（通信与信息系统专业论文）基于无线接入技术的现代物流监控实验系统数据终端研究.pdf

基于无线接入技术的现代物流监控实验系统数据终端研究 摘要 随着社会的发展，物流水平的不断提高，物流信息的提取和分析越发显得重要， 物流运输管理的信息化水平已成为当今物流工业的标尺。国内众多传统型物流营运公 司正在朝着现代物流型企业转型，但就目前水平看，大多数物流公司运输信息化管理 方法仍旧比较单一，仅能提供实时的定位跟踪与查询服务，不能获得运载工具内的货 物信息，无法及时发现货物装卸过程的失误。特别是在危险品的运输中，任一中间环 节出错，后果不堪想象。 本文对现有的监控系统和数据传输技术进行了跟踪调研，提出了一种基于无线接 入技术的物流监控实验系统解决方案。 该系统集合了r f i d 、g p s 和g p r s 的应用技术，采用单片机串口复用方式控 制各功能模块的方法，将采集到的信息实时显示在模拟运载工具上，并通过无线传输 发送到模拟远程监控中心。远程监控中心也可以向运载终端发送命令，使其执行相关 操作。这样，不仅实现了对运载工具的定位，而且能够有效地管理其装载的货物，提 高货物运输管理中的效率，降低时间成本。该实验系统还增加了温感报警电路，提高 了运载终端的安全性能。 在论文中，重点对该方案进行了深入研究，利用现有的实验条件，对硬件进行了 认真地芯片选型和电路设计，在充分考虑系统安全性和可靠性的同时兼顾其数据传输 的实时性，并在软件设计上，力求程序优化。经过多次调试和实验后，证明这方案 是可行、合理并具有良好的使用价值和应用前景。 关键词：物流监控，r f i d ，g p s ，g p r s 基于无线接入技术的现代物流监控实验系统数据终端研究 a b s t r a c t f o l l o w i n gt h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t ya n di m p r o v i n gt h el e v e lo fl o g i s t i c ，i t i n d i c a t e st h a tt h ea c q u i r e m e n ta n da n a l y s eo ft h el o g i s t i ci n f o r m a t i o nw i l lb em o r e a n dm o r es i g n i f i c a n t n o w a d a y s ，t h ei n f o r m a t i o n i z a t i o no ft h ef r e i g h tt r a n s p o r t a t i o n m a n a g e m e n th a sb e c a m et h es i g no ft h el o g i s t i ci n d u s t r y m a n yo fd o m e s t i c c o m p a n i e st h a td e a l i nt h et r a d i t i o n a l l o g i s t i cc o n v e r tt h em o d e ml o g i s t i c c o r p r a t i o n s ，b u ta sf a ra si tg o e s ，m o s to ft h e mw e r es t i l ls i n g l e n e s si nt h e i n f o r m a t i o n i z a t i o nm a n a g e m e n tm e t h o d ，i to n l ys u p p l i e st h er e a l t i m el o c a t i o nt r a c k a n ds e a r c hs e r v i c e s ，b u tc a nn o tg e tt h ef r e i g h ti n f oi nt h ed e l i v e r ye q u i p m e n ta n d c o u l dn o tf i n dt h em i s t a k e so ft h ep r o c e s sw i t hl o a da n du n l o a df r e i g h t s d e c i a l l yi n t h et r a n s p o r t a t i o no ft h ed a n g e r o u sm a t e r i a l ，o n c ei tm a k e sam i s t a k e ，a n dt h e r e s u l ti su n i m a g i n a b l e o nt h eb a s i so fi n v e s t i g a t i n gt h el o g i s t i c sa n dd a t at r a n s l a t i o ns y s t e m ，a h a r d w a r ed e s i g n i n go fc o l l e c t i n gi n f o r m a t i o ns y s t e m ，b a s e do ng p r sa n dr f i d i sa d v a n c e d t h 溶s y s t e mc o m b i n et h et e c h n o l o g yo fr f i d ，g p sa n dg p r s b ym e a n so f s h a r i n gs e r i a lp o r t ，c o l l e c t i n gt h er e a l - t i m ed a t e 。