面向智能安全物流应用的无线传感器网络设计

1  引言
集装箱是全球物流运输的核心装备,全球国际货运90%以上都是通过集装箱完成,集装箱主要包括普通货物集装箱、罐式集装箱和冷藏集装箱。集装箱的智能化和信息化是影响现代物流的一个关键因素,由于集装箱作为物流核心装备没有智能化,导致整个供应链的信息孤立,整个供应链的信息流的不畅通,是影响现代物流效率的一个关键因素[1][2][3]。此外,罐式集装箱主要运输液态物品和危险化学品,罐式集装箱涉及到危险化学品的运输和仓储的安全,国际社会迫切需要智能化的罐式集装箱来实时监测本身的状态和出现异常时进行主动控制,确保运输和仓储的危险化学品的安全[4]。对于冷藏集装箱,食品、药品等冷链物品,在发达国家为确保食品安全,基本都是通过冷藏集装箱来完成,中国使用冷藏集装箱实现冷链运输的趋势也越来越明显,但集装箱在冷链下要确保可监测和可监控,才可确保冷链食品药品等物品的运输安全和在途安全,才可确保食品药品等除生产和销售环节安全外,运输和仓储环节的安全。

因此,作为物流运输装备的核心的集装箱,在现代快速物流、货运安全、货运监管、国际反恐、和智能供应链的行业需求下,迫切需要智能化、信息化,即实现集装箱在供应链和物联网下的可视、可监测和可控制。
基于无线传感网技术设计远程监控系统在各种监控系统中得到了广泛的应用,如军事领域、土壤环境监测、农业及工业控制等领域。作为信息采集的核心部件,智能终端节点设计的好坏直接影响监测系统的功能与性能。文献[5]以节能为目标,设计了无线传感节点,并完成一个小型无线传感网络的搭建,实现节点级节能和网络级节能的自适应控制发射功率。文献[6]以可靠性高、抗干扰能力强、成本低廉和体积小巧为设计目标,基于单片机技术和少量外围电路设计了完整测量系统。
本文针对目前集装箱物流业提出的智能化与安全问题,要求研究开发智能传感器用于物流过程的监测与跟踪,本文开发了一套基于甚低功耗无线通信技术ZigBee的智能温湿度传感器节点。本设计采用CC2530射频芯片及DHT21数字温湿度传感器,在ZigBee协议栈的基础上进行应用开发。

2  主要硬件模块
2.1  CC2530射频模块
Q2530RF模块是丘捷科技推出的第二代ZigBee模块,基于ZigBee2007标准和TI第二代ZigBee SOC CC2530F256芯片,模块采用SMT工艺,工作在免费的2.4G频段,数字IO接口全部引出,用处广泛;模块免除了客户射频开发的困难;软件方面支持TI-MAC,SimpliciTI,Z-Stack 2.3.0,RemoTI等软件包,方便客户开发符合IEEE 802.15.4、ZigBee 2007、ZigBee Pro和ZigBee RF4CE等标准或其他非标的产品。
2.2  温湿度传感器DHT21
DHT21数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术,确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件,并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、响应快、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT21传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中,传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口,使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗,信号传输距离可达20米以上,使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。产品为4 针单排引脚封装,连接方便,特殊封装形式可根据用户需求而提供。
2.3  GSM模块
SIM300 是一款三频段GPRS/GSM模块,可在全球范围内的EGSM 900MHz、DCS1800MHz、PCS 1900MHz三种频率下工作,能够提供GPRS 多信道类型多达10个,并且支持CS-1、CS-2、CS-3 和CS-4四种GPRS编码方案。
SIM300 结构小巧,外形尺寸仅40mm*33mm*2.85mm,几乎可满足所有对产品尺寸有要求的工业应用,比如智能电话,掌上电脑和其他移动设备。模块与移动应用设备通过一个60引脚的板连接器相连,它提供了除了RF 天线接口的其他所有模块与开发板的硬件接口。
SIM300内部集成了TCP/IP协议栈,并且扩展了TCP/IP AT指令,使用户利用该模块开发数据传输设备变得特别简单、方便。

3  系统设计
3.1  硬件总体设计
整个温湿度实时监控系统由两个基于RF无线通讯协议的模块组成,一个是温湿度采集模块,一个是温湿度监控模块。而用户查询模块则是由一个GPRS模块跟电脑COM口通讯以实现让用户查询相关信息,系统结构图如图1所示。

