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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。