面向智能安全物流應用的無線傳感器網絡設計

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關鍵因素,由于集裝箱作為物流核心裝備沒有智能化,導致整個供應鏈的信息孤立,整個供應鏈的信息流的不暢通,是影響現代物流效率的一個關鍵因素[1][2][3]。此外,罐式集裝箱主要運輸液態物品和危險化學品,罐式集裝箱涉及到危險化學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測本身的狀態和出現異常時進行主動控制,確保運輸和倉儲的危險化學品的安全[4]。對于冷藏集裝箱,食品、藥品等冷鏈物品,在發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冷鏈運輸的趨勢也越來越明顯,但集裝箱在冷鏈下要確保可監測和可監控,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和銷售環節安全外,運輸和倉儲環節的安全。

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需求下,迫切需要智能化、信息化,即實現集裝箱在供應鏈和物聯網下的可視、可監測和可控制。
基于無線傳感網技術設計遠程監控系統在各種監控系統中得到了廣泛的應用,如軍事領域、土壤環境監測、農業及工業控制等領域。作為信息采集的核心部件,智能終端節點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,設計了無線傳感節點,并完成一個小型無線傳感網絡的搭建,實現節點級節能和網絡級節能的自適應控制發射功率。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提出的智能化與安全問題,要求研究開發智能傳感器用于物流過程的監測與跟蹤,本文開發了一套基于甚低功耗無線通信技術ZigBee的智能溫濕度傳感器節點。本設計采用CC2530射頻芯片及DHT21數字溫濕度傳感器,在ZigBee協議棧的基礎上進行應用開發。

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;模塊免除了客戶射頻開發的困難;軟件方面支持TI-MAC,SimpliciTI,Z-Stack 2.3.0,RemoTI等軟件包,方便客戶開發符合IEEE 802.15.4、ZigBee 2007、ZigBee Pro和ZigBee RF4CE等標準或其他非標的產品。
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。它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術,確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。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。因此該產品具有品質卓越、響應快、抗干擾能力強、性價比極高等優點。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程中要調用這些校準系數。單線制串行接口,使系統集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗,信號傳輸距離可達20米以上,使其成為各類應用甚至最為苛刻的應用場合的最佳選擇。產品為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 結構小巧,外形尺寸僅40mm*33mm*2.85mm,幾乎可滿足所有對產品尺寸有要求的工業應用,比如智能電話,掌上電腦和其他移動設備。模塊與移動應用設備通過一個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板的硬件接口。
SIM300內部集成了TCP/IP協議棧,并且擴展了TCP/IP AT指令,使用戶利用該模塊開發數據傳輸設備變得特別簡單、方便。

3 系統設計
3.1 硬件總體設計
整個溫濕度實時監控系統由兩個基于RF無線通訊協議的模塊組成,一個是溫濕度采集模塊,一個是溫濕度監控模塊。而用戶查詢模塊則是由一個GPRS模塊跟電腦COM口通訊以實現讓用戶查詢相關信息,系統結構圖如圖1所示。

溫濕度采集模塊由溫濕度采集、無線傳輸兩個方面組成。溫濕度傳感器DHT21采集到的數據是數字信號,通過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RF模塊將數據發送給溫濕度監控端。
溫濕度監控端將RF模塊接收到的數據傳送給上位機做進一步的處理。此系統是點對點的傳輸,如果將發射端的節點增加,則變成了一個能同時處理多個集裝箱溫濕度實時監控的系統。
硬件設計的時候,我們采用了TI公司配套的Z—STACK 協議棧,因為單獨開發RF通訊協議需要較長的開發周期,而TI公司提供的協議棧已經能夠實現溫濕度實時監控的目的。但該通訊協議有一個缺點是寫程序的時候不知道它的內核,因而會出現一些不兼容情況,需要反復調試程序。
智能監測終端節點設計的主要技術指標:(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數量不限;(5)低功耗的要求,連續運行時間2-3年;(6)防爆等級:符合國家IIB級防爆要求。