c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nc e n t e ra n d t e r m i n a l ，c a r r i n go u tt h ei n s t r u c t i o ni ss o l v e d i nt h i sw a y ，t h es y s t e mn o to n l ya t t a i n t h ed a t eo fg p sb u ta t t a i nt h ed a t ao fc a r g o e s ，w h i c hc a r li m p r o v et h er e a l - t i m e c a p a b i l 咐a n de f f i c i e n c yo ft h ec o n t a i n e rl o g i s t i c sm a n a g e m e n t ，l o w e r t h ep o s s i b i l i t y o ft h ef r e q u e n c yo ft h em i s t a k e sc a u s e di nc o n t a i n e rl o a d i n ga n du n l o a d i n g p r o c e s s t h et h e s i sc o m p l e t e dt h es t u d yw o r ko ft h em o n i t o r i n gs a m p l ed e v i c eo ft h e l o g i s t i cm o n i t o r i n gs y s t e ma n dr e a l i z e dt h eb a s i cf u c t i o no ft h el o g i s t i cm o n i t o r i n g t e r m i n a ls y s t e m u n d e rt h ec o n d i t o no fc u r r e n te x p e r i m e r i t p a ym o r ea t t e n t i o nt ot h e h a r d w a r es e l e c t i o na n dc o m p l e t e dt h eh a r d w a r ec i m u i td e s i g n w h i l ec o n s i d e r i n go f t h es y s t e ms a f e t ya sw e l la st h er e a l - t i m ep e r f o r m a n c e ，t a i u pt h es o f t w a r e d e s i g n ，t 哩h a r dt om a k et h es o f t w a r eo p t i m i z a t i o n t h r o u g hh a r d l yd e b u g g i n ga n d e x p e r i m e n t 。i t sp r o v e dt h a tt h i sp r o j e c ti sf e a s i b l e ，v v i t hr e a s o na n dh a v ef a v o r a b l e 2 基于无线接入技术的现代物流监控实验系统敷据终端研究 a p p l i c a t i o np r o s p e c t ，a c h i e v e dt h er e s e a r c hp u r p o s eo fa n t i c i p a t i o n d o n gy a o h u a ( t e l e c o m m u n i c a t i o n s a n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rx i eh o n g k e y w o r d s ：l o g i s t i cm o n i t o r i n g ，r f i d ，g p s ，g p r s 一3 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包括其他人或其他机构已 经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名 论文使用授权声明 日期：弘m 7 7 ， 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，郎：学校 有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签名 导师签名：皇塾3 孟 日期：兰立：! ! ! ! 