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

1 引言
集裝箱是全球物流運輸?shù)暮诵难b備,全球國際貨運90%以上都是通過集裝箱完成,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)代物流的一個關(guān)鍵因素,由于集裝箱作為物流核心裝備沒有智能化,導(dǎo)致整個供應(yīng)鏈的信息孤立,整個供應(yīng)鏈的信息流的不暢通,是影響現(xiàn)代物流效率的一個關(guān)鍵因素[1][2][3]。此外,罐式集裝箱主要運輸液態(tài)物品和危險化學(xué)品,罐式集裝箱涉及到危險化學(xué)品的運輸和倉儲的安全,國際社會迫切需要智能化的罐式集裝箱來實時監(jiān)測本身的狀態(tài)和出現(xiàn)異常時進行主動控制,確保運輸和倉儲的危險化學(xué)品的安全[4]。對于冷藏集裝箱,食品、藥品等冷鏈物品,在發(fā)達國家為確保食品安全,基本都是通過冷藏集裝箱來完成,中國使用冷藏集裝箱實現(xiàn)冷鏈運輸?shù)内厔菀苍絹碓矫黠@,但集裝箱在冷鏈下要確保可監(jiān)測和可監(jiān)控,才可確保冷鏈食品藥品等物品的運輸安全和在途安全,才可確保食品藥品等除生產(chǎn)和銷售環(huán)節(jié)安全外,運輸和倉儲環(huán)節(jié)的安全。

因此,作為物流運輸裝備的核心的集裝箱,在現(xiàn)代快速物流、貨運安全、貨運監(jiān)管、國際反恐、和智能供應(yīng)鏈的行業(yè)需求下,迫切需要智能化、信息化,即實現(xiàn)集裝箱在供應(yīng)鏈和物聯(lián)網(wǎng)下的可視、可監(jiān)測和可控制。
基于無線傳感網(wǎng)技術(shù)設(shè)計遠程監(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、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)點設(shè)計的好壞直接影響監(jiān)測系統(tǒng)的功能與性能。文獻[5]以節(jié)能為目標,設(shè)計了無線傳感節(jié)點,并完成一個小型無線傳感網(wǎng)絡(luò)的搭建,實現(xiàn)節(jié)點級節(jié)能和網(wǎng)絡(luò)級節(jié)能的自適應(yīng)控制發(fā)射功率。文獻[6]以可靠性高、抗干擾能力強、成本低廉和體積小巧為設(shè)計目標,基于單片機技術(shù)和少量外圍電路設(shè)計了完整測量系統(tǒng)。
本文針對目前集裝箱物流業(yè)提出的智能化與安全問題,要求研究開發(fā)智能傳感器用于物流過程的監(jiān)測與跟蹤,本文開發(fā)了一套基于甚低功耗無線通信技術(shù)ZigBee的智能溫濕度傳感器節(jié)點。本設(shè)計采用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)上進行應(yīng)用開發(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標準和TI第二代ZigBee SOC CC2530F256芯片,模塊采用SMT工藝,工作在免費的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,方便客戶開發(fā)符合IEEE 802.15.4、ZigBee 2007、ZigBee Pro和ZigBee RF4CE等標準或其他非標的產(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數(shù)字信號輸出的溫濕度復(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期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電容式感濕元件和一個NTC測溫元件,并與一個高性能8位單片機相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、響應(yīng)快、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點。每個DHT21傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數(shù)以程序的形式儲存在OTP內(nèi)存中,傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準系數(shù)。單線制串行接口,使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗,信號傳輸距離可達20米以上,使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場合的最佳選擇。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10個,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設(shè)備。模塊與移動應(yīng)用設(shè)備通過一個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發(fā)板的硬件接口。
SIM300內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧,并且擴展了TCP/IP AT指令,使用戶利用該模塊開發(fā)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備變得特別簡單、方便。

3 系統(tǒng)設(shè)計
3.1 硬件總體設(shè)計
整個溫濕度實時監(jiān)控系統(tǒng)由兩個基于RF無線通訊協(xié)議的模塊組成,一個是溫濕度采集模塊,一個是溫濕度監(jiān)控模塊。而用戶查詢模塊則是由一個GPRS模塊跟電腦COM口通訊以實現(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、無線傳輸兩個方面組成。溫濕度傳感器DHT21采集到的數(shù)據(jù)是數(shù)字信號,通過跟單片機串口通訊將當前的溫度、濕度數(shù)據(jù)傳送給CC2530,CC2530將得到的40BIT信號處理得出溫度、濕度的值,通過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)傳送給上位機做進一步的處理。此系統(tǒng)是點對點的傳輸,如果將發(fā)射端的節(jié)點增加,則變成了一個能同時處理多個集裝箱溫濕度實時監(jiān)控的系統(tǒng)。
硬件設(shè)計的時候,我們采用了TI公司配套的Z—STACK 協(xié)議棧,因為單獨開發(fā)RF通訊協(xié)議需要較長的開發(fā)周期,而TI公司提供的協(xié)議棧已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)溫濕度實時監(jiān)控的目的。但該通訊協(xié)議有一個缺點是寫程序的時候不知道它的內(nèi)核,因而會出現(xiàn)一些不兼容情況,需要反復(fù)調(diào)試程序。
智能監(jiān)測終端節(jié)點設(shè)計的主要技術(shù)指標:(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)控平臺能管理的節(jié)點數(shù)量不限;(5)低功耗的要求,連續(xù)運行時間2-3年;(6)防爆等級:符合國家IIB級防爆要求。