WIFI通信理論下目標(biāo)辨識(shí)與定位體系
第 1 章 緒論
本章根據(jù)課題研究背景分析了課題研究的必要性、可行性以及研究意義，并提出了課題在集裝箱物流管理系統(tǒng)中的應(yīng)用。接著介紹了國內(nèi)外集裝箱物流管理系統(tǒng)的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀，最后闡述了本課題作者所做的主要工作以及論文結(jié)構(gòu)安排。
1.1 課題研究背景及意義
物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)高效快速的發(fā)展，給全球信息產(chǎn)業(yè)帶來新的經(jīng)濟(jì)與科技發(fā)展空間。物流產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)也隨之被注入新的活力而蓬勃發(fā)展，體現(xiàn)出了勢(shì)不可擋的增長趨勢(shì)。集裝箱作為物流過程中一種非常重要的運(yùn)輸工具，具有高效、耐久性、可反復(fù)使用、有便于裝卸和搬運(yùn)的裝置、運(yùn)輸時(shí)無需中途換裝等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于日新月異的全球物流來說尤為重要。集裝箱的優(yōu)越性能使得其使用需求越來越大，尤其在各大海運(yùn)港口，其吞吐量增長率一直保持較高水平。有效地對(duì)物流中的集裝箱進(jìn)行跟蹤和管理，也就顯得日益迫切和重要。傳統(tǒng)的集裝箱管理主要依賴人工管理、盤查，處于人工、半人工狀態(tài)，成本較高且效率相對(duì)低下。現(xiàn)代集裝箱管理迫切需要引入一種能夠記錄集裝箱物流業(yè)務(wù)基本信息以及貨物物流到港中轉(zhuǎn)信息的電子標(biāo)簽，從而使物流中對(duì)集裝箱的管理更加有效，滿足集裝箱物流中廣大客戶的新要求[1-5]。在港口物流業(yè)務(wù)中，集裝箱貨物進(jìn)出港口、貨物統(tǒng)計(jì)、貨物安全檢查以及跟蹤是現(xiàn)代港口物流管理的一大課題。利用 RFID 射頻技術(shù)，可對(duì)集裝箱進(jìn)行有效的識(shí)別管理，解決貨物統(tǒng)計(jì)問題;利用 GPS 全球定位技術(shù)對(duì)集裝箱地理位置信息進(jìn)行快速準(zhǔn)確的獲取標(biāo)定，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以很好的解決集裝箱貨物管理中的貨物跟蹤與監(jiān)控調(diào)度問題;在港口搭建無線局域網(wǎng)絡(luò)，可以將獲取到的集裝箱信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)管理中心，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)集裝箱物流信息的管理[6-10]。綜上所述，在嵌入式系統(tǒng)中整合 RFID 射頻識(shí)別、GPS 全球定位以及 WI-FI 無線通信技術(shù)進(jìn)而對(duì)目標(biāo)管理顯得特別重要。本課題研究的基于 WIFI 通信的目標(biāo)識(shí)別與定位系統(tǒng)能夠?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行數(shù)字化維護(hù)、管理以及調(diào)度，具有較高的研究價(jià)值和市場前景。由此本課題成了嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中的一個(gè)熱點(diǎn) [11-13]。
1.2 課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
國外此類相關(guān)的技術(shù)已發(fā)展的比較成熟，在集裝箱物流產(chǎn)業(yè)方面設(shè)計(jì)出了許多高科技產(chǎn)品，做出了很大的貢獻(xiàn)。荷蘭的鹿特丹港(世界最大港口)以及德國的漢堡港口在物流裝卸危險(xiǎn)環(huán)節(jié)已實(shí)現(xiàn)了全程機(jī)器自動(dòng)化操作。英國物流公司 unipart 在 2007 年推出一項(xiàng)結(jié)合了 RFID 無線射頻技術(shù)、GPS 全球衛(wèi)星定位以及 GSM、GPRS 通訊三種技術(shù)的蹤器來追蹤物流貨物信息，并開始對(duì)全球客戶提供服務(wù)，目前這套技術(shù)已用在了捷豹汽車的整體供應(yīng)鏈上并管理捷豹汽車從英國到美國的物流過程 [14]。EarthSearch 在 2010 年推出了了結(jié)合 RFID、GPS、GPRS 的新產(chǎn)品 TrailerSeal，用于遠(yuǎn)程集裝箱的追蹤，提供實(shí)時(shí)貨物信息查詢[15]。更有在 2008 年 1 月，集裝箱海運(yùn)公司 APL 采用 WhereNet 公司推出了其基于 RFID、GPS 的無線追蹤系統(tǒng)可實(shí)時(shí)定位的集裝箱并成功運(yùn)用在海運(yùn)上[16]。目前國內(nèi)集裝箱物流也在飛速的發(fā)展，各種高科技技術(shù)也被引入其中。為了提高我國集裝箱物流管理水平，達(dá)到國際一流水平，國內(nèi)專家提出了在集裝箱管理系統(tǒng)中引入RFID、GPS 以及無線 WIFI 通信等高科技技術(shù)。國內(nèi)很多公司都做了相關(guān)的研究并取得了一定的成果。在 05 年通用電氣推出一款用于集裝箱物流的電子系統(tǒng)，并進(jìn)行了一次運(yùn)送 18 個(gè)集裝箱由中國內(nèi)地港口中轉(zhuǎn)香港港口前往美國的測試[17]。