基于无线接入技术的现代物流监控实验系统数据终端研究 1 1 研究背景 第一章绪论 随着改革开放政策的深化和国企改造计划的实施，市场形成了一个复杂的、多元 化的流通格局。智能交通、电子商务、物流配送等新型业态的崛起引发了流通组织， 流通方式的深刻变革。“现代物流”被认为是第三利润源【l 】，已成为现代经济的重要 组成部分和工业迸程中最为经济合理的综合服务模式，我国政府有关部门和广大企业 越来越深刻地认识到现代物流对于经济发展的促进作用。传统物流企业面临严峻挑 战，一场针对诸如成本、质量、服务和速度等重要指标的企业流程再造已成为当务之 急。 对于传统物流工业来讲，其最主要弊端在于信息化水平不高，不能提供实时的货 物出入库信息、定位信息、运输途中的装卸情况以及环境温度等信息，无法满足客户 的服务需求，这些增值服务恰恰是客户目前最为关心的问题。特别是危险品的运输， 任一环节出错，后果都不堪设想。面对客户苛刻运输要求，传统的物流公司举步维艰， 这些严峻的形式使得并迫使这些企业寻求一种快速、高效、准确的手段提高其服务信 息化水平。 现代物流监控系统就是能够满足这些服务需求的技术手段，它是集r f i d 识别技 术、g p s 定位技术、现代通信技术、数据库技术和g l s 地理信息技术于一体的高科 技系统，其主要功能是对物流运输过程中的运载工具进行动态跟踪，实时采集货物的 相关信息，利用无线通信设备将目标的位置和其他信息传送到远程监控中心，在监控 中心进行地图匹配后显示在监控器上。监控中心还能对运载工具的准确位置、速度和 状态以及货物信息等必要参数进行控制和查询，从而科学地进行货物管理和车辆调 度，提高货物运输管理中的效率，减少时间成本。如遇特殊紧急情况，可以向监控中 心发送报警信息，及时得到求助和支援。 由此可见，信息化带动物流产业的发展有着积极的作用，也为我国传统物流企业 提供了巨大的商机。 基于无线接入技术的现代物流监挖实验系统散据终端研究 1 2 课题在国内外的研究和应用现状 现代物流监控系统是伴随着网络信息化和现代信息技术的成熟而发展起来，它能 沟通和协调供需双方的物资调配和利益关系，简化流通环节，更好的体现现代社会的 效益理念1 2 】，国内外普遍对此十分关注，并在相关领域投入了大量的入力物力和财力。 纵观国际物流工业，不难发现，物流的全程控制和跟踪已成为现代物流发展的必然趋 势。 物流监控系统包括r f i d 技术、g p s 技术以及现代通信技术等，其中r f i d 技术 涉及信息、制造、材料等诸多高技术领域，涵盖无线通讯、芯片的天线设计与制造、 系统集成、信息安全等技术i 射。一些国家和国际跨国公司都在加速推动r f i d 技术的 研发和应用进程，在过去十年间，共产生数千项关于r f i d 技术的专利，主要集中在 美国、欧洲、日本和韩国等国家和地区。r f i d 读写器产品类型日益增多，部分先进 产品可以实现多协议兼容。我国已经推出了系列r f i d 读写器产品，小功率读写模块 已经达到国外同类水平，大功率读写模块和读写器片上系统( s o c ) 尚处于研发阶段。 尽管射频识别技术在诸如交通监控、车辆识别、仓储管理等很多领域都具有良好 的应用前景，并且已经逐步在一些领域开始广泛使用，但还是有很多因素制约着r f i d 技术的发展。首先是r f i d 的标准问题，目前还没有正式的r f i d 产品( 包括各个频 段) 的国际标准，i s o i e c1 8 0 0 0 也只是一个草案【4 j 。目前一些厂家推出r f i d 互不 兼容，这势必对未来的r f i d 产品互通和发展造成了阻碍。另外一个因素就是安全问 题，目前广泛使用的无源r f i d 系统并没有可靠安全机制，无法对数据进行保密。如 果要求保密的标签中的信息被窃取，复制并非法使用的话，可能会带来无法估量的损 失，在这方面，有源r f i d 系统的安全状况要相对完善些。如何在不增加成本的基础 上提高电子标签的安全性还是一个有待进一步研究的问题。 与射频识别技术比较而言，g p s 技术已经比较成熟，并结合无线通信技术已大 规模应用在i t s ( 智能交通系统) 1 5 】中，目前。国内从事g p s 车载产品和系列行业的从 业企业已超过10 0 0 家，而且这个数字还在继续增长，体现出这个行业在国内的热度 和吸引力嘲。许多通信网络公司可以提供g p s 接收机、g s m ，g p s 一体机、g i s 系 统、系统监控软件平台等，但由于该技术在国内hj j t 目j j 起步不久，系统设计还存在很多 问题，例如：监控软件功能比较落后，动态数据处理能力较差，数据通信格式不统一， 不同厂商间的产品不兼容等问题。 在应用方面，国外一些综合物流公司已建立了自身的全程跟踪查询系统，为用户 基于无线接入技术的现代物流监控实验系统数据终端研究 提供了货物的全程实时跟踪查询，这些区域性或全球性的物流企业利用网络上的优 势，目前正在将其业务沿着主营业务向供应链的上游和下游企业延伸，提供了大量的 增值服务。