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WIFI通信理论下目标辨识与定位体系
第 1 章 绪论
本章根据课题研究背景分析了课题研究的必要性、可行性以及研究意义，并提出了课题在集装箱物流管理系统中的应用。接着介绍了国内外集装箱物流管理系统的研究及应用现状，最后阐述了本课题作者所做的主要工作以及论文结构安排。
1.1 课题研究背景及意义
物联网产业高效快速的发展，给全球信息产业带来新的经济与科技发展空间。物流产业经济也随之被注入新的活力而蓬勃发展，体现出了势不可挡的增长趋势。集装箱作为物流过程中一种非常重要的运输工具，具有高效、耐久性、可反复使用、有便于装卸和搬运的装置、运输时无需中途换装等优点，对于日新月异的全球物流来说尤为重要。集装箱的优越性能使得其使用需求越来越大，尤其在各大海运港口，其吞吐量增长率一直保持较高水平。有效地对物流中的集装箱进行跟踪和管理，也就显得日益迫切和重要。传统的集装箱管理主要依赖人工管理、盘查，处于人工、半人工状态，成本较高且效率相对低下。现代集装箱管理迫切需要引入一种能够记录集装箱物流业务基本信息以及货物物流到港中转信息的电子标签，从而使物流中对集装箱的管理更加有效，满足集装箱物流中广大客户的新要求[1-5]。在港口物流业务中，集装箱货物进出港口、货物统计、货物安全检查以及跟踪是现代港口物流管理的一大课题。利用 RFID 射频技术，可对集装箱进行有效的识别管理，解决货物统计问题;利用 GPS 全球定位技术对集装箱地理位置信息进行快速准确的获取标定，结合网络技术可以很好的解决集装箱货物管理中的货物跟踪与监控调度问题;在港口搭建无线局域网络，可以将获取到的集装箱信息传输到数据管理中心，从而实现对集装箱物流信息的管理[6-10]。综上所述，在嵌入式系统中整合 RFID 射频识别、GPS 全球定位以及 WI-FI 无线通信技术进而对目标管理显得特别重要。本课题研究的基于 WIFI 通信的目标识别与定位系统能够对目标进行数字化维护、管理以及调度，具有较高的研究价值和市场前景。由此本课题成了嵌入式系统应用中的一个热点 [11-13]。
1.2 课题国内外研究现状
国外此类相关的技术已发展的比较成熟，在集装箱物流产业方面设计出了许多高科技产品，做出了很大的贡献。荷兰的鹿特丹港(世界最大港口)以及德国的汉堡港口在物流装卸危险环节已实现了全程机器自动化操作。英国物流公司 unipart 在 2007 年推出一项结合了 RFID 无线射频技术、GPS 全球卫星定位以及 GSM、GPRS 通讯三种技术的踪器来追踪物流货物信息，并开始对全球客户提供服务，目前这套技术已用在了捷豹汽车的整体供应链上并管理捷豹汽车从英国到美国的物流过程 [14]。EarthSearch 在 2010 年推出了了结合 RFID、GPS、GPRS 的新产品 TrailerSeal，用于远程集装箱的追踪，提供实时货物信息查询[15]。更有在 2008 年 1 月，集装箱海运公司 APL 采用 WhereNet 公司推出了其基于 RFID、GPS 的无线追踪系统可实时定位的集装箱并成功运用在海运上[16]。目前国内集装箱物流也在飞速的发展，各种高科技技术也被引入其中。为了提高我国集装箱物流管理水平，达到国际一流水平，国内专家提出了在集装箱管理系统中引入RFID、GPS 以及无线 WIFI 通信等高科技技术。国内很多公司都做了相关的研究并取得了一定的成果。在 05 年通用电气推出一款用于集装箱物流的电子系统，并进行了一次运送 18 个集装箱由中国内地港口中转香港港口前往美国的测试[17]。在 07 年创羿科技提出了应用 rfid 和 gpsone 进行港口集装箱货运管理方案，集当代技术公司研发、工程团队自主开发出具有自主知识产权的 drf8x0x 系列的 rfid 产品、以及 dps8xox 系列 gpsone产品，能够有效完成港口的各类集装箱管理需求任务，成为国内现代物流管理的高科技工具。2012 年 1 月 17 日，国家标准化管理委员会、交通运输部正式发布由全国劳模包起帆领衔研制的集装箱 RFID 货运标签系统成为国际标准[18]。这是物联网物流领域首个由国内专家推出的国际标准，推动了国内集装箱物流运输的大力发展。
第 2 章 系统总体方案设计
本章首先阐述了基于WIFI通信的目标识别与定位系统应用于集装箱物流管理的工作原理及架构。本着从技术先进性、经济实用性、可重复利用性以及易扩展、易维护等原则出发，结合对集装箱的管理应用设计的方案，阐述了系统的工作原理，并由此搭建了系统终端的整体架构。接着详细说明了系统终端硬件以及软件设计方案。
2.1 系统原理及架构
课题最大特点就是把射频卡技术、GPS全球定位技术、无线局域网技术在嵌入式终端中进行整合。并以集装箱物流管理的实际工程为作为课题研究应用背景。系统终端主要任务为对集装箱物流信息采集、物流信息的输出显示、物流信息的录入以及存储、物流信息的传输。进而为实现对集装箱货物物流的跟踪管理以及信息统计奠定基础。设计从系统需求的角度出发，首先系统数据终端需要具备获取卫星的GPS全球定位经纬度信息并将数据写入集装箱所附标签中的功能;具备获取集装箱所附标签信息功能;具备将获取到的标签信息在液晶上显示功能;具备将所获标签信息进行存储功能;具备将获取标签信息通过WIFI发送到数据管理中心功能。
