摘要：為了對(duì)物流行業(yè)快遞實(shí)施有效監(jiān)控，采用ZigBee技術(shù)與GPS、GPRS、RFID相結(jié)合的方法，給出了車載終端的整體硬件結(jié)構(gòu)框架的設(shè)計(jì)方法，并對(duì)SPI接口和Z-stack協(xié)議等關(guān)鍵技術(shù)作了分析，從而實(shí)現(xiàn)了運(yùn)輸途中對(duì)快遞的實(shí)時(shí)定位、跟蹤和監(jiān)控。
關(guān)鍵詞：ZigBee；GPS；GPRS；RFID；SPI；Z-stack協(xié)議

0 引言
    目前，我國(guó)快遞行業(yè)高速發(fā)展，但是，面對(duì)重大節(jié)日出現(xiàn)的快遞壓倉(cāng)以及遺失的現(xiàn)象層出不窮。在這種情況下，快遞的安全、遺失問(wèn)題以及人們對(duì)自己網(wǎng)購(gòu)物品的信息關(guān)注度就變得越來(lái)越突出。相對(duì)應(yīng)的，科學(xué)技術(shù)事業(yè)也在不斷地向前發(fā)展。近年來(lái)，在無(wú)線個(gè)域網(wǎng)WPAN技術(shù)領(lǐng)域，各種標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)在競(jìng)相發(fā)展，而這些不同技術(shù)的產(chǎn)品之間既有競(jìng)爭(zhēng)又有互補(bǔ)。ZigBee正是在這種無(wú)線技術(shù)蓬勃發(fā)展的環(huán)境中應(yīng)運(yùn)而生的。在其他無(wú)線通信技術(shù)不斷追求高速率、遠(yuǎn)距離的今天，ZigBee卻向著低速率、近距離的方向邁進(jìn)，其目的就是為了大幅度降低無(wú)線終端的成本及功耗。
    ZigBee／IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了互聯(lián)互通的平臺(tái)。所以，應(yīng)用ZigBee技術(shù)既可以通過(guò)對(duì)車輛的監(jiān)控來(lái)有效加強(qiáng)對(duì)快遞的跟蹤及監(jiān)控，又能大大降低功率消耗和開發(fā)成本。

1 ZigBee硬件方案
    ZigBee顯著的特J點(diǎn)就是低速率、低功耗、低成本、自配置和靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。ZigBee系統(tǒng)一般由傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和電源管理模塊四部分組成。其中，傳感器模塊負(fù)責(zé)采集監(jiān)視區(qū)域的信息并完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，采集的信息包括溫度、濕度、光強(qiáng)度、位置信息等；數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)節(jié)點(diǎn)的處理操作、路由協(xié)議、同步定位、功耗管理以及任務(wù)管理等；數(shù)據(jù)傳輸模塊負(fù)責(zé)與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信，交換控制消息和收取采集數(shù)據(jù)；電源管理模塊可以采用蓄電池，以方便節(jié)點(diǎn)的布置。
    本文設(shè)計(jì)的方案采用串行通信模塊，把RFID讀取快遞的標(biāo)簽信息、GPS模塊收集到的經(jīng)緯度信息以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的信息，通過(guò)GPRS以聯(lián)網(wǎng)方式發(fā)送出去，或者接收服務(wù)器端發(fā)來(lái)的控制命令監(jiān)控快遞。通過(guò)ZigBee的協(xié)議棧架構(gòu)，用SPI接口把GPS、GPRS、RFID等通信模塊與數(shù)據(jù)處理單元MCU連接起來(lái)，設(shè)計(jì)出的方案具有物流的定位、防盜防遺失、報(bào)警等功能，既可以很好地跟蹤監(jiān)控快遞，緩解人們心理上對(duì)自己財(cái)產(chǎn)的擔(dān)憂，又可以大幅度地降低系統(tǒng)功耗，從而使得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的產(chǎn)業(yè)化成為可能。

2 車載終端硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
    車載終端采用RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)車廂內(nèi)物品的智能監(jiān)控。通過(guò)GPRS聯(lián)網(wǎng)和GPS定位，服務(wù)器端可對(duì)物品進(jìn)行定位查詢與報(bào)警。圖1所示為本終端的整體硬件結(jié)構(gòu)框圖。

2．1 MCU的選用
    CC2530是Chipcon公司推出的用來(lái)實(shí)現(xiàn)嵌入式ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng)。它支持2．4 GHz IEEE802．15．4／ZigBee協(xié)議。CC2530片上系統(tǒng)的功能模塊集成有CC2530RF收發(fā)器，并增強(qiáng)了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8051MCU，256 KB的FLASH，64 KB的SRAM等高性能模塊，同時(shí)內(nèi)置了ZigBee協(xié)議棧。加上超低能耗，使得它可以用很低的費(fèi)用構(gòu)成ZigBee節(jié)點(diǎn)，具有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
2．2 電源模塊
    本系統(tǒng)電源采用LM2576S系列的穩(wěn)壓器，LM2576S系列的穩(wěn)壓器是單片集成電路，能提供降壓開關(guān)穩(wěn)壓器的各種功能，可以驅(qū)動(dòng)3 A的負(fù)載，并具有優(yōu)異的線性和負(fù)載調(diào)整能力。圖2所示為系統(tǒng)電源接口電路。

