基于RFID物流定位系统手持查询终端的设计

摘要：现代物流运输业的迅速发展，已经暴露出了传统人工登记和手工交接方式所存在的诸多不足。为了降低物件在运输途中丢失的风险，及时准确地将物件送达目的地，传统的物件登记管理、中转交接和实时跟踪方式急需改善。文中介绍了一种基于ARM及RFID的物流定位系统手持查询终端的设计方法，该方法功能较全，工作可靠，且易于实现。
关键词：物流定位；手持终端；ARM；RFID

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。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。

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。

    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。本系统设计图如图3所示，其设计的板上资源如下：

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    (1)CPU处理器
    Samsung S3C2440A，主频400 MHz，最高533 MHz。
    (2)SDRAM内存
    在板64MB SDRAM；
    SDRAM时钟频率高达100 MHz。
    (3)FLASH存储器
    在板256MB NandFlash；
    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USBHost和1个USB SlaveB型接口。
    (5)系统时钟源
    12MHz无源晶振。
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313 V纽扣电池就能工作很长时间。该模块提供有SpyBi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。其设计框图如图4所示。

    (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。
    (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。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。[!--empirenews.page--]
    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。

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。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。

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。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。

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。
    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，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。

5 结语
    本物流定位查询系统结合了GPS全球定位技术、RFID射频识别、移动通信和嵌入式技术，可实现物流定位查询系统的需求。本系统通过提供一个良好的用户界面，给操作者带来了便利。其中，低功耗的MSP430+nRF24L01方案提高了RFID电源的使用寿命，具有很高的市场利用价值。