在 07 年創(chuàng)羿科技提出了應(yīng)用 rfid 和 gpsone 進(jìn)行港口集裝箱貨運(yùn)管理方案，集當(dāng)代技術(shù)公司研發(fā)、工程團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的 drf8x0x 系列的 rfid 產(chǎn)品、以及 dps8xox 系列 gpsone產(chǎn)品，能夠有效完成港口的各類集裝箱管理需求任務(wù)，成為國內(nèi)現(xiàn)代物流管理的高科技工具。2012 年 1 月 17 日，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)、交通運(yùn)輸部正式發(fā)布由全國勞模包起帆領(lǐng)銜研制的集裝箱 RFID 貨運(yùn)標(biāo)簽系統(tǒng)成為國際標(biāo)準(zhǔn)[18]。這是物聯(lián)網(wǎng)物流領(lǐng)域首個(gè)由國內(nèi)專家推出的國際標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)了國內(nèi)集裝箱物流運(yùn)輸?shù)拇罅Πl(fā)展。
第 2 章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
本章首先闡述了基于WIFI通信的目標(biāo)識(shí)別與定位系統(tǒng)應(yīng)用于集裝箱物流管理的工作原理及架構(gòu)。本著從技術(shù)先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)實(shí)用性、可重復(fù)利用性以及易擴(kuò)展、易維護(hù)等原則出發(fā)，結(jié)合對(duì)集裝箱的管理應(yīng)用設(shè)計(jì)的方案，闡述了系統(tǒng)的工作原理，并由此搭建了系統(tǒng)終端的整體架構(gòu)。接著詳細(xì)說明了系統(tǒng)終端硬件以及軟件設(shè)計(jì)方案。
2.1 系統(tǒng)原理及架構(gòu)
課題最大特點(diǎn)就是把射頻卡技術(shù)、GPS全球定位技術(shù)、無線局域網(wǎng)技術(shù)在嵌入式終端中進(jìn)行整合。并以集裝箱物流管理的實(shí)際工程為作為課題研究應(yīng)用背景。系統(tǒng)終端主要任務(wù)為對(duì)集裝箱物流信息采集、物流信息的輸出顯示、物流信息的錄入以及存儲(chǔ)、物流信息的傳輸。進(jìn)而為實(shí)現(xiàn)對(duì)集裝箱貨物物流的跟蹤管理以及信息統(tǒng)計(jì)奠定基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)從系統(tǒng)需求的角度出發(fā)，首先系統(tǒng)數(shù)據(jù)終端需要具備獲取衛(wèi)星的GPS全球定位經(jīng)緯度信息并將數(shù)據(jù)寫入集裝箱所附標(biāo)簽中的功能;具備獲取集裝箱所附標(biāo)簽信息功能;具備將獲取到的標(biāo)簽信息在液晶上顯示功能;具備將所獲標(biāo)簽信息進(jìn)行存儲(chǔ)功能;具備將獲取標(biāo)簽信息通過WIFI發(fā)送到數(shù)據(jù)管理中心功能。
如上圖所示，系統(tǒng)工作共由四個(gè)主要部分組成，分別為待識(shí)別目標(biāo)集裝箱及安裝在集裝箱上附帶貨物特征信息標(biāo)簽、全球定位系統(tǒng) GPS、系統(tǒng)終端以及數(shù)據(jù)管理終端。系統(tǒng)終端的開發(fā)為本系統(tǒng)的研究重點(diǎn)。集裝箱為系統(tǒng)待管理目標(biāo)，其附屬 Mifare S50 卡為本系統(tǒng)采用的目標(biāo)標(biāo)簽，用來存儲(chǔ)集裝箱物流管理需要的一些物流信息。對(duì)于集裝箱，通過系統(tǒng)終端設(shè)備對(duì)箱體安裝的 Mifare S50 卡進(jìn)行快速閱讀。對(duì)獲取到集裝箱物流及其裝載物資信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總到數(shù)據(jù)庫文件中。可以隨時(shí)通過數(shù)據(jù)管理中心數(shù)據(jù)庫查詢鎖定目標(biāo)，得到由 RFID 標(biāo)簽提供的物流信息，完成對(duì)集裝箱貨物的跟蹤。基于以上系統(tǒng)工作原理，本系統(tǒng)終端作為一個(gè)嵌入式數(shù)據(jù)終端，完成以上工作過程需要硬件與軟件兩部分作為支撐。硬件作為軟件的運(yùn)行平臺(tái)，是系統(tǒng)終端的必須基礎(chǔ)條件。軟件作為硬件的體現(xiàn)，是系統(tǒng)工作運(yùn)行的靈魂。
第3章 功能單元設(shè)計(jì)與測試.................... 18-49
3.1 系統(tǒng)終端電源單元設(shè)計(jì).................... 18-19
3.2 系統(tǒng)終端存儲(chǔ)單元設(shè)計(jì).................... 19-23
3.3 系統(tǒng)終端液晶觸摸單元設(shè)計(jì).................... 23-27
3.4 GPS 功能單元設(shè)計(jì)與測試.................... 27-34
3.5 RFID 功能單元設(shè)計(jì)與測試.................... 34-41
3.6 WIFI 功能單元設(shè)計(jì)與測試.................... 41-49
第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與編程 ....................49-59
