面向智能安全物流應用的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )設計

1 引言
集裝箱是全球物流運輸的核心裝備,全球國際貨運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,導致整個(gè)供應鏈的信息孤立,整個(gè)供應鏈的信息流的不暢通,是影響現代物流效率的一個(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(huì )迫切需要智能化的罐式集裝箱來(lái)實(shí)時(shí)監測本身的狀態(tài)和出現異常時(shí)進(jìn)行主動(dòng)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(guò)冷藏集裝箱來(lái)完成,中國使用冷藏集裝箱實(shí)現冷鏈運輸的趨勢也越來(lái)越明顯,但集裝箱在冷鏈下要確?？杀O測和可監控,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(xiāo)售環(huán)節安全外,運輸和倉儲環(huán)節的安全。

因此,作為物流運輸裝備的核心的集裝箱,在現代快速物流、貨運安全、貨運監管、國際反恐、和智能供應鏈的行業(yè)需求下,迫切需要智能化、信息化,即實(shí)現集裝箱在供應鏈和物聯(lián)網(wǎng)下的可視、可監測和可控制。
基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)技術(shù)設計遠程監控系統在各種監控系統中得到了廣泛的應用,如軍事領(lǐng)域、土壤環(huán)境監測、農業(yè)及工業(yè)控制等領(lǐng)域。作為信息采集的核心部件,智能終端節點(diǎn)設計的好壞直接影響監測系統的功能與性能。文獻[5]以節能為目標,設計了無(wú)線(xiàn)傳感節點(diǎn),并完成一個(gè)小型無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的搭建,實(shí)現節點(diǎn)級節能和網(wǎng)絡(luò )級節能的自適應控制發(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計目標,基于單片機技術(shù)和少量外圍電路設計了完整測量系統。
本文針對目前集裝箱物流業(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)程的監測與跟蹤,本文開(kāi)發(fā)了一套基于甚低功耗無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)ZigBee的智能溫濕度傳感器節點(diǎn)。本設計采用CC2530射頻芯片及DHT21數字溫濕度傳感器,在ZigBee協(xié)議棧的基礎上進(jìn)行應用開(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,數字IO接口全部引出,用處廣泛;模塊免除了客戶(hù)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(hù)開(kāi)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數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專(zhuān)用的數字模塊采集技術(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(cháng)期穩定性。傳感器包括一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)NTC測溫元件,并與一個(gè)高性能8位單片機相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、響應快、抗干擾能力強、性?xún)r(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室中進(jìn)行校準。校準系數以程序的形式儲存在OTP內存中,傳感器內部在檢測信號的處理過(guò)程中要調用這些校準系數。單線(xiàn)制串行接口,使系統集成變得簡(jiǎn)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(lèi)應用甚至最為苛刻的應用場(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用戶(hù)需求而提供。
2.3 GSM模塊
SIM300 是一款三頻段GPRS/GSM模塊,可在全球范圍內的EGSM 900MHz、DCS1800MHz、PCS 1900MHz三種頻率下工作,能夠提供GPRS 多信道類(lèi)型多達10個(gè),并且支持CS-1、CS-2、CS-3 和CS-4四種GPRS編碼方案。
SIM300 結構小巧,外形尺寸僅40mm*33mm*2.85mm,幾乎可滿(mǎn)足所有對產(chǎn)品尺寸有要求的工業(yè)應用,比如智能電話(huà),掌上電腦和其他移動(dòng)設備。模塊與移動(dòng)應用設備通過(guò)一個(gè)60引腳的板連接器相連,它提供了除了RF 天線(xiàn)接口的其他所有模塊與開(kāi)發(fā)板的硬件接口。
SIM300內部集成了TCP/IP協(xié)議棧,并且擴展了TCP/IP AT指令,使用戶(hù)利用該模塊開(kāi)發(fā)數據傳輸設備變得特別簡(jiǎn)單、方便。

3 系統設計
3.1 硬件總體設計
整個(gè)溫濕度實(shí)時(shí)監控系統由兩個(gè)基于RF無(wú)線(xiàn)通訊協(xié)議的模塊組成,一個(gè)是溫濕度采集模塊,一個(gè)是溫濕度監控模塊。而用戶(hù)查詢(xún)模塊則是由一個(gè)GPRS模塊跟電腦COM口通訊以實(shí)現讓用戶(hù)查詢(xún)相關(guān)信息,系統結構圖如圖1所示。

溫濕度采集模塊由溫濕度采集、無(wú)線(xiàn)傳輸兩個(gè)方面組成。溫濕度傳感器DHT21采集到的數據是數字信號,通過(guò)跟單片機串口通訊將當前的溫度、濕度數據傳送給CC2530,CC2530將得到的40BIT信號處理得出溫度、濕度的值,通過(guò)RF模塊將數據發(fā)送給溫濕度監控端。
溫濕度監控端將RF模塊接收到的數據傳送給上位機做進(jìn)一步的處理。此系統是點(diǎn)對點(diǎn)的傳輸,如果將發(fā)射端的節點(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)監控的系統。
硬件設計的時(shí)候,我們采用了TI公司配套的Z—STACK 協(xié)議棧,因為單獨開(kāi)發(fā)RF通訊協(xié)議需要較長(cháng)的開(kāi)發(fā)周期,而TI公司提供的協(xié)議棧已經(jīng)能夠實(shí)現溫濕度實(shí)時(shí)監控的目的。但該通訊協(xié)議有一個(gè)缺點(diǎn)是寫(xiě)程序的時(shí)候不知道它的內核,因而會(huì )出現一些不兼容情況,需要反復調試程序。
智能監測終端節點(diǎn)設計的主要技術(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)監控平臺能管理的節點(diǎn)數量不限;(5)低功耗的要求,連續運行時(shí)間2-3年;(6)防爆等級:符合國家IIB級防爆要求。