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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中的應用。接著(zhù)介紹了國內外集裝箱物流管理系統的研究及應用現狀，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(lái)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，體現出了勢不可擋的增長(cháng)趨勢。集裝箱作為物流過(guò)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(shí)無(wú)需中途換裝等優(yōu)點(diǎn)，對于日新月異的全球物流來(lái)說(shuō)尤為重要。集裝箱的優(yōu)越性能使得其使用需求越來(lái)越大，尤其在各大海運港口，其吞吐量增長(cháng)率一直保持較高水平。有效地對物流中的集裝箱進(jìn)行跟蹤和管理，也就顯得日益迫切和重要。傳統的集裝箱管理主要依賴(lài)人工管理、盤(pán)查，處于人工、半人工狀態(tài)，成本較高且效率相對低下�，F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(mǎn)足集裝箱物流中廣大客戶(hù)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、貨物統計、貨物安全檢查以及跟蹤是現代港口物流管理的一大課題。利用 RFID 射頻技術(shù)，可對集裝箱進(jìn)行有效的識別管理，解決貨物統計問(wèn)題;利用 GPS 全球定位技術(shù)對集裝箱地理位置信息進(jìn)行快速準確的獲取標定，結合網(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控調度問(wèn)題;在港口搭建無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò )，可以將獲取到的集裝箱信息傳輸到數據管理中心，從而實(shí)現對集裝箱物流信息的管理[6-10]。綜上所述，在嵌入式系統中整合 RFID 射頻識別、GPS 全球定位以及 WI-FI 無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)進(jìn)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能夠對目標進(jìn)行數字化維護、管理以及調度，具有較高的研究?jì)r(jià)值和市場(chǎng)前景。由此本課題成了嵌入式系統應用中的一個(gè)熱點(diǎn) [11-13]。
1.2 課題國內外研究現狀
國外此類(lèi)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)節已實(shí)現了全程機器自動(dòng)化操作。英國物流公司 unipart 在 2007 年推出一項結合了 RFID 無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)、GPS 全球衛星定位以及 GSM、GPRS 通訊三種技術(shù)的蹤器來(lái)追蹤物流貨物信息，并開(kāi)始對全球客戶(hù)提供服務(wù)，目前這套技術(shù)已用在了捷豹汽車(chē)的整體供應鏈上并管理捷豹汽車(chē)從英國到美國的物流過(guò)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(shí)時(shí)貨物信息查詢(xún)[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(wú)線(xiàn)追蹤系統可實(shí)時(shí)定位的集裝箱并成功運用在海運上[16]。目前國內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，達到國際一流水平，國內專(zhuān)家提出了在集裝箱管理系統中引入RFID、GPS 以及無(wú)線(xiàn) WIFI 通信等高科技技術(shù)。國內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，并進(jìn)行了一次運送 18 個(gè)集裝箱由中國內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(jìn)行港口集裝箱貨運管理方案，集當代技術(shù)公司研發(fā)、工程團隊自主開(kāi)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(lèi)集裝箱管理需求任務(wù)，成為國內現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(huì )、交通運輸部正式發(fā)布由全國勞模包起帆領(lǐng)銜研制的集裝箱 RFID 貨運標簽系統成為國際標準[18]。這是物聯(lián)網(wǎng)物流領(lǐng)域首個(gè)由國內專(zhuān)家推出的國際標準，推動(dòng)了國內集裝箱物流運輸的大力發(fā)展。
第 2 章 系統總體方案設計
本章首先闡述了基于WIFI通信的目標識別與定位系統應用于集裝箱物流管理的工作原理及架構。本著(zhù)從技術(shù)先進(jìn)性、經(jīng)濟實(shí)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，闡述了系統的工作原理，并由此搭建了系統終端的整體架構。接著(zhù)詳細說(shuō)明了系統終端硬件以及軟件設計方案。
2.1 系統原理及架構
