船载集装箱货物物联网技术论文

一、船载集装箱货物监控系统架构设计

船载集装箱运输系统中，如图1所示，集装箱堆放位置和存放内容，每个航程都可能不相同。这种随机性决定了货物状态数据的采集不可能使用定点采集、有线传输方式。经对各种传输方式和特定对象的研究，在构建船载集装箱货物监控框架是，数据采集方案如下：1.研制无线移动采集终端模块，并将其悬挂在集装箱箱体外，传感器根据物体特性接入集装箱内或其他位置。移动采集模块中，内嵌Zigbee通信模块。船内各集装箱对应的采集模块构成Zigbee无线传感网，并通过汇集节点将各集装箱信号引入位于船内监控中心。2.研制无线协调终端模块作为Zigbee汇聚节点，该节点位于船内监控中心，并将汇集节点与船内监控主机互联。通过汇集节点，采集船内各集装箱货物状态数据。同时，监控主机还可通过船内工业以太网总线接入船舶主机数据、驾控台数据等，通过GPS接收本船位置信息、AIS接收周边船舶位置信息。以此，构成船内监控中心，在内陆或近海可经3G移动网络将重要数据传入岸基监控中心。3.若船内监控中心与集装箱货物存放区较远，或者有障碍遮挡，需要安装中继Zigbee节点，保证Zigbee无线传感网的连续性。船内监控系统由前端数据采集单元、GPS接收模块、AIS接受模块、Zigbee模块、3G通信模块、监控主机等组成，并可与船内机舱、驾控台监控系统互联。船内的监控系统总体架构如图2所示。前端传感器数据采集模块是由传感器模块与信息采集模块所组成。传感器一般是由敏感元件、转换元件、信号调理元件、微处理器所组成。信息采集模块由信号转换单元、电源单元、串口通信单元、微处理芯片所组成。将传感器通模块同过相应的接口电路与数据采集模块结合就可以对船载危险品的在途状态进行监测。前端传感器数据采集模块的原理框图如图3所示。

二、船内ZigBee网络通信模块研发

（一）船内Zigbee通信网络系统设计

Zigbee终端采集模块可以通过串口与前端数据采集模块相连接，当前端数据采集模块采集到传感器数据时，经过处理后传输到Zigbee终端采集模块。每个Zigbee终端采集模块设计有一个十六位标识地址，加电后即进入数据传输模式，同时把本模块标识地址传至Zigbee协调器模块。前端数据采集模块所采集的实时数据通过Zigbee终端采集模块和所建立的无线链路传输到协调器节点缓存区中，实现船内集装箱货物状态在线监控，而且经3G模块可转发到岸基监控中心。在Zigbee终端节点信号有效范围内，终端节点可直接与协调节点互联。否则，Zigbee终端节点需要与Zigbee路由节点相连接，然后通过路由节点与Zigbee协调器节点连接。Zigbee终端节点之间也可以相互发送数据，即每个终端节点可以作为路由节点转发数据。这样形成一个互联的Zigbee网络，每个节点在这个网络中都具有一个唯一的十六位地址，如果该网络中的协调器节点只有一个，则它的地址就是0X0000。Zigbee路由节点，或称中继节点主要实现网络深度的扩展及子节点管理，以保证终端数据能够顺畅的传输到Zigbee协调节点上。Zigbee协调器节点是Zigbee网络与3G网络、船内监控局域网连接的桥梁，完成Zigbee网络与3G网络、工业以太网网络数据的交换。

（二）Zigbee模块硬件电路设计Zigbee

无线模块是由电源电路、CC2530F256芯片、串行通信电路、按键与LED显示电路组成，其原理框图如图5所示。CC2530F256芯片作为单芯片Zigbee解决方案，已经将Zigbee协议的主要功能集成在CC2530F256芯片中(如RF电路)。在芯片程序存储区注入不同功能的程序与协议，该模块将会在Zigbee网络中起不同的作用。模块可以作为独立的Zigbee终端设备(如采集模块)，也可以作为Zigbee路由模块，用来扩展网络结构，还可以作为Zigbee协调器，用于和其它网络终端及其他异构网进行数据交换。基于本系统的功能需求，只需要对电源电路、通信电路、按键及LED显示电路三个方面进行设计。1.电源电路由于ZigBee模块中的CC2530F256芯片的工作电压是3.3V，而本系统的工作电压是5V所以需要对5V电压进行转换。ZigBee模块用的电压转换芯片为AMS1117，如图5所示的是AMS1117电路的最小单元。这些电路主要是降噪限流，确保电源系统更加稳定。2.通信电路前端采集模块采用的是异步串行口输出，输出的数据要经过Zigbee网络传输到监控中心，因此，在Zigbee模块与前端采集模块的有线连接中采用异步串行接口(RS232)，既可以简化电路设计也可以缩短开发周期。由于从前端采集模块采集的数据都经过了RS232电平的转换，所以Zigbee模块需要将信号电平转换为CC2530F256可以读写的电平模式，即在Zigbee模块的输入端加载一个SP3232E电平转换芯片，该转换芯片电路的设计相对简单，同时它属低功耗芯片，适合使用电池进行较长期供电。最后，将接口以插针方式引出，以适应外部连接要求。3.按键及LED显示电路Zigbee模块设计了两路LED指示等方便观测模块电源供电状态、系统的运行及组网状态。同时采用两路按键来进行模块测试和复位操作，在模块外部添加了外接180度旋转天线提高数据收发的覆盖范围，减小数据传输的误码率及收发功耗。Zigbee模块的硬件电路图如图5所示，Zigbee网络中所有类型的节点，即终端节点、路由节点、协调器节点的硬件电路相同。在Zigbee网络通信中，各模块应用于不同功能的通信节点，由软件编程实现。

（三）系统应用

以本文介绍的研究成果为基础开发的应用系统已投入应用，并取得了较好的社会经济效益。如图6所示，船载数据采集终端一方面通过接收GPS定位信号，对船舶航行的在途状态进行检测，同时采集船载集装箱货物信号。并将船舶的位置信息、船舶在途状态信息以及货物状态数据传送到船舶监控中心，及岸基监控中心。各Zigbee终端模块、中继路由模块、汇聚模块根据安装位置自主组网形成链路，而且软件系统可以检测到链路结构，并直观显示，如图6（a）所示。船载AIS终端接收周边船舶信息，并通过GIS技术、组态技术直观显示周边船位信息，并对可能出现的碰撞、货物过温过压等进行安全预警，如图6（b-d）所示。

三、结束语

本文在分析危险货物集装箱运输货物监控需求和船载集装箱运输特性的基础上，应用物联网技术设计了危险货物集装箱运输监控的架构。以整体框架分析结果为基础，研究了数据采集、传输、存储、管理及应用等，并集成到应急救助辅助决策系统中。通过实际应用反馈，达到了较好的效果。本文研究成果对于其它载运工具如汽车、火车等的危险品运输监测及预警系统开发可提供借鉴。

作者：孟伶伶 单位：天津市渤海化工职工学院