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WIFI通信理論下目標辨識與定位體系
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構安排。
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)濟與科技發(fā)展空間。物流產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟也隨之被注入新的活力而蓬勃發(fā)展，體現(xiàn)出了勢不可擋的增長趨勢。集裝箱作為物流過程中一種非常重要的運輸工具，具有高效、耐久性、可反復使用、有便于裝卸和搬運的裝置、運輸時無需中途換裝等優(yōu)點，對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，尤其在各大海運港口，其吞吐量增長率一直保持較高水平。有效地對物流中的集裝箱進行跟蹤和管理，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)務基本信息以及貨物物流到港中轉信息的電子標簽，從而使物流中對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)務中，集裝箱貨物進出港口、貨物統(tǒng)計、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，可對集裝箱進行有效的識別管理，解決貨物統(tǒng)計問題;利用 GPS 全球定位技術對集裝箱地理位置信息進行快速準確的獲取標定，結合網(wǎng)絡技術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，可以將獲取到的集裝箱信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)管理中心，從而實現(xiàn)對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 射頻識別、GPS 全球定位以及 WI-FI 無線通信技術進而對目標管理顯得特別重要。本課題研究的基于 WIFI 通信的目標識別與定位系統(tǒng)能夠對目標進行數(shù)字化維護、管理以及調(diào)度，具有較高的研究價值和市場前景。由此本課題成了嵌入式系統(tǒng)應用中的一個熱點 [11-13]。
1.2 課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
國外此類相關的技術已發(fā)展的比較成熟，在集裝箱物流產(chǎn)業(yè)方面設計出了許多高科技產(chǎn)品，做出了很大的貢獻。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環(huán)節(jié)已實現(xiàn)了全程機器自動化操作。英國物流公司 unipart 在 2007 年推出一項結合了 RFID 無線射頻技術、GPS 全球衛(wèi)星定位以及 GSM、GPRS 通訊三種技術的蹤器來追蹤物流貨物信息，并開始對全球客戶提供服務，目前這套技術已用在了捷豹汽車的整體供應鏈上并管理捷豹汽車從英國到美國的物流過程 [14]。EarthSearch 在 2010 年推出了了結合 RFID、GPS、GPRS 的新產(chǎn)品 TrailerSeal，用于遠程集裝箱的追蹤，提供實時貨物信息查詢[15]。更有在 2008 年 1 月，集裝箱海運公司 APL 采用 WhereNet 公司推出了其基于 RFID、GPS 的無線追蹤系統(tǒng)可實時定位的集裝箱并成功運用在海運上[16]。目前國內(nèi)集裝箱物流也在飛速的發(fā)展，各種高科技技術也被引入其中。為了提高我國集裝箱物流管理水平，達到國際一流水平，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。國內(nèi)很多公司都做了相關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)，并進行了一次運送 18 個集裝箱由中國內(nèi)地港口中轉香港港口前往美國的測試[17]。在 07 年創(chuàng)羿科技提出了應用 rfid 和 gpsone 進行港口集裝箱貨運管理方案，集當代技術公司研發(fā)、工程團隊自主開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權的 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，成為國內(nèi)現(xiàn)代物流管理的高科技工具。2012 年 1 月 17 日，國家標準化管理委員會、交通運輸部正式發(fā)布由全國勞模包起帆領銜研制的集裝箱 RFID 貨運標簽系統(tǒng)成為國際標準[18]。這是物聯(lián)網(wǎng)物流領域首個由國內(nèi)專家推出的國際標準，推動了國內(nèi)集裝箱物流運輸?shù)拇罅Πl(fā)展。
第 2 章 系統(tǒng)總體方案設計
本章首先闡述了基于WIFI通信的目標識別與定位系統(tǒng)應用于集裝箱物流管理的工作原理及架構。本著從技術先進性、經(jīng)濟實用性、可重復利用性以及易擴展、易維護等原則出發(fā)，結合對集裝箱的管理應用設計的方案，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。接著詳細說明了系統(tǒng)終端硬件以及軟件設計方案。
2.1 系統(tǒng)原理及架構