如美国的联邦快递f e d e x ，早在2 0 0 0 年就已经成功地应用了信息网络 ( p o w e m h i pn e t w o r k ) ，在信息技术支持下，这一网络可以使货主和收件人能够在全 球通过i n t e r n e t 浏览服务器实时跟踪其发运货物的状况。f e d e x 认为将信息网络和物 流网络的结合完全可以为消费者提供完整的增值服务。u p s 公司如今也认为提供信 息服务已是物流运输业务中一个至关重要的竞争因素，2 0 0 1 年就开始研究r f i d 技术 在物流领域的应用，考虑将r f i d 技术在最大程度上融入公司的货物跟踪服务系统 w o r l d s h i pd o m e s t j c 中川。 在国内，对现代物流监控的研究才起步不久，但也已经取得了很大发展。近几年 在全国各地就建立起了不同形式的移动监控定位系统，比如上海的测控网建设嘲，这 对于国内的物流监控平台建设提供了技术支持。另外中国移动g p r s 业务、中国联 通c d m a 业务运营也无疑给采集的数据信息的传输提供了十分理想的通讯方式。 g p r s 网络依附于原有的g s m 网络之上，非常适合突发数据应用业务，能高效利用 信道资源，其技术十分成熟；c d m a l x 移动相对于g p r s 网络而言，应用得比较晚， 但也逐渐应用到各个行业领域。上海出租车公司就已经采用c d m a l x 建设车辆调度 系统。 在我国众多的物流企业中，拥有最大物流配送体系的中国邮政已决定建立并完善 其基于i n t e r n e t 服务的物流配送环节。此外，一些地方的运输部门和企业也积极地为， 用户建立物流全程信息服务和有效控制与管理，并在局部小范围内建立了基于g p s 的物流运输系统。还有像我国烟草等行业的改革建设中也把r f i d 技术项目方案列入 了计划之中例。 尽管如此，国内与国外现代物流水平还有一定的差距，这主要是由于国内的物流 公司大多是由传统的储运公司转交而来l 删，还不能在技术和观念上满足现代物流的需 要，现在国内还没有物流企业能够提供货物的全程实时跟踪查询服务。在中国加入 、 r r o 后，发达国家的物流企业已迅速进入我国物流服务市场( 如美国u p s 已获得对 华的空中货物运输权) ，这必将加剧国内外物流行业的竞争。 基于无线接入技术的现代物流监控实验系统数据终端研究 1 3 课题的研究内容 综上所述，物流信息监控系统在物流企业运营中扮演着重要的角色，因此研究结 合新的物流信息采集技术的物流监控系统是非常有意义的，同时它对科研和教学也有 着重要的支撵作用。 现代物流监控是一个庞大的智能管理系统，它包括运载终端，监控中心以及客户 查询等三个主要部分。每个部分各成体系，又由无线网络或有线网络联接构成一个有 机整体。本文主要承担运载终端的实验系统设计。 在系统实现过程中，通过对国内外相关信息的广泛调研，借鉴以往开发的物流监 控系统基础上，引入了g p r s 这种基于分组交换技术的新型无线通信网络，发挥它 高速和永远在线的优点，利用它可靠、安全、快速、实时传递数据信息的通讯方式， 与g p s 定位技术和r f i d 信息技术集成，研究基于物流运载终端的监控实验系统。 其系统功能的设计目标如下： 在物流运载终端上，能实时通过可视化界面查询运载工具以状态货物情况， 以便在装卸或运输途中，管理货物； 运载终端支持报警功能，能根据实际运输情况，设定不同报警阀值； 运载终端可采用“人机对话”或定时查询方式，将采集到的监控信息传输到 远程监控中心；同时也可以接收远程监控中心指令，执行相关操作。 本文以实现这些功能为主线，分为三大部分进行阐述，分别是：关键技术、硬件 设计和软件实现。内容提要如下： 第一章介绍了本文研究的背景、国内外研究现状以及本文研究的主要内容。 第二章简述了r f i d 、g p s 、g p r s 三大技术，以及它们的技术优势。 第三章介绍了现代物流监控系统中运载监控终端的系统结构和工作原理，分别对 监控终端、监控中心和中间网络作了说明。最后对三个功能模块的数据格式和通信方 式进行了论述。 第四章介绍了实验运载监控终端的硬件、软件实现过程。 第五章介绍了实验系统的运行结果，并结合实验过程中遇到的问题对实验结果进 行了分析。 第六章是对本文的总结和展望。 基于无线接入技术的现代物流监控实验系统数据终端研究 2 1 概述 第二章现代物流监控系统的关键技术 r f i d 、g p s 、g p r s 本来是三个独立领域的技术，由于本身的特性与优势，使 得它们能在现代物流监控系统中完美的结合在一起。r f i d 能够对描述货物相关属性 的数据进行采集，以实现自动控制、监视等功能；g p s 定位技术以其全天候、定位 精度高、定位时间短的优势成为广域网范围定位的首选l “】；g p r s 通信技术是在g s m 网络基础上发展起来的通行技术，具有g s m 的优势，由于网络传输速度快，数据分 组交换业务能与因特网互联，越来越多地应用到数据无线传输业务中1 1 2 1 。 2 2 无线射频识别( r f i d ) 2 2 1 射频技术的概念 无线射频识别技术( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，r f i d ) 是一种非接触的自 动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合( 电感和电磁耦合) 传输特性， 实现对被识别物体的自动识别l 埘。 