    該電源的輸入為12 V蓄電池，并能夠?qū)⑤敵鲭妷赫{(diào)節(jié)為3．3 V和5 V。其中，3．3 V給CC2530供電，而5 V則提供給GPS，GPRS模塊使用。
2．3 GPRS模塊接口
    GPRS采用分組交換技術(shù)，并對(duì)無(wú)線資源和網(wǎng)絡(luò)資源的利用進(jìn)行了優(yōu)化，可靈活地分配GPRS無(wú)線信道分配。目前，GPRS為每個(gè)用戶提供了較快的數(shù)據(jù)傳輸速率，數(shù)據(jù)傳輸速率甚至可以高達(dá)171．2 Kb／s，而當(dāng)前的GSM網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率只有9．6．Kb／s。
    車載GPS設(shè)備主要完成系統(tǒng)通信。通過(guò)GPS接收機(jī)計(jì)算得到運(yùn)動(dòng)車輛的經(jīng)緯度坐標(biāo)位置，然后通過(guò)GPRS模塊把物品的坐標(biāo)位置以及RFID信息和報(bào)警發(fā)送到監(jiān)控中心。本設(shè)計(jì)選用的模塊為ZHD122AX，可以根據(jù)外界設(shè)置定時(shí)檢測(cè)是否處于通訊狀態(tài)。如果長(zhǎng)時(shí)間停止通訊，設(shè)備將重新復(fù)位連接。圖3所示為系統(tǒng)中的GPRS接口電路。

2．4 GPS模塊
    GPS模塊采用臺(tái)灣品牌公司(Holux)長(zhǎng)天出的GR-87型號(hào)芯片。GR-87系列產(chǎn)品采用美國(guó)瑟孚(SiRF)第三代芯片組，并采用低噪聲放大器技術(shù)和專用軟件。
    圖4所示是GPS的接口電路圖，GPS提供的外部接口是串口。由于CC2530既要與GPS通訊，還要和GPRS、RFID和FLASH交換數(shù)據(jù)，所以，GPS使用的USART1要在串口模式和SPI模式間切換達(dá)到復(fù)用目的。SC16IS752可以將SPI接口轉(zhuǎn)換成兩個(gè)串口，其中一個(gè)供GPS使用，另外，當(dāng)GPS
工作時(shí)，還需要通過(guò)三態(tài)緩沖器SN74HC125n來(lái)控制輸入輸出。因此，當(dāng)輸出使能(OE)端為高時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出端將被禁用。本設(shè)計(jì)就是采用此特性來(lái)控制GPS的輸入和輸出的。