如上图所示，系统工作共由四个主要部分组成，分别为待识别目标集装箱及安装在集装箱上附带货物特征信息标签、全球定位系统 GPS、系统终端以及数据管理终端。系统终端的开发为本系统的研究重点。集装箱为系统待管理目标，其附属 Mifare S50 卡为本系统采用的目标标签，用来存储集装箱物流管理需要的一些物流信息。对于集装箱，通过系统终端设备对箱体安装的 Mifare S50 卡进行快速阅读。对获取到集装箱物流及其装载物资信息进行统计汇总到数据库文件中。可以随时通过数据管理中心数据库查询锁定目标，得到由 RFID 标签提供的物流信息，完成对集装箱货物的跟踪。基于以上系统工作原理，本系统终端作为一个嵌入式数据终端，完成以上工作过程需要硬件与软件两部分作为支撑。硬件作为软件的运行平台，是系统终端的必须基础条件。软件作为硬件的体现，是系统工作运行的灵魂。
第3章 功能单元设计与测试.................... 18-49
3.1 系统终端电源单元设计.................... 18-19
3.2 系统终端存储单元设计.................... 19-23
3.3 系统终端液晶触摸单元设计.................... 23-27
3.4 GPS 功能单元设计与测试.................... 27-34
3.5 RFID 功能单元设计与测试.................... 34-41
3.6 WIFI 功能单元设计与测试.................... 41-49
第4章 系统软件设计与编程 ....................49-59
4.1 系统终端应用程序设计与编写 ....................49-54
4.2 服务器端应用程序设计与编写.................... 54-59
4.2.1 开发环境搭建 ....................54-55
4.2.2 百度地图定位技术.................... 55-56
4.2.3 服务器端程序设计.................... 56-59
第5章 软硬件集成与测试.................... 59-68
结论
在本系统的设计过程中，分别经过了课题的研究背景调查、课题研究意义分析、系统硬件平台设计与测试、系统应用软件开发以及系统终端功能与性能的验证等过程。研究初期阅读了国内外课题相关的优秀论文，打下坚实的理论基础。为以后系统设计指明了研究方向，并对系统研究工作做了基本的规划。设计了系统方案并对其可行性进行了评估。选择了S3C2440作为系统终端处理器并对其结构与功能进行了详细的研究，对各功能模块进行了接口的初步设计规划。对嵌入式 Linux操作系统进行深入学习，了解其特点、学习开发过程并进行相应的实践过程。并最终确定了三个功能模块的选型，阅读了与芯片相关的资料以及硬件设计资料。
在研究中期主要完成了系统硬件和软件的设计等工作。绘制了原理图与PCB板，焊装了电路板并进行了硬件的调试与测试;移植了系统的bootloader与 Linux内核，采用分别是1.1.6的Uboot和2.6.30.4的Linux内核;最后完成了Linux下系统的驱动编程、应用程序编程、QT界面代码的编写工作。在实现这些功能的基础上，编写了服务器端上位机软件。研究后期的主要工作首先是系统总体功能的集成调试，测试并优化软件。接着编写了 Linux下系统的启动脚本以及完善与制作新的文件系统。最后测试了系统的功能模块的性能以及系统的稳定性。最终总结各个阶段的研究、设计以及实践过程，在对系统更加深入的理解的基础上并撰写论文。虽然目前基于WIFI通信的目标识别与定位系统实现了预期的功能，但是要成为一个实际的应用产品，还存在一些不成熟的地方。
1、作为一个嵌入式产品，最重要最难的地方是电源管理与功耗的设计，本系统在这方面由于作者时间、精力的关系而没有完善。有必要进一步研究并设计一套带完善电源管理的系统。
2、RFID射频标签选择了低成本的被动式标签，需要远距离读取标签信息时应该采用主动式标签，即有源标签。
3、GPS接收机的设计未考虑到首次定位时间，搜星时间相对较长。应在电路中加上后备电池，采用热启动或温启动模式来缩短启动到有效定位时间。
4、本系统只是将集装箱物流信息数据传输到服务器，服务器端接收到数据在上位机界面上显示并记录到数据库文件中。由于时间有限，未设计一个真正的上位机物流管理软件。
总体来说，该系统功能相对来说已经实现，但还需要做很多工作来完善本系统。希望本系统在今后的发展中得到更好的改进并广泛应用。
参考文献
[1] 庞召君. 基于射频识别技术的集装箱管理系统的设计与实现[D]. 天津：天津大学,2010.
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[4] 李会萍.基于 RFID 和 GPS 数字物流车载终端系统研究[D].广西：广西大学，2007.
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[9] 钱宏文、刘翔.基于 RFID/GPS/GPRS 的危险品监管系统的研究[J].物流工程与管理.2010, 32(8), 110-111
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