射频识别系统般由两个部分组成，即电子标签( t a g ) 和阅读器( r e a d e r ) 。在 r f i d 的实际应用中，电子标签附着在被识别的物体上( 表面或内部) ，当带有电子标 签的货物在阅读器可识读范围内时，阅读器自动以无接触的方式将电子标签中的约定 识别信息取出，从而实现自动识别物体或自动采集货物标志信息的功能，其中阅读器 系统又包括读头和天线，有的读头将天线和读头模块集成在一个设备单元中。此外， 为了更好地完成无线射频识别技术的识读功能，在较大型的r f i d 系统中，还需要用 到中间件等附属设备来完成对多读头( 可以是不同厂家的产品) 识别系统的管理。 2 2 2 电子标签 电子标签是r f i d 系统真正的数据载体，存储了唯一的d 号以及与其绑定的物 品的相关信息。对有些标签而言，其存储的数据是可以有限次擦写的，这可以使电子 基于无线接入技术的现代物流监控实验系统数据终端研究 标签循环利用，节约成本。与条形码相比，r f i d 标签具有防水、肪磁、耐高温、使 用寿命长、读取距离大、存储数据容量大等优点。 电子标签根据获取电能方式的不同，目前可分为有源和无源两种( 或者称为主动 式和被动式) ，前者需要有稳定的电源供电，需要大的功耗，但能增大读取的距离， 提高存储的容量以及数据传输的可靠性。但对无源标签来讲，它具有体积小，系统紧 凑，成本低廉等特点。系统工作时，阅读器发出微波查询( 能量) 信号，无源电子标 签收到微波查询能量信号后，将其一部分整流为直流电源供电子标签内的电路工作， 另一部分微波能量信号被电子标签内保存的数据信息调制( a s 旧后反射回阅读器。阅 读器接受反射回的幅度调制信号，从中提取出电子标签中保存的标识性数据信息，从 而达到无线识别的目的【1 4 1 。但在有源r f i d 系统中，因为其标签工作的特殊性，可以 通过电池的不同寿命对标签的使用时间和读取方式迸行限制。比如，可以设置有源标 签每2 0 0 m s 自动发送一次信息，或者一直休眠直到接受到读头的相关指令，才开始工 作。 2 2 3 阅读器 阅读器包括读头和天线。在无线射频识别系统中，读头是r f i d 构成的主要部分， 可通过计算机应用软件来对射频标签( 电子标签) 写入或读取其所携带的数据信息。 由于电子标签的非接触性质，就必须借助位于应用系统与标签之间的读头来现实数据 读写功能。读头主要完成以下功能： 读头与电子标签之闻的通信功能：在规定的技术条件下，读头与标签之间可 以进行通信。 读头可以通过标准接口如r s 2 3 2 、r s 4 8 5 等与计算机进行通信，也可以由 单片机系统处理器通过u a f l t 口或s p i 口来控制读头。 能够在读写范围内实现多标签同时识读，具备防冲撞功能。 能够校验读写过程中的错误信息。 以无源r f i d 系统为例，在工作程序中，处理器向读头发出读取命令。作为响应， 读头和标签之间就会建立起特定的通信。读头触发标签，并对所触发的标签进行身份 验证，然后标签开始传送所要求的数据。 因此，读头的基本任务是触发作为数据载体的电子标签，与这个电子标签建立通 基于无线接入技术的现代物流监控实验系统数据终端研究 信联系并且在应用软件和一个非接触的数据载体之间传输数据。这种非接触通信的系 列任务包括通信的建立、防止碰撞和身份验证等，均由读头来进行处理。 在现代物流监控系统中，贴在运载工具内各货物上的电子标签写入了货物的基本 信息和编号，r f i d 读头与电子标签之间可每几微秒通信一次，实时了解运载工具上 的货物信息、以及运输途中货物装卸或出入库等情况，能实现对货物进行智能管理。 2 2 4r f i d 国际标准 r f i d 的标准直存在争议，目前还没有正式的r f i d 产品( 包括各个频段) 国 际标准，因此各个厂家推出的r f i d 产品几乎不能兼容，造成了r f i d 产品推广的壁 垒。以r f i d 标签与阅读器之阀的迸行通信的频段为例，其频段就达5 种之多，分别 是1 3 5 k h z 以下、1 3 弱m h z 、8 6 0 9 2 8 m h z ( u h f l 、2 4 5 g h z 以及5 8 g h z i ”l 。每 种各具特色也都有缺陷。前两者使用广泛，但通信速度过慢，传输距离也不够长；而 后三者频段高，通信距离远，但耗电量也大。 目前r f i d 的空中接口存在i s o | e c18 0 0 0 、e p c g l o b a l 、日本u i d 三个技术标 准阵营，这三个标准相互之间并不兼容，主要差别在通讯方式、防冲突协议和数据格 式这三个方面，在技术上差距其实并不大l 。 i s o 哐c1 8 0 0 0 标准是最早开始制定的关于r f i d 的国际标准，按频段被划分为 7 个部分。目前支持l s o i e c1 8 0 0 0 标准的r f i d 产品最多。e p cg l o b a l 是由u c c 和e a n 两大组织联合成立、吸收了麻省理工a u - t oi d 中心的研究成果后推出的系列 标准草案。e p cg i o b a l 最重视u h f 频段的r f i d 产品，极力推广基于e p c 编码标 准的r f i d 产品【切。