課題最大特點就是把射頻卡技術、GPS全球定位技術、無線局域網(wǎng)技術在嵌入式終端中進行整合。并以集裝箱物流管理的實際工程為作為課題研究應用背景。系統(tǒng)終端主要任務為對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、物流信息的傳輸。進而為實現(xiàn)對集裝箱貨物物流的跟蹤管理以及信息統(tǒng)計奠定基礎。設計從系統(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)寫入集裝箱所附標簽中的功能;具備獲取集裝箱所附標簽信息功能;具備將獲取到的標簽信息在液晶上顯示功能;具備將所獲標簽信息進行存儲功能;具備將獲取標簽信息通過WIFI發(fā)送到數(shù)據(jù)管理中心功能。
如上圖所示，系統(tǒng)工作共由四個主要部分組成，分別為待識別目標集裝箱及安裝在集裝箱上附帶貨物特征信息標簽、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。集裝箱為系統(tǒng)待管理目標，其附屬 Mifare S50 卡為本系統(tǒng)采用的目標標簽，用來存儲集裝箱物流管理需要的一些物流信息。對于集裝箱，通過系統(tǒng)終端設備對箱體安裝的 Mifare S50 卡進行快速閱讀。對獲取到集裝箱物流及其裝載物資信息進行統(tǒng)計匯總到數(shù)據(jù)庫文件中�？梢噪S時通過數(shù)據(jù)管理中心數(shù)據(jù)庫查詢鎖定目標，得到由 RFID 標簽提供的物流信息，完成對集裝箱貨物的跟蹤�；谝陨舷到y(tǒng)工作原理，本系統(tǒng)終端作為一個嵌入式數(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。硬件作為軟件的運行平臺，是系統(tǒng)終端的必須基礎條件。軟件作為硬件的體現(xiàn)，是系統(tǒng)工作運行的靈魂。
第3章 功能單元設計與測試.................... 18-49
3.1 系統(tǒng)終端電源單元設計.................... 18-19
3.2 系統(tǒng)終端存儲單元設計.................... 19-23
3.3 系統(tǒng)終端液晶觸摸單元設計.................... 23-27
3.4 GPS 功能單元設計與測試.................... 27-34
3.5 RFID 功能單元設計與測試.................... 34-41
3.6 WIFI 功能單元設計與測試.................... 41-49
第4章 系統(tǒng)軟件設計與編程 ....................49-59
4.1 系統(tǒng)終端應用程序設計與編寫 ....................49-54
4.2 服務器端應用程序設計與編寫.................... 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.................... 55-56
4.2.3 服務器端程序設計.................... 56-59
第5章 軟硬件集成與測試.................... 59-68
結論
在本系統(tǒng)的設計過程中，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)硬件平臺設計與測試、系統(tǒng)應用軟件開發(fā)以及系統(tǒng)終端功能與性能的驗證等過程。研究初期閱讀了國內(nèi)外課題相關的優(yōu)秀論文，打下堅實的理論基礎。為以后系統(tǒng)設計指明了研究方向，并對系統(tǒng)研究工作做了基本的規(guī)劃。設計了系統(tǒng)方案并對其可行性進行了評估。選擇了S3C2440作為系統(tǒng)終端處理器并對其結構與功能進行了詳細的研究，對各功能模塊進行了接口的初步設計規(guī)劃。對嵌入式 Linux操作系統(tǒng)進行深入學習，了解其特點、學習開發(fā)過程并進行相應的實踐過程。并最終確定了三個功能模塊的選型，閱讀了與芯片相關的資料以及硬件設計資料。
在研究中期主要完成了系統(tǒng)硬件和軟件的設計等工作。繪制了原理圖與PCB板，焊裝了電路板并進行了硬件的調(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)的驅動編程、應用程序編程、QT界面代碼的編寫工作。在實現(xiàn)這些功能的基礎上，編寫了服務器端上位機軟件。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。最終總結各個階段的研究、設計以及實踐過程，在對系統(tǒng)更加深入的理解的基礎上并撰寫論文。雖然目前基于WIFI通信的目標識別與定位系統(tǒng)實現(xiàn)了預期的功能，但是要成為一個實際的應用產(chǎn)品，還存在一些不成熟的地方。
1、作為一個嵌入式產(chǎn)品，最重要最難的地方是電源管理與功耗的設計，本系統(tǒng)在這方面由于作者時間、精力的關系而沒有完善。有必要進一步研究并設計一套帶完善電源管理的系統(tǒng)。
2、RFID射頻標簽選擇了低成本的被動式標簽，需要遠距離讀取標簽信息時應該采用主動式標簽，即有源標簽。
3、GPS接收機的設計未考慮到首次定位時間，搜星時間相對較長。應在電路中加上后備電池，采用熱啟動或溫啟動模式來縮短啟動到有效定位時間。
4、本系統(tǒng)只是將集裝箱物流信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒⻊掌�，服務器端接收到�?shù)據(jù)在上位機界面上顯示并記錄到數(shù)據(jù)庫文件中。由于時間有限，未設計一個真正的上位機物流管理軟件。
總體來說，該系統(tǒng)功能相對來說已經(jīng)實現(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并廣泛應用。
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