4.1 系統(tǒng)終端應(yīng)用程序設(shè)計(jì)與編寫 ....................49-54
4.2 服務(wù)器端應(yīng)用程序設(shè)計(jì)與編寫.................... 54-59
4.2.1 開發(fā)環(huán)境搭建 ....................54-55
4.2.2 百度地圖定位技術(shù).................... 55-56
4.2.3 服務(wù)器端程序設(shè)計(jì).................... 56-59
第5章 軟硬件集成與測試.................... 59-68
結(jié)論
在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，分別經(jīng)過了課題的研究背景調(diào)查、課題研究意義分析、系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)與測試、系統(tǒng)應(yīng)用軟件開發(fā)以及系統(tǒng)終端功能與性能的驗(yàn)證等過程。研究初期閱讀了國內(nèi)外課題相關(guān)的優(yōu)秀論文，打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。為以后系統(tǒng)設(shè)計(jì)指明了研究方向，并對(duì)系統(tǒng)研究工作做了基本的規(guī)劃。設(shè)計(jì)了系統(tǒng)方案并對(duì)其可行性進(jìn)行了評(píng)估。選擇了S3C2440作為系統(tǒng)終端處理器并對(duì)其結(jié)構(gòu)與功能進(jìn)行了詳細(xì)的研究，對(duì)各功能模塊進(jìn)行了接口的初步設(shè)計(jì)規(guī)劃。對(duì)嵌入式 Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行深入學(xué)習(xí)，了解其特點(diǎn)、學(xué)習(xí)開發(fā)過程并進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)踐過程。并最終確定了三個(gè)功能模塊的選型，閱讀了與芯片相關(guān)的資料以及硬件設(shè)計(jì)資料。
在研究中期主要完成了系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)等工作。繪制了原理圖與PCB板，焊裝了電路板并進(jìn)行了硬件的調(diào)試與測試;移植了系統(tǒng)的bootloader與 Linux內(nèi)核，采用分別是1.1.6的Uboot和2.6.30.4的Linux內(nèi)核;最后完成了Linux下系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)編程、應(yīng)用程序編程、QT界面代碼的編寫工作。在實(shí)現(xiàn)這些功能的基礎(chǔ)上，編寫了服務(wù)器端上位機(jī)軟件。研究后期的主要工作首先是系統(tǒng)總體功能的集成調(diào)試，測試并優(yōu)化軟件。接著編寫了 Linux下系統(tǒng)的啟動(dòng)腳本以及完善與制作新的文件系統(tǒng)。最后測試了系統(tǒng)的功能模塊的性能以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。最終總結(jié)各個(gè)階段的研究、設(shè)計(jì)以及實(shí)踐過程，在對(duì)系統(tǒng)更加深入的理解的基礎(chǔ)上并撰寫論文。雖然目前基于WIFI通信的目標(biāo)識(shí)別與定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能，但是要成為一個(gè)實(shí)際的應(yīng)用產(chǎn)品，還存在一些不成熟的地方。
1、作為一個(gè)嵌入式產(chǎn)品，最重要最難的地方是電源管理與功耗的設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)在這方面由于作者時(shí)間、精力的關(guān)系而沒有完善。有必要進(jìn)一步研究并設(shè)計(jì)一套帶完善電源管理的系統(tǒng)。
2、RFID射頻標(biāo)簽選擇了低成本的被動(dòng)式標(biāo)簽，需要遠(yuǎn)距離讀取標(biāo)簽信息時(shí)應(yīng)該采用主動(dòng)式標(biāo)簽，即有源標(biāo)簽。
3、GPS接收機(jī)的設(shè)計(jì)未考慮到首次定位時(shí)間，搜星時(shí)間相對(duì)較長。應(yīng)在電路中加上后備電池，采用熱啟動(dòng)或溫啟動(dòng)模式來縮短啟動(dòng)到有效定位時(shí)間。
4、本系統(tǒng)只是將集裝箱物流信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒⻊?wù)器，服務(wù)器端接收到數(shù)據(jù)在上位機(jī)界面上顯示并記錄到數(shù)據(jù)庫文件中。由于時(shí)間有限，未設(shè)計(jì)一個(gè)真正的上位機(jī)物流管理軟件。
總體來說，該系統(tǒng)功能相對(duì)來說已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，但還需要做很多工作來完善本系統(tǒng)。希望本系統(tǒng)在今后的發(fā)展中得到更好的改進(jìn)并廣泛應(yīng)用。
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