目前，e p cg i o b a l 标准的推广和发展十分迅速，许多大公司如 沃尔玛、t e s c o 等都是e p c 标准的支持者。日本泛在识别中心( u b i q u i t o u si dc e n t e r ) 一直致力于本国标准的r f i d 产品开发和推广，拒绝采用美国的e p c 编码标准。与 美国大力发展u h f 频段r f i d 不同的是，日本对2 4 g h z 微波频段的r f i d 似乎更 加青睐，目前日本已经开始了许多2 4 g h zr f i d 产品的实验和推广工作。标准的制 定面临越来越多的知识产权纠纷。不同的企业都想为自己的利益努力。同时，e p c 也正努力成为i s o 的标准，但i s o 最终能否接受e p c 的r f i d 标准，目前还不得而 知。全球标准的不统一，硬件产品的兼容方面必然不理想，阻碍应用。 基十无线接入技术的现代物流监控实验系统数据终端研究 2 2 5r f i d 在现代物流监控中的优势 射频识别技术的显著优点在于非接触性，因此完成识别工作时无须人工干预，能 够实现识别自动化且不易损坏；可识别高速运动物体及同时识别多个电子标签，操作 快捷方便，可工作在各种恶劣环境，所以特别适合应用与物流运载工具内【。由于 r f i d 电子标签具有可读写能力，对于需要频繁改变数据内容的场合尤为适用。表2 - 1 描述了r f i d 相对于其他常用识别技术的特殊优势。 表2 - 1 常用自动识别技术比较 识别技术 条码磁卡 i c 卡r f i d 卡 纸、塑料薄膜、 信息载体磁性物质 e 2 p r o me 2 p r o m 金属表面 信息量 小一般大大 读写能力只读读写 读写读写 c c d 或激光束 读取方式电磁转换点擦除、写入无线通信 扫描 保密性差一般 最好 较好 智能化无无有有 抗干扰能力差较差好很好 寿命较短短长很长 成本最低 低较高较高 在现代物流监控的实际应用中，r f i d 系统可以指导和跟踪货物运输到分类的地 点，通过实时收集的货物信息，调度和分配运输工具的有效工作时间。此外，它还能 帮助监控完成诸如运载工具的检视、集装箱分舱、内装货物的核对和确认，以及发货 单打印等工作。 r f i d 在该领域内的广泛应用，能够使货物运输过程中人为参与因素大量地减少， 借此获取更准确的货物信息，实现货物有效的在途控制。同时，进一步降低物流成本， 提高生产效率。这对管理者而言，就是可以随时地监控全局，更好地调整资源和劳动 力的配置等工作。 基于无线接入技术的现代物流监控实验系统数据终端研究 2 3 全球卫星定位技术g p s 2 3 1g p s 定位技术 g p s 1 9 l ( g i o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 是利用卫星的测时和测距进行导航，以 构成全球卫星定位系统。g p s 空间部分使用2 4 颗高度约2 0 2 万千米的卫星组成卫星 星座，其中由2 1 颗工作卫星和3 颗在轨备用卫星组成g p s 卫星星座，记作( 2 1 + 3 ) g p s 星座。2 4 颗卫星均匀分布在6 个轨道平面内，轨道倾角为5 5 。，各个轨道平面 之间相距6 0 0 ，即轨道的升交点赤经各相差6 0 。每个轨道平面内各颗卫星之间的升 交角距相差9 0 0 ，一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前3 0 。 卫星的分布使得在全球的任何地方，任何时间都可观测到四颗以上的卫星，并能保持 良好定位解算精度的几何图形( d o p ) 。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。 2 3 2g p s 定位特点 g p s 有如下六个特点： 1 、定位精度高 g p s 可为各类用户连续地提供精度的三维位置、三维速度和时间信息等【2 6 1 。 2 、观测时间短 随着g p s 系统的不断完善，软件的不断更新，目前2 0 k m 以内相对静态定位， 仅需1 5 2 0 m i n ；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在1 5 k m 以 内时，流动站观测时间只需1 2 m i n ，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟，立即 寻址速度快 2 7 1 。目前g p s 接收机的一次定位和测量工作在l s 甚至更小的时间内便 可完成，这对高速动态用户来讲尤其重要。 3 、执行操作简便 随着g p s 接收机不断改进，自动化程度越来越高，有的已达到“傻瓜化”的程 度；接收机的体积越来越小，重量越来越轻，极大地减轻测量复杂度。 4 、全球全天候作业 由于g p s 卫星数目较多且分布合理，所以在地球上任何地点均可连续同步地观 测到至少4 颗卫星，从而保障了全球1 2 8 1 。全天候连续实时导航与定位的需要。目煎 基于无线接入技术的现代物流监控实验系统数据终端研究 g p s 观测可在一天2 4 小时内的任何时间进行，不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪 等气候的影响。 