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(wú)線(xiàn)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用背景。系統終端主要任務(wù)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(jìn)而為實(shí)現對集裝箱貨物物流的跟蹤管理以及信息統計奠定基礎。設計從系統需求的角度出發(fā)，首先系統數據終端需要具備獲取衛星的GPS全球定位經(jīng)緯度信息并將數據寫(xiě)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(jìn)行存儲功能;具備將獲取標簽信息通過(guò)WIFI發(fā)送到數據管理中心功能。
如上圖所示，系統工作共由四個(gè)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 GPS、系統終端以及數據管理終端。系統終端的開(kāi)發(fā)為本系統的研究重點(diǎn)。集裝箱為系統待管理目標，其附屬 Mifare S50 卡為本系統采用的目標標簽，用來(lái)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(guò)系統終端設備對箱體安裝的 Mifare S50 卡進(jìn)行快速閱讀。對獲取到集裝箱物流及其裝載物資信息進(jìn)行統計匯總到數據庫文件中�？梢噪S時(shí)通過(guò)數據管理中心數據庫查詢(xún)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工作原理，本系統終端作為一個(gè)嵌入式數據終端，完成以上工作過(guò)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，是系統終端的必須基礎條件。軟件作為硬件的體現，是系統工作運行的靈魂。
第3章 功能單元設計與測試.................... 18-49
3.1 系統終端電源單元設計.................... 18-19
3.2 系統終端存儲單元設計.................... 19-23
3.3 系統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 系統軟件設計與編程 ....................49-59
4.1 系統終端應用程序設計與編寫(xiě) ....................49-54
4.2 服務(wù)器端應用程序設計與編寫(xiě).................... 54-59
4.2.1 開(kāi)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)器端程序設計.................... 56-59
第5章 軟硬件集成與測試.................... 59-68
結論
在本系統的設計過(guò)程中，分別經(jīng)過(guò)了課題的研究背景調查、課題研究意義分析、系統硬件平臺設計與測試、系統應用軟件開(kāi)發(fā)以及系統終端功能與性能的驗證等過(guò)程。研究初期閱讀了國內外課題相關(guān)的優(yōu)秀論文，打下堅實(shí)的理論基礎。為以后系統設計指明了研究方向，并對系統研究工作做了基本的規劃。設計了系統方案并對其可行性進(jìn)行了評估。選擇了S3C2440作為系統終端處理器并對其結構與功能進(jìn)行了詳細的研究，對各功能模塊進(jìn)行了接口的初步設計規劃。對嵌入式 Linux操作系統進(jìn)行深入學(xué)習，了解其特點(diǎn)、學(xué)習開(kāi)發(fā)過(guò)程并進(jìn)行相應的實(shí)踐過(guò)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)的資料以及硬件設計資料。
在研究中期主要完成了系統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(jìn)行了硬件的調試與測試;移植了系統的bootloader與 Linux內核，采用分別是1.1.6的Uboot和2.6.30.4的Linux內核;最后完成了Linux下系統的驅動(dòng)編程、應用程序編程、QT界面代碼的編寫(xiě)工作。在實(shí)現這些功能的基礎上，編寫(xiě)了服務(wù)器端上位機軟件。研究后期的主要工作首先是系統總體功能的集成調試，測試并優(yōu)化軟件。接著(zhù)編寫(xiě)了 Linux下系統的啟動(dòng)腳本以及完善與制作新的文件系統。最后測試了系統的功能模塊的性能以及系統的穩定性。最終總結各個(gè)階段的研究、設計以及實(shí)踐過(guò)程，在對系統更加深入的理解的基礎上并撰寫(xiě)論文。雖然目前基于WIFI通信的目標識別與定位系統實(shí)現了預期的功能，但是要成為一個(gè)實(shí)際的應用產(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計，本系統在這方面由于作者時(shí)間、精力的關(guān)系而沒(méi)有完善。有必要進(jìn)一步研究并設計一套帶完善電源管理的系統。
2、RFID射頻標簽選擇了低成本的被動(dòng)式標簽，需要遠距離讀取標簽信息時(shí)應該采用主動(dòng)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(shí)間，搜星時(shí)間相對較長(cháng)。應在電路中加上后備電池，采用熱啟動(dòng)或溫啟動(dòng)模式來(lái)縮短啟動(dòng)到有效定位時(shí)間。
4、本系統只是將集裝箱物流信息數據傳輸到服務(wù)器，服務(wù)器端接收到數據在上位機界面上顯示并記錄到數據庫文件中。由于時(shí)間有限，未設計一個(gè)真正的上位機物流管理軟件。
總體來(lái)說(shuō)，該系統功能相對來(lái)說(shuō)已經(jīng)實(shí)現，但還需要做很多工作來(lái)完善本系統。希望本系統在今后的發(fā)展中得到更好的改進(jìn)并廣泛應用。
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