置，该装置要求具备多种通用接 口，能够对多种传感器信息进行采集，并且具备近距离和远距离的无线
7、通信功能，同时还有 强大的运算能力，能够在嵌入式操作系统的支持下完成复杂的数据运算处理，最后还能够对50数据进行存储备份且易于查看与转移，是本文主要设计和实现的部分。 上位机监控中心与车载终端建立联络，一方面将接收到的车辆定位数据与车内温湿度监控数据进行分析处理，分类存储，直观显示，另一方面根据综合分析的结果，做出相应决策， 并及时通知各部门部署执行。1.2关键技术实现55本文中，无线通信技术是研究中需要用到的关键技术，近年来在近距离无线通信中用到 的技术主要有蓝牙、Wi-Fi、红外（IrDA）和 ZigBee，对这几种技术的参数比较如表 1 所示：表 1 几种近距离无线通信技术性能比较蓝牙W
8、i-FiIrDAZigBee系统开销较大大小小电池寿命较短短长最长网络节点7302255/65000+物理范围10m100m定向 1m1-100+传输速率1Mbps11 Mbps16bps20/250Kbps传输介质2.4GHz 射频2.4GHz 射频980nm 红外2.4GHz 射频由该表分析可知，红外技术是一种点对点的传输方式，不仅对方向性要求极高还不能有 障碍遮挡，不适合本文使用；Wi-Fi 传输速率最高，可达 11Mbps，传输距离也远，一般用60做大数据量的局域网传输方式，如手机或笔记本电脑的无线上网等，但其功耗过大，不适合 电池供电场合，组网能力也差，本文也不采用；蓝牙技术功耗较大
9、，支持网络节点数有限， 同时传输距离也不理想，抗干扰能力不强，价格也过于昂贵，也不适合本文使用；再看 ZigBee技术，其数据传输速率低、功耗低、成本低、网络容量大、时延短、网络的自组织、自愈能力强4，及其适合应用在无线传感网络中，本文的无线测温节点便选用 ZigBee 技术用于无65线传输技术。远距离无线传输技术主要包括电台，GSM 短消息，CDMA 通讯技术和 GPRS 通讯技术。 电台的传输距离很远，但是工作频段单一，频段内电磁环境恶劣易受干扰，数传协议有一定 的缺陷，可靠性较低，同时模块价格也昂贵，不利于本文使用。GSM 短消息传输时延较大， 可传输的数据量小且价格昂贵，但由于手机的全
10、民普及，GSM 短消息传输方式也具有通信70灵活，亲和力强的优点。CDMA 通讯方式性能好，速度快，但是网络覆盖率远远比不上 GPRS 网络，同时基于 CDMA 网络的通信模块价格也比基于 GPRS 网络的通信模块高接近一倍； GPRS 系统是在 GSM 网络基础上的引入分组数据单元后的无线数据传输技术，覆盖范围极 广而且网络质量很高，数据传输速率一般在 56115kbps，最高可到 170kbps，仅按数据流量 计费，服务质量安全可靠。75根据以上对各远距离无线传输技术的比较，本文采用 GPRS 技术作为车载终端与上位机 监控中心的通讯方式，同时采用 GSM 短信息技术作为紧急通知和其他扩展
11、功能所用。2车载终端的硬件设计结合前文的功能要求和相关技术选择，该车载终端不仅需要性能卓越、功能完善，还要 稳定实用、质量可靠，本文的硬件设计过程中从功能组成、体积外观、价格成本等方面综合80考虑，设计的车载终端的硬件组成如下图所示，主控制器选用基于 Cortex-M3 内核的 STM32F103ZET6，该芯片专注于嵌入式应用，具有先进的结构特性，以减少的代码占用空 间和行业领先的高超性能，为用户提供了一个小巧、低能耗的理想平台。其余的 GPRS 模块， GPS/ZIGBEE 芯片以及显示和 SD 卡在 STM32 的控制下分别完成数据的采集、发送、存储 和显示的功能。电源SIM900A天线
12、USART3JTAG SDI0STM32F103GPIOUSART1SPI1FLASHGPS天线AT86RF212天线ZigBee212SD卡LCD电源85图 2 整体硬件设计框图微控制器 STM32 的电路设计分为启动、电源、复位、时钟和调试五个部分，芯片启动 有三种模式，可由拨动开关控制 BOOT1 和 BOOT0 管脚的电平进行控制，电源采用 3.3V 电 压输入，复位电路设计为阻容电路，时钟输入分为高速时钟信号和低速时钟信号，分别由外90部 8M 和 32.768kHz 的晶体振荡器产生，其中从 HSE 接入的 8MHz 的时钟频率再经过 PLL 的倍频放大，作为系统频率供片内绝大部分
13、设备工作使用，为了减少时钟输出的失真和缩短 启动稳定时间，晶体振荡器和负载电容会尽可能地靠近振荡器管脚，程序调试与下载采用最 新的 SWD 技术，更加可靠。综上所诉，微控制器部分的最小系统与外围基本电路设计如下图所示。95100图 3 为控制器原理图设计GPRS 模块，ZigBee 芯片和 GPS 芯片分别通过串口和 SPI 与 STM32 进行连接，LCD 选 择 3.2 寸的 26 万色 TFT-LCD 屏，使用 ILI9320 控制器芯片对其进行控制，分辨率为 320240， 搭配使用四线电阻式触摸屏，由触摸屏控制芯片 ADS7843 进行控制，同样通过 SPI 与 STM32 通信，电