5 、功能多、应用广 g p s 系统不仅可用于测量。导航，还可用于测速、测时。测速的精度可达0 1 m s ， 测时的精度可达到几十微妙【2 9 1 。其应用领域不断扩大。 综上，现有的物流监控系统和车辆导航系统，大部分采用g p s 技术，充分利用 g p s 定位的精度高、误差不随时间积累的优点。所以在本文的现代物流监控系统中 也同样采用g p s 技术。 2 3 3 其他几种定位技术的比较 目前，除g p s 定位技术外，还有很多诸如航迹推算定位、无线蜂窝网络定位等 技术【刎。 航道推算( d e a dr e c k o n i n g - - d r ) 【2 1 】是车辆导航定位中所采用的一种比较经典 的算法，其系统基本由测量航向角的传感器和测量距离的传感器构成。测量航向角的 传感器主要有磁罗盘、差动里程仪和角速率陀螺，测量距离的传感器主要有加速度计、 里程仪和多普勒雷达。从成本、应用环境、现实条件等方面考虑，般采用角速率陀 螺和里程仪组成航迹推算系统，误差来源主要是这些测角和测距的仪器的测量误差。 航迹推算导航定位技术是利用已知的初始位置，根据位置和方向的变化，实时确 定车辆等运动物体位置的一种导航定位方法【捌 z 3 1 。它是一种自主定位技术，其定位 精度不会受到如电磁、遮挡等来自外界因素的影响。但是航迹推算过程是个坐标增量 累加的过程，其定位的误差随时间积累，单独长时间地使用航迹推算就会有较大误差。 无线蜂窝网络定位属于地面无线定位系统，目前采用的技术方案可以划分为三大 类：基于网络的定位技术方案、基于终端的定位技术方案以及两者混合的技术方案1 2 4 l 。 蜂窝网络无线定位属于新型的地面无线定位系统，在国内外的发展时间都很短， 有很多关键技术尚不成熟【2 5 1 。它有多种实现技术，各种实现方法的定位精度也不尽相 同，但总的来说定位精度还是比较低。但是随着移动通信的迅猛发展，蜂窝定位技术 的研究日趋活跃，相信技术会越来越成熟，定位精度也会越来越高，其应用前景应该 是十分广阔的。 基于无线接入技术的现代物流监控实验系统数据终端研究 2 4g p r s 无线通信网络 本课题中，无论是r f i d 系统，还是g p s 定位方式，都是被动的，都仅仅是一 个单一的工作系统，本身不具备和其他系统通讯的能力，要实现现代物流监控，必须 能够实现把物流运载工具的定位信息和货物等信息根据实际需求传送到远程监控中 心，同时监控中心发出的指令信息也要能被运载终端接收到。运载终端与监控中心在 空间上的位置关系是远距离的，大范围的，动态变化的，无线通信方式无疑是最佳的 选择。就目前无线监控系统中采用较多的无线通信方式有集群方式、g s m 方 式、 g p r s 方式、c d m a 方式，后两者具备其他通信方式没有的优势：实时性高、速度 快、网络覆盖广，正在逐渐成为市场的主流【3 0 1 。在本文的现代物流监控系统中采用的 是g p r s 方式。 2 4 1g p r s 的特点及在物流监控中的优势 g p r s ( g e n e r a lp a c k e t r a d i os e r v i c e ) 通用分组数据业务，是第二代移动通信 技术g s m 向第三代移动通信的过渡技术，是g s mp h a s e - i - 2 规范实现的内容之一， 是一种基于g s m 的移动分组数据业务【3 l j 。g p r s 与g s m 系统最根本的区别是：g s m 是一种电路交换系统，而g p r s 是一种分组交换系统。g p r s 把分组交换技术引入 现有的g s m 系统，为移动用户和数据网络之间提供一种连接，给移动用户提供无线 l p 和2 5 服务。其主要特点如下： g p r s 利用分组技术，传输高速数据、低速数据和信令，使网络资源和无线 频谱资源得到更好的利用旧。 定义了新的g p r s 无线信道，并更加灵活地分配这些信道。每个t d m a 帧 被分为l 8 个时隙，这些时隙可被所有用户共享，且上行和下行信道分离。 并且利用所定义的不同编码方式，可以给用户提供比特率在9 1 7 0 k b p s 之 间的数据传输速率。 g p r s 支持基于标准数据通信协议的应用，可以和i p 网、2 5 网互联互通 【矧。支持特定的点对点和点对多点服务，以实现些特殊应用，如远程信息 处理。g p r s 也允许短信业务( s m s ) 经g p r s 无线信道传输。 g p r s 网络接入速度快，提供了与现有数据网的无缝连接。 基f 无线接八技术的现代物流监控实验系统数据终端研究 g p r s 采用四种信道编码方案以支持不同的数据传输速率，如表2 - 2 所示。 表2 - 2g p r s 信道编码方案与数据传输速率 每时隙所传输数据速度 编码方案最大数据传输速率( 妨p s ) ( k b p s ) c s 19 0 57 2 4 c s 21 3 41 0 7 2 c s 31 5 61 2 4 8 c s 42 1 41 7 1 2 在现代物流监控系统中，采用g p r s 的无线通信方式有以下几个优势： g p r s 突破了现有g s m 数据业务最高速率为9 6k b p s 的限制，数据速率最 高可以达到1 7 0k b p s l 3 4 l ，它允许用户以点对点的分组模式发送和接收数据， 不需要使用电路交换( c s d ) 模式下的任何网络资源，从而可以自主运营，并 且最适合突发数据的业务特性，这一特点对物流运输途中发生特殊情况报警 尤为重要。 