    GPSGR-87模塊發(fā)送數(shù)據(jù)采用異步串行方式。字符長(zhǎng)度為8位，1位停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位，波特率為9 600 b／s。其中，波特率是進(jìn)行串行通信的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，為確保串行通信的成功，通信雙方必須使用相同的波特率。如果傳輸速率的誤差超出允許的范圍，將產(chǎn)生接收數(shù)據(jù)的錯(cuò)碼和漏碼，從而導(dǎo)致整個(gè)通信的失敗。
2．5 RFID模塊
    終端采用泰格瑞德公司研制的RFID FR1001讀寫器。FR1001讀寫器是主要面向消費(fèi)類市場(chǎng)的產(chǎn)品，它能以HF讀寫器同樣的價(jià)格水平和體積提供完整的UHF讀寫器功能，可支持主要的UHF RFID標(biāo)準(zhǔn)，并支持讀寫、抗沖突等操作，同時(shí)提供用戶API函數(shù)庫(kù)。
    上位機(jī)的請(qǐng)求或設(shè)置指令通過(guò)GPRS模塊發(fā)送到CC2530進(jìn)行集中處理，然后采集相應(yīng)的RFID數(shù)據(jù)，這樣，快遞就能被實(shí)時(shí)監(jiān)控了。一旦RFID查詢不到快遞上貼的標(biāo)簽號(hào)，則表明該快遞已經(jīng)遺失。
2．6 擴(kuò)展的FLASH接口
    為了更好地管理信息，系統(tǒng)中還增加了一個(gè)日志功能，能夠查詢近期的所有操作。由于ZigBee內(nèi)部的51單片機(jī)的內(nèi)存不能滿足車載終端日志的存儲(chǔ)量，因而需要外加一個(gè)FLASH來(lái)存儲(chǔ)操作日志。
2．7 報(bào)警電路
    如果上位機(jī)通過(guò)GPRS發(fā)送命令查詢物品的標(biāo)簽號(hào)或者經(jīng)緯度坐標(biāo)，讀取不到該物品的信息或者物品的位置不在指定的地理區(qū)域內(nèi)，則會(huì)報(bào)警提醒工作人員注意。圖5所示為系統(tǒng)報(bào)警電路。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析
    由于CC2530只有兩個(gè)串口，所以，本設(shè)計(jì)利用SPI接口主設(shè)備可以與多個(gè)從設(shè)備同步通訊的特性，使用CC2530作為主設(shè)備，GPS、RFID和FLASH作為從設(shè)備來(lái)完成數(shù)據(jù)的交換。
    ZigBee的協(xié)議架構(gòu)是建立在IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)之上的，基于Z-stack協(xié)議棧，底層中是各個(gè)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，如GPS、GPRS、RFID、報(bào)警電路等模塊的驅(qū)動(dòng)程序。應(yīng)用層用于完成各個(gè)模塊的應(yīng)用信息處理，如GPRS、GPS數(shù)據(jù)的解析等。
3．1 SPI接口
    SPI接口由SDI(串行數(shù)據(jù)輸入)、SDO(串行數(shù)據(jù)輸出)、SCK(串行移位時(shí)鐘)和CS(從使能信號(hào))四種信號(hào)構(gòu)成。CS決定了唯一的與主設(shè)備通信的從設(shè)備，主設(shè)備通過(guò)產(chǎn)生移位時(shí)鐘來(lái)發(fā)起通訊。通訊時(shí)，數(shù)據(jù)由SDO輸出，SDI輸入，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的上升或下降沿由SDO輸出，在緊接著的下降或上升沿，由SDI讀入，這樣，經(jīng)過(guò)8／16次時(shí)鐘的改變，就可以完成8／16位數(shù)據(jù)的傳輸。
    考慮到GPS可以隔一定時(shí)間采集一次位置信息，因此，GPS的串口與SPI接口可進(jìn)行切換，SPI接口用于主控器與FLASH之間的通信，或者與RFID讀寫器之間通信。當(dāng)GPS工作時(shí)，CPU的UART串口接到GPS的接口上，用于采集位置數(shù)據(jù)；當(dāng)CPU需要存儲(chǔ)信息時(shí)，CPU將該接口切換為SPI，與FLASH進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；當(dāng)RFID模塊工作時(shí)，CPU通過(guò)SPI接口采集RFID讀取的標(biāo)簽信息。
3．2 Z-Stack協(xié)議
    Z-Stack采用操作系統(tǒng)的思想來(lái)構(gòu)建，可采用事件輪循機(jī)制。當(dāng)各層初始化之后，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式；當(dāng)事件發(fā)生時(shí)，喚醒系統(tǒng)，開始進(jìn)入中斷處理事件；結(jié)束后，繼續(xù)進(jìn)入低功耗模式。如果同時(shí)有幾個(gè)事件發(fā)生，則判斷優(yōu)先級(jí)，逐次處理事件。這種軟件構(gòu)架可以極大地降級(jí)系統(tǒng)的功耗。整個(gè)Z-stack的主要工作流程，大致可以分為系統(tǒng)啟動(dòng)、驅(qū)動(dòng)初始化、OSAL初始化和啟動(dòng)、進(jìn)入任務(wù)輪循等幾個(gè)階段，圖6所示為Z-stack系統(tǒng)流程圖。

    系統(tǒng)上電后，首先執(zhí)行硬件的初始化，初始化完成之后，執(zhí)行函數(shù)開始運(yùn)行OSAL系統(tǒng)。事先應(yīng)當(dāng)安排好GPS、GPRS、RFID、報(bào)警事件的優(yōu)先級(jí)。該任務(wù)調(diào)度函數(shù)按照優(yōu)先級(jí)檢測(cè)各個(gè)事件是否就緒。如果存在就緒的任務(wù)，則調(diào)用相應(yīng)的任務(wù)處理函數(shù)去處理該事件，直到執(zhí)行完所有就緒的任務(wù)。而如果任務(wù)列表中沒有就緒的任務(wù)，則可使處理器進(jìn)入睡眠狀態(tài)實(shí)現(xiàn)低功耗。

4 結(jié)語(yǔ)
    將ZigBee技術(shù)與GPS、GPRS、RFID等通信技術(shù)相結(jié)合設(shè)計(jì)的車載終端系統(tǒng)簡(jiǎn)單可行，體積小、功耗低，運(yùn)行穩(wěn)定。結(jié)合上位機(jī)軟件，并根據(jù)快遞對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽號(hào)，不僅可以管理快遞，而且每個(gè)用戶都可以登錄系統(tǒng)查看快遞的具體地理位置，在心中有個(gè)大致印象，從而給人們的生活習(xí)慣帶來(lái)便利。