馬　帥，　楊柳濤

(上海船舶運輸科學(xué)研究所 航運技術(shù)與安全國家重點實驗室，上海 200135)

基于ZigBee技術(shù)的集裝箱自動監(jiān)測系統(tǒng)

馬帥，楊柳濤

(上海船舶運輸科學(xué)研究所 航運技術(shù)與安全國家重點實驗室，上海 200135)

摘要:在經(jīng)濟全球化的浪潮中，集裝箱運輸憑借其快速、安全、成本低的優(yōu)勢，在全球貨運中起著至關(guān)重要的作用。同時，對集裝箱信息采集的自動化、智能化的相對落后，阻礙了集裝箱運輸業(yè)的進一步發(fā)展。ZigBee是近些年興起的一種低功耗、低復(fù)雜度、低成本、短距離、易于嵌入的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),通過分析ZigBee技術(shù)和集裝箱運輸?shù)奶攸c，提出一種基于ZigBee技術(shù)的集裝箱自動監(jiān)測系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞:ZigBee技術(shù)；物聯(lián)網(wǎng)；集裝箱自動監(jiān)測系統(tǒng)

0引言

集裝箱運輸是運輸大宗貨物最為理想的方式，其標(biāo)準(zhǔn)化程度高、運輸安全、裝載密度大、包裝不易破損、環(huán)境適應(yīng)力強、堆垛規(guī)范且運輸成本低，是現(xiàn)代化運輸?shù)闹匾问剑瑐涫苌碳液涂蛻舻那嗖A。目前,全球貨物的流轉(zhuǎn)大部分需要靠集裝箱來完成。

近年來，我國各大港口的集裝箱吞吐量連創(chuàng)新高，集裝箱載運具有燃燒、腐蝕、有毒、爆炸、放射性等危險特性物品的頻率和數(shù)量也在逐年增加。此外,集裝箱的運輸過程較為復(fù)雜，從出發(fā)地到達目的地，一般要經(jīng)過公路、鐵路和海路的接力運輸才能完成，持續(xù)時間較長;在此期間，集裝箱還要在碼頭等貨物集散點進行裝卸和堆存，工作環(huán)境比較惡劣，溫度高、溫差大、酸堿腐蝕嚴(yán)重、振動沖擊大。如果操作不當(dāng)或監(jiān)管不嚴(yán),很可能造成集裝箱載運危險貨物事故發(fā)生而缺乏有效的預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)也是造成事故發(fā)生不可忽視的原因。

1集裝箱安全監(jiān)測的發(fā)展現(xiàn)狀

集裝箱監(jiān)測系統(tǒng)最早被用于公路運輸中車輛的管理。歐洲國家很早就在公路交通控制、收費等領(lǐng)域采用射頻識別(Radio Frequency IDentification,RFID)技術(shù)進行車輛識別；美國在20世紀(jì)90年代就開始采用全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)對車輛進行定位監(jiān)控。911事件后，美國加強了安保措施，不僅要求輸美集裝箱貨物必須先在出口方接受選擇查驗，還要求全程監(jiān)控并記錄集裝箱箱門是否在中途打開、箱體是否遭受破壞。由于美國在國際貿(mào)易中處于主導(dǎo)地位，這一舉措推動了集裝箱監(jiān)測研究的發(fā)展。隨著計算機、通信技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，RFID技術(shù)、GPS技術(shù)及GPRS技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于集裝箱的識別及追蹤中，現(xiàn)已能夠有效解決物流業(yè)中存在的貨物欺詐及失竊問題。但是，這類系統(tǒng)關(guān)注的主要信息是集裝箱貨物信息、集裝箱位置信息以及開關(guān)箱記錄等物流信息，不涉及集裝箱內(nèi)的狀態(tài)信息。因此，出于對運輸可靠性、安全性實際需要的考慮，集裝箱貨物的狀態(tài)監(jiān)測逐漸成為研究熱點。

秦玉等[3]開發(fā)了一種基于RFID技術(shù)的危險品集裝箱物流狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，但該系統(tǒng)只適用于公路運輸。這主要是因為在碼頭、貨物集散地和船舶上，集裝箱數(shù)量較多，受信號阻擋等因素影響，采用主動式的RFID技術(shù)也難以保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。許世博等[7]開發(fā)了一種基于ZigBee技術(shù)的海運煙花爆竹集裝箱自動監(jiān)測系統(tǒng)，具有較強的實用性，但使用環(huán)境較為單一。