g p r s 有永远在线的特点。除了速度上的优势，。永远在线”也是一个非常 适用的优点。 g p r s 移动终端的计费是根据用户数据传输的数量而不是无线网络的连接 时间来计费，价格非常便宜1 3 5 1 ，只要没有数据传输，即使“永远在线”，也 不会产生任何费用。用于r f i d 和g p s 的监控系统中，其费用也只是g s m 短信服务的十分之一，弥补了采用g s m 短信服务与数据中心联系时，短信 息数量大，费用高，且容易丢包的缺陷。 2 4 2g p r s 系统结构 g p r s 采用了g s m 同样的无线调制技术，一样的频率和相同的t d m a 帧结 构。g p r s 是在g s m 网的基础上通过增加服务支持节点( s g s n ) 、网关支持节点 ( g g s n ) 、分组控制单元( p c u ) 等设备，升级基站子系统( b b s ) 系统软件、计费软件 等发展而成，使得用户能够支持分组数据和最大限度地利用现有网络设备以及最小幅 基于无线接入技术的现代物流监控实验系统数据终端研究 度对现有网络的改动，同时考虑了网络能够平滑向3 g 过渡1 3 6 1 。其整体的网络结构如 图2 1 所示。 图中，移动终端( m s ) 通过g p r s 模块连接到g p r s 网络与之通信，g s n 是 g p r s 网络中最重要的网络节点【3 7 l 。g s n 具有移动路由管理功能，它可以连接各种 类型的数据网络，并可以连接到g p r s 寄存器。其主要功能是完成移动终端和各种 数据网络之间的数据传送和格式转换。它可以是一种类似路由器的独立设备，也可以 与g s m 中的移动交换中心( m s c ) 集成在一起。g s n 主要分两种类型：s g s n 和 g g s n 。 i 图2 - 1g p r s 系统结构图 s g s n 主要是记录移动终端的当前位置信息，并且在移动终端与g g s n 之间完 成移动分组数据的发送和接收。它与m s c 处于相同的体系层次，用于跟踪移动终端 的位置，执行移动性管理，安全性功能和接入控制。s g s n 通过帧中继与升级基站子 系统( b s s ) 相连，对于移动终端，s g s n 是g p r s 网络的服务访问点。 g g s n 主要网关作用，与外部网络( i n t e m 酿和x 2 5 ) 交互l 矧。它可以和多种不 同的数据网络连接，如综合数字信息网( i s d n ) 、分组交换公共数据网( p s p d n ) 和l a n 等。有的文献中，把g g s n 成为g p r s 路由器。从外部网络的角度来看，g g s n 是 g p r s 网络的路由器，它隐藏了g p r s 网络体系结构。通过基于i p 的g p r s 网络， g g s n 与s g s n 相连，一旦收到数据，g g s n 就检查该地址是否活动，若是，g g s n 将数据转发至服务相应移动终端的s g s n ；若不是，则丢弃该数据。 基于无线接入技术的现代物流监控实验系统数据终端研究 2 4 3g p r s 网络逻辑体系结构 从逻辑上来说，g p r s 通过在g s m 网络结构中添加s g s n 和g g s n 两个新 的网络节点来实现。由于增加了这两个网络节点，需要命名新的接口，图2 2 说明了 g p r s 的逻辑体系结构，表2 - 3 给出了g p r s 体系结构中的接口以及参考点。 除了这些接口和参考点之外，g p r s 还新增加了分组控制单元( p c u ，p a c k e t c o n t r o lu n i t ) 和g b 接e l 单元( g b l u g bi n t e r f a c eu n i t ) 网。其中p c u 使b s s 提供数 据功能、控制无线接口、使多个用户使用相同的无线资源。g b l u 提供从b s s 到s g s n 的标准接口。可以和p c u 合并在同一个物理实体中。由于g p r s 在g s m 网络中引 入了两个g p r s 支持节点和新的接口及单元，会对g s m 网络设备产生以下的影响。 h l r 现有软件需更颏，以支持g c 、g r 接口； m s c 现有软件需更新，以支持g s 接口； 在b s c 中引入p c u ，并且软件需要升级； b t s 配合b c f 进行相应的软件升级。 图2 - 2g p r s 逻辑体系结构图 基于无线接八技术的现代物流监控实验系统数据终端研究 表2 - - 3 一，主要g p r s 逻辑参考点说明 接口或参考点说明 r 非i s d n 终端与移动终端之h j 的参考点 g b s g s n 与b s s 之f h j 的接u g c g g s n 与h l r 之日j 的接口 g d s i s - g m s c 之h j 的接u ，s m s i i n i s c 与s g s n 之抖j 的接u g i g p r s 与外部分组数据之h j