温湿度采集模块由温湿度采集、无线传输两个方面组成。温湿度传感器DHT21采集到的数据是数字信号,通过跟单片机串口通讯将当前的温度、湿度数据传送给CC2530,CC2530将得到的40BIT信号处理得出温度、湿度的值,通过RF模块将数据发送给温湿度监控端。
 温湿度监控端将RF模块接收到的数据传送给上位机做进一步的处理。此系统是点对点的传输,如果将发射端的节点增加,则变成了一个能同时处理多个集装箱温湿度实时监控的系统。
 硬件设计的时候,我们采用了TI公司配套的Z—STACK 协议栈,因为单独开发RF通讯协议需要较长的开发周期,而TI公司提供的协议栈已经能够实现温湿度实时监控的目的。但该通讯协议有一个缺点是写程序的时候不知道它的内核,因而会出现一些不兼容情况,需要反复调试程序。
智能监测终端节点设计的主要技术指标:(1)电源:+5V,抗干扰能力脉冲110V;(2)工作温度: -20℃～+70℃;(3)模块具有互换性,可方便拆卸; (4)监控平台能管理的节点数量不限;(5)低功耗的要求,连续运行时间2-3年;(6)防爆等级:符合国家IIB级防爆要求。[page]
3.2  主要模块工作流程
图2为温湿度采集端程序流程图

用户查询模块的功能是给用户提供了一个良好的查询平台,用户可以通过手机向终端发送一条查询短信,终端会将当前的温湿度数据以及集装箱稳定情况发回到用户手机上,这样用户可以在任何时候任何地方查询集装箱的具体情况,进行远程的实时监控。

3.3  硬件模块主要程序
本文的硬件系统采用高效的C语言编程,发送模块主要程序如下:
/*---RF传输配置---*/
basicRfConfig.panId = PAN_ID;
basicRfConfig.channel = RF_CHANNEL;
basicRfConfig.ackRequest = TRUE;
#ifdef SECURITY_CCM
basicRfConfig.securityKey = key;
#endif
/*---配置完成---*/
halBoardInit();  //初始化RF
if(halRfInit()==FAILED)
{HAL_ASSERT(FALSE);}
halLcdClear();  //初始化完毕
setmainclock(0);  //设置主频
initWDT();   //启动看门狗
RFsenddata();  //接收数据并传给电脑
接收模块核心程序如下:
/*---RF传输配置---*/
basicRfConfig.panId = PAN_ID;
basicRfConfig.channel = RF_CHANNEL;
basicRfConfig.ackRequest = TRUE;
#ifdef SECURITY_CCM
basicRfConfig.securityKey = key;
#endif
/*---配置完成---*/
halBoardInit();  //初始化RF
if(halRfInit()==FAILED)
{HAL_ASSERT(FALSE);}
halLcdClear();  //初始化完毕
RFrecdata();   //接收并处理数据[page]
3.4  监控系统设计
为了便于现场调试和测试系统的稳定性及性能,本文基于功能强大的VS2008设计了上位机系统软件。图5和图6分别是系统流程图及WEB监控系统流程图。

4  结束语
本文基于CC2530射频模块、GSM模块设计了用于智能安全集装箱应用的智能无线传感器系统,现场的监控系统可以方便系统的现场监控及调试。将温湿度信息通过GSM模块可传输到指定手机用户,大大方便了集装箱状态信息的监控。后续工作是基于开发的无线传感器节点,研究大规模集装箱监控系统的设计,以便实现产业化应用。

参考文献:
[1] Shouqin Zhou,Weiqing Ling,Zhongxiao Peng.An RFID-based remote monitoring system for enterprise internal production management[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2007,33,(7-8):837-844.
[2] 周受钦.RFID技术与集装箱追踪管理[J].RFID技术与应用.2007,(4):42-46.
[3] 周受钦,段战归.应用传感和网络技术实现危化品运输的智能与安全[J].物流技术与应用.2007,(9):84-87.
[4] GF Wei,J Yu.ZA Tang,SQ ZHOU.A Novel Tank Monitor for Transporting Hazardous Chemicals[C].The 3rd International Conference on Environmental Science and Technology in Houston,Texas,the United States of America (USA),August 6-9,2007.
[5] 王洁,石红丽,瞿小玲.基于射频识别的无线传感网节点设计研究[J].电子设计工程.2011,19(5):174-176.
[6] 孙行行,卢伟,钱宇宁,严如强.一种新型节能无线传感节点的设计与组网[J].南京信息工程大学学报(自然科学版).2011,3(5):391-397.