面向智能安全物流應(yīng)用的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

1 引言
集裝箱是全球物流運(yùn)輸?shù)暮诵难b備,全球國(guó)際貨運(yùn)90%以上都是通過(guò)集裝箱完成,集裝箱主要包括普通貨物集裝箱、罐式集裝箱和冷藏集裝箱。集裝箱的智能化和信息化是影響現(xiàn)代物流的一個(gè)關(guān)鍵因素,由于集裝箱作為物流核心裝備沒(méi)有智能化,導(dǎo)致整個(gè)供應(yīng)鏈的信息孤立,整個(gè)供應(yīng)鏈的信息流的不暢通,是影響現(xiàn)代物流效率的一個(gè)關(guān)鍵因素[1][2][3]。此外,罐式集裝箱主要運(yùn)輸液態(tài)物品和危險(xiǎn)化學(xué)品,罐式集裝箱涉及到危險(xiǎn)化學(xué)品的運(yùn)輸和倉(cāng)儲(chǔ)的安全,國(guó)際社會(huì)迫切需要智能化的罐式集裝箱來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)本身的狀態(tài)和出現(xiàn)異常時(shí)進(jìn)行主動(dòng)控制,確保運(yùn)輸和倉(cāng)儲(chǔ)的危險(xiǎn)化學(xué)品的安全[4]。對(duì)于冷藏集裝箱,食品、藥品等冷鏈物品,在發(fā)達(dá)國(guó)家為確保食品安全,基本都是通過(guò)冷藏集裝箱來(lái)完成,中國(guó)使用冷藏集裝箱實(shí)現(xiàn)冷鏈運(yùn)輸?shù)内厔?shì)也越來(lái)越明顯,但集裝箱在冷鏈下要確保可監(jiān)測(cè)和可監(jiān)控,才可確保冷鏈?zhǔn)称匪幤返任锲返倪\(yùn)輸安全和在途安全,才可確保食品藥品等除生產(chǎn)和銷售環(huán)節(jié)安全外,運(yùn)輸和倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)節(jié)的安全。

因此,作為物流運(yùn)輸裝備的核心的集裝箱,在現(xiàn)代快速物流、貨運(yùn)安全、貨運(yùn)監(jiān)管、國(guó)際反恐、和智能供應(yīng)鏈的行業(yè)需求下,迫切需要智能化、信息化,即實(shí)現(xiàn)集裝箱在供應(yīng)鏈和物聯(lián)網(wǎng)下的可視、可監(jiān)測(cè)和可控制。
基于無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在各種監(jiān)控系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用,如軍事領(lǐng)域、土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)及工業(yè)控制等領(lǐng)域。作為信息采集的核心部件,智能終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的好壞直接影響監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能與性能。文獻(xiàn)[5]以節(jié)能為目標(biāo),設(shè)計(jì)了無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn),并完成一個(gè)小型無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的搭建,實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)級(jí)節(jié)能和網(wǎng)絡(luò)級(jí)節(jié)能的自適應(yīng)控制發(fā)射功率。文獻(xiàn)[6]以可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、成本低廉和體積小巧為設(shè)計(jì)目標(biāo),基于單片機(jī)技術(shù)和少量外圍電路設(shè)計(jì)了完整測(cè)量系統(tǒng)。
本文針對(duì)目前集裝箱物流業(yè)提出的智能化與安全問(wèn)題,要求研究開(kāi)發(fā)智能傳感器用于物流過(guò)程的監(jiān)測(cè)與跟蹤,本文開(kāi)發(fā)了一套基于甚低功耗無(wú)線通信技術(shù)ZigBee的智能溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用CC2530射頻芯片及DHT21數(shù)字溫濕度傳感器,在ZigBee協(xié)議棧的基礎(chǔ)上進(jìn)行應(yīng)用開(kāi)發(fā)。