14、源设计上，使用 12V 的车载电源输入，系统各部件除了 SIM900A 模块因为在信号 发射时需要较大的电流，对电源有特殊要求外，其余部分功耗均不大，并且都支持 3.3V 的 电压输入，故电源部分的电压转换设计如下图所示。LM2576-5.0 芯片将 12V 电压转换到 5V， 然后再分别由 AS1117-3.3 芯片和 MIC29302 芯片转换为 3.3V 和 4.2V 电压，供各模块电路 使用。AS1117-3.33.3V12VLM2576-5.0 5V105图 4 电源设计示意图MIC293024.2V110115120最后进行 PCB 的电路设计，然后焊接、调试，完成了整个车载终端的
15、硬件平台的设计 和实现。3系统软件的设计嵌入式操作系统负责嵌入式系统的全部软、硬件资源的分配、调度工作，控制、协调并 发活动，是整个系统的核心部分5，操作系统的各项性能指标直接影响到整个系统的性能3。 本文选择 C/OS-作为 STM32 平台的嵌入式操作系统，该系统基于抢占式实时多任务调度 设计，简单高效，源代码公开，具有良好的可扩展性和可移植性。mC/GUI 是用于嵌入式系统中为 LCD 图形显示提供单独于处理器和 LCD 控制器之外的 有效的图形用户接口，它对系统要求不高，可以完美运行在 C/OS-的多任务环境中。完成 C/OS-和mC/GUI 的移植后，便进行整体系统应用程序的设计，程
16、序所要完成的 功能有：获取车辆定位数据和温湿度检测数据，对数据分析和储存，通过 GPRS 进行数据的 上发与相关命令的接收，短信的发送和接收，相关信息的显示。对这些功能的具体实现中， 底层的数据收发是通过中断的方式实现的，数据处理的细节在中断服务程序中进行呈现，这 样做的好处是保证了实时性的要求；然后各个功能的并发运行由 C/OS-的多任务调度实 现，各个任务轮流占有 CPU 时间，依靠操作系统提供的同步机制协调各任务有效的共享资125源，运行互不干扰，稳定可靠。程序流程图设计如下，系统上电后，首先进行片级和板级的初始化工作和相关数据结构 的建立，然后经过操作系统的初始化，建立了 5 个任务：
17、系统运行任务，显示任务，存储任 务，GPRS 接收任务和 GPRS 发送任务。至此，程序进入多任务运行状态，各个任务之间通 过信号量机制和延时进行切换。开机芯片板级 初始化系统初始化系统运行 任务显示存储 任务任务GPRS接收 任务GPRS发送 任务130135140145150图 5 程序流程图系统任务负责定时扫描系统状态，执行系统命令，喂看门狗和向上位机上发心跳帧等操 作。显示任务负责 LCD 的显示与触摸屏输入检测的功能实现，具体是通过对触屏状态的扫 描，得到用户的输入行为，再结合当前显示页面的状态，判断出该触屏动作对应的操作，然 后经过运算处理，更新屏幕显示内容。存储任务负责数据的存储
18、工作。数据的接收分为两部 分，一部分是通过串口接收来自 GPS 的地理位置数据，另一部分是通过 SPI 接口接收来自 传感器节点的温湿度数据。每一条数据在接收后都会根据日期被存储在 SD 卡中，等待发送。 GPRS 发送任务负责扫描 SD 卡中未发送状态的数据，完成这些数据的发送工作，完成之后 再将 SD 卡里已发送的数据标记为已发送状态。GPRS 接收任务则是负责接收 AT 指令回复 和远程监控中心下发的决策命令。此外，车载终端还使用了短信发送的功能，使远程监控进一步打破了空间和地域的限制， 还减轻了车内工作人员的工作任务，加强了人机交互，具有很强的实用性。4测试完成车载终端的系统设计工作后
19、，开始进行测试，测试工作从功能测试和性能测试两方 面展开，功能测试从传感器数据采集、ZigBee 传输、GPRS 数据传输、短信发送等方面详细 测试该远程监控系统的各个功能，重点检验在异常情况下软硬件系统的自愈能力是否符合要 求。性能测试则是对该系统的整体运行性能进行测试，主要是测试车载终端和测温节点长期 不间断运行的稳定性和可靠性。测试结果表明，设计的各个功能均执行无误，整个系统运行良好，满足冷链物流长期监 控的应用要求。5结论本文通过对冷链物流的发展现状和发展趋势进行了调查和研究，提出了冷链物流中远程 监控系统的整体设计构想，进行了车载终端的研究和实现，最后通过一系列测试工作验证了 车载终端的整体性能，在冷链物流有广泛的应用前景。参考文献 (References)1551 张革. 当前我国冷链物流存在的问题及完善对策J. 科技情报开发与经济，2009,19（4）：128-130 2 孙红菊. 冷链物流发展的现状分析J. 物流技术，2009,28（8）：158-1593 尹存涛. 新型钻井监测仪软件系统设计J. 化工机械，2011，38（3）：305-3084 赵鹏，孙建军，吴太虎. 基于 ZigBee 技术的冷链无线监测系统的研制J. 中国医疗器械杂志，2008，32（8）：424-4275 杨杰，张建峰. 浅谈远程监控中对嵌入式技术的应用J. 河南科技，2010，12：71
