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基于RFID物流定位系统手持查询终端的设计

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0 引言 

道路运输物流业是我国现代经济发展中的一个新型产业,已逐渐成为我国现代经济发展中的重要组成部分[1]。本文介绍了一种利用ARM 来实现物流定位系统的手持查询终端,该查询终端使用简便、实用、功能齐全, 可用于防止贵重物品在物流运输中发生丢包的意外,并且可以通过GPS 及GPRS 向物流管理中心提供查询物品当前位置信息的服务。 

1 系统工作原理 

本系统工作原理图如图1 所示。在物品装车前,使用者先把本系统的RFID 标签放置在每一个物品的包装中,然后在物品装车时, 通过RFID 把物品信息录入到手持查询终端中。这样,当车在行驶时,手持查询终端每隔一定时间就会自动向物品RFID 发出询问信息。如果有任何一个物品上的RFID没有应答,终端就会发出丢包提示信息,并把丢包信息及位置信息通过GPRS 传输给物流管理中心;而如果每一个都有应答,那么,终端将直接把位置信息发给物流管理中心。  

图1 物流定位系统手持查询终端工作原理图 

2 手持查询终端硬件设计 

本系统主要采用模块化的设计思想。根据目前物流定位查询系统的发展需求和技术方案的比较,所确定的本系统的硬件构成电路原理图如图2 所示。 

图2 嵌入式硬件结构 

本手持查询终端硬件设计中的主控模块采用S3C2440 为微处理器的开发板,它拥有较大的SDRAM 内存和FLASH存储器,并且拥有一块可以高清晰显示的3.5 in LCD 屏,其外围接口也比较丰富。 

3 系统中各模块的设计 

3.1 主控模块的设计 

本系统的主模块采用ARM 芯片来提供DSP、Java 应用系统解决方案,从而极大地缩短了产品设计时间[2]。本系统设计图如图3 所示,其设计的板上资源如下 [3] : 

(1) CPU 处理器:Samsung S3C2440A,主频400 MHz,最高533 MHz。 

(2) SDRAM 内存:在板64 MB SDRAM ;  SDRAM 时钟频率高达100 MHz。 

(3) FLASH 存储器 

在板256 MB Nand Flash ; 

在板2 MB Nor Flash,掉电非易失,已经安装BIOS。 

(4) 外围接口:3 个串行口;  1 个USB Host 和1 个USB Slave B 型接口。 

(5) 系统时钟源:12 MHz 无源晶振。  

图3 主控模块核心框图 

3.2 RFID 模块的设计 

(1) 物品端RFID 设计:物品RFID 可采用MSP430F2011 和2.4 GHz 无线模块nRF24L01 构成RFID 模块。具有显著的低功耗特点,仅仅使用3.3 V 纽扣电池就能工作很长时间。该模块提供有Spy-Bi 下载口,还有2 个发光二极管和2 个用户IO 口。其中的MSP430 单片机没有使用外部晶振,而使用内部DCO,因而可以有效地简化系统,同时又能满足物流标签的要求[5]。其设计框图如图4 所示。 

图4 物品端RFID 设计图 

(2) 手持查询终端的RFID 设计:本设计的RFID 中心节点是连接在ARM 芯片上的,而开发板正好提供有一个含有6 个GPIO 引脚、电源线和地线的CON8。CON8 是开发板按键电路和SPI 接口复用的一个外部插座,但是,CON8 是单排2 mm 间距的排针接口,需要自己设计制作一个转接板,以将其与nRF24L01 相连。开发板与nRF24L01 的硬件连接电路如图5 所示。  

图5 ARM 和nRF24L01 的硬件连接

(3) 射频模块的硬件电路:由于2.4 GHz 无线收发模块nRF2401 采用的是SoC 设计,因而只需少量外围元件便可组成射频收发电路。而采用GMSK 调制,其速率可达到1 Mb/s ;该模块具有125 个频道,可满足跳频和多频道需求;同时内置硬件CRC 检错电路和协议,可减少软件开销;系统的发射功率和工作频率等所有工作参数可全部通过软件设置;1.9~3.6 V低电压工作,功耗很低;而RF 收发器却能以非常高的速率发送数据;采用芯片上内嵌的DuoCeiver 双信道接收模式可同时接收2 个nRF2401 的数据[4]。本设计就采用了nRF2401 芯片来进行设计。图6 所示为nRF24L01 的外围电路图。

 

 图6 nRF24L01 外围电路 

需要说明的是, 图6 所示的部分硬件电路只构成了nRF24L01 的前端部分,主要包括电源、晶振、天线、滤波电路和数字控制端口等[6]。 

3.3 GPS 定位模块的设计 

对于GPS 模块的选型,本系统对精度和启动速度的要求并不苛刻。高性能和高精度的模块必然高价格,对于控制开发的成本不利[7]。经过对各个厂家的GPS 模块的综合比较,认为飞凌公司生产的GPS 模块比较合适。这款GPS 模块适合搭配ARM 开发板使用,而且模块自带备份电池,对于保存位置信息和加快GPS 寻星速度有帮助。本系统设计时将开发板COM3 分配给GPS 模块,由于该GPS 模块提供的是RS232电平的串口,而这款Micro2440 的COM3 是3.3 V TTL 电平的,所以,本系统还需要一个TTL 转RS232 的电平转换电路,这里采用的电平转换电路设计如图7 所示。 

图7 GPS 模块和ARM 接口 

3.4 GPRS 通信模块的设计 

通用分组无线业务(General Packet Radio Service,GPRS) 能提供比现有GSM 网 96 kb/s 更高的传输速率,该方式采用与GSM 相同的频段、频带宽度、突发结构、无线调制标准、跳频规则以及相同的TDMA 帧结构[8]。因此 , 本系统采用GPRS 模块来与物流管理中心的服务器进行数据的交换和传输。 

GPRS 模块采用MC35i,因为MC35i 在实际生产生活中运用比较广泛,质量可靠,性能优越,并且价格比较低廉。本系统在设计时将开发板的COM2 分配给GPRS 模块,并与GPS 模块同样采用专用电平转换转接板,以使ARM9 芯片和GPRS 模块相连。其连接原理图如图8 所示。 

图8 GPRS 模块与ARM 接口 

4 手持查询终端的软件程序设计 

本手持查询终端的程序设计采用Linux-2.6.32.2 为开发环境,同时以Qtopoia 2.2.0 为开发平台来开发嵌入式软件及图形界面。其中,嵌入式软件开发必须建立交叉编译环境,所有程序代码的编写调试工作都要在PC 机上完成,而经过编译连接生成的可执行文件则需要放在ARM 板上的Linux 系统中调试运行[9]。 

本设计的图形界面是利用Qt Designer 设计而成的,可为用户提供良好的人机交互接口[10],主要包括条形码扫描、查询标签、查看记录、GPS 信息、GPRS 发送数据、信息上传、上传设置、用户信息和有关本程序的功能。系统功能框图如图9 所示。 

图9 应用程序的构成 

5 结 语 

本物流定位查询系统结合了GPS 全球定位技术、RFID射频识别、移动通信和嵌入式技术,可实现物流定位查询系统的需求。本系统通过提供一个良好的用户界面,给操作者带来了便利。其中,低功耗的MSP430+nRF24L01 方案提高了RFID 电源的使用寿命,具有很高的市场利用价值。

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