2 主要硬件模塊
2.1 CC2530射頻模塊
Q2530RF模塊是丘捷科技推出的第二代ZigBee模塊,基于ZigBee2007標(biāo)準(zhǔn)和TI第二代ZigBee SOC CC2530F256芯片,模塊采用SMT工藝,工作在免費(fèi)的2.4G頻段,數(shù)字IO接口全部引出,用處廣泛;模塊免除了客戶射頻開(kāi)發(fā)的困難;軟件方面支持TI-MAC,SimpliciTI,Z-Stack 2.3.0,RemoTI等軟件包,方便客戶開(kāi)發(fā)符合IEEE 802.15.4、ZigBee 2007、ZigBee Pro和ZigBee RF4CE等標(biāo)準(zhǔn)或其他非標(biāo)的產(chǎn)品。
2.2 溫濕度傳感器DHT21
DHT21數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù),確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件,并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)DHT21傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中,傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過(guò)程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口,使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗,信號(hào)傳輸距離可達(dá)20米以上,使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選擇。產(chǎn)品為4 針單排引腳封裝,連接方便,特殊封裝形式可根據(jù)用戶需求而提供。
2.3 GSM模塊
SIM300 是一款三頻段GPRS/GSM模塊,可在全球范圍內(nèi)的EGSM 900MHz、DCS1800MHz、PCS 1900MHz三種頻率下工作,能夠提供GPRS 多信道類型多達(dá)10個(gè),并且支持CS-1、CS-2、CS-3 和CS-4四種GPRS編碼方案。
SIM300 結(jié)構(gòu)小巧,外形尺寸僅40mm*33mm*2.85mm,幾乎可滿足所有對(duì)產(chǎn)品尺寸有要求的工業(yè)應(yīng)用,比如智能電話,掌上電腦和其他移動(dòng)設(shè)備。模塊與移動(dòng)應(yīng)用設(shè)備通過(guò)一個(gè)60引腳的板連接器相連,它提供了除了RF 天線接口的其他所有模塊與開(kāi)發(fā)板的硬件接口。
SIM300內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧,并且擴(kuò)展了TCP/IP AT指令,使用戶利用該模塊開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備變得特別簡(jiǎn)單、方便。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 硬件總體設(shè)計(jì)
整個(gè)溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)由兩個(gè)基于RF無(wú)線通訊協(xié)議的模塊組成,一個(gè)是溫濕度采集模塊,一個(gè)是溫濕度監(jiān)控模塊。而用戶查詢模塊則是由一個(gè)GPRS模塊跟電腦COM口通訊以實(shí)現(xiàn)讓用戶查詢相關(guān)信息,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

溫濕度采集模塊由溫濕度采集、無(wú)線傳輸兩個(gè)方面組成。溫濕度傳感器DHT21采集到的數(shù)據(jù)是數(shù)字信號(hào),通過(guò)跟單片機(jī)串口通訊將當(dāng)前的溫度、濕度數(shù)據(jù)傳送給CC2530,CC2530將得到的40BIT信號(hào)處理得出溫度、濕度的值,通過(guò)RF模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給溫濕度監(jiān)控端。
溫濕度監(jiān)控端將RF模塊接收到的數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)做進(jìn)一步的處理。此系統(tǒng)是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸,如果將發(fā)射端的節(jié)點(diǎn)增加,則變成了一個(gè)能同時(shí)處理多個(gè)集裝箱溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)控的系統(tǒng)。
硬件設(shè)計(jì)的時(shí)候,我們采用了TI公司配套的Z—STACK 協(xié)議棧,因?yàn)閱为?dú)開(kāi)發(fā)RF通訊協(xié)議需要較長(zhǎng)的開(kāi)發(fā)周期,而TI公司提供的協(xié)議棧已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。但該通訊協(xié)議有一個(gè)缺點(diǎn)是寫程序的時(shí)候不知道它的內(nèi)核,因而會(huì)出現(xiàn)一些不兼容情況,需要反復(fù)調(diào)試程序。
智能監(jiān)測(cè)終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的主要技術(shù)指標(biāo):(1)電源:+5V,抗干擾能力脈沖110V;(2)工作溫度: -20℃～+70℃;(3)模塊具有互換性,可方便拆卸; (4)監(jiān)控平臺(tái)能管理的節(jié)點(diǎn)數(shù)量不限;(5)低功耗的要求,連續(xù)運(yùn)行時(shí)間2-3年;(6)防爆等級(jí):符合國(guó)家IIB級(jí)防爆要求。