2ZigBee技術(shù)概述

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低成本、大容量、可靠、延時短的雙向無線通信技術(shù)，具備自組網(wǎng)、多跳傳輸?shù)忍匦?，能夠較好地滿足集裝箱自動監(jiān)測系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的技術(shù)需求。ZigBee技術(shù)的基礎(chǔ)是IEEE802.15.4。IEEE802.15.4處理低級的介質(zhì)訪問控制層(Medium Access Control,MAC)和物理層協(xié)議，ZigBee聯(lián)盟對網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和應(yīng)用層協(xié)議進行了標(biāo)準(zhǔn)化。ZigBee可工作在2.4 GHz(全球流行)、868 MHz(歐洲流行)和915 MHz(美國流行)3個頻段上，分別具有最高250 kbit/s、20 kbit/s和40 kbit/s的傳輸速率，傳輸距離在10～75 m。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器設(shè)備、路由器設(shè)備和終端設(shè)備組成。其中：協(xié)調(diào)器設(shè)備是整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)的中心，其功能包括建立、維持和管理網(wǎng)絡(luò)，分配網(wǎng)絡(luò)地址等；路由器設(shè)備主要負責(zé)路由發(fā)現(xiàn)、消息傳輸、允許其他節(jié)點通過其接入到網(wǎng)絡(luò)；終端設(shè)備通過協(xié)調(diào)器設(shè)備或路由器設(shè)備接入到網(wǎng)絡(luò)中，主要負責(zé)數(shù)據(jù)采集或功能控制，但不允許其他設(shè)備通過其加入到網(wǎng)絡(luò)中。ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持3種拓撲結(jié)構(gòu)：星型、樹型和網(wǎng)狀型結(jié)構(gòu)。

1.星型拓撲(見圖1):包含1個協(xié)調(diào)器設(shè)備和多個終端設(shè)備，是最簡單的拓撲形式;所有的終端設(shè)備只和協(xié)調(diào)器設(shè)備進行通信;星型拓撲結(jié)構(gòu)的缺點是設(shè)備之間的數(shù)據(jù)路由只有唯一路徑，協(xié)調(diào)器設(shè)備可能成為整個網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的瓶頸。

2.樹型拓撲(見圖2):由一個協(xié)調(diào)器設(shè)備和多個星型結(jié)構(gòu)連接而成，節(jié)點除了能與自己的父設(shè)備或子設(shè)備互相通信以外，還能通過網(wǎng)絡(luò)中的樹型路由完成通信。

圖1　星型拓撲

圖2　樹型拓撲

3.網(wǎng)狀拓撲(見圖3):在樹型拓撲的基礎(chǔ)上實現(xiàn),與樹型拓撲不同的是，其允許網(wǎng)絡(luò)中所有具有路由功能的設(shè)備互相通信，由路由表完成路由查尋過程。

3系統(tǒng)方案的總體框架

集裝箱自動監(jiān)測系統(tǒng)的總體框架見圖4。提前在貨運汽車、火車、船舶、貨站和碼頭上安裝協(xié)調(diào)器設(shè)備和若干路由器設(shè)備，各節(jié)點適當(dāng)分部，組成ZigBee網(wǎng)絡(luò);在貨物裝入集裝箱后，安裝終端設(shè)備。在集裝箱的運輸過程中，通過運輸管理人員的操作，終端設(shè)備會先后加入、離開各個ZigBee網(wǎng)絡(luò)。在每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)下，終端設(shè)備均可將監(jiān)測到的集裝箱內(nèi)的狀態(tài)信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器設(shè)備，協(xié)調(diào)器設(shè)備與監(jiān)控終端連接，從而實現(xiàn)運輸過程中對集裝箱狀態(tài)的全程監(jiān)測;如發(fā)現(xiàn)情況異常，監(jiān)控終端將自動報警，從而方便管理人員和運輸人員及時采取措施。同時,監(jiān)控終端可將采集到的集裝箱狀態(tài)信息以及基于全球定位系統(tǒng)的位置信息通過因特網(wǎng)、全球移動通信網(wǎng)或衛(wèi)星通信的方式發(fā)送至遠程信息監(jiān)控中心，從而實現(xiàn)對集裝箱狀態(tài)的遠程、全程自動監(jiān)測。

圖3　網(wǎng)狀拓撲

圖4　集裝箱監(jiān)測系統(tǒng)總體框架圖

4集裝箱自動監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)研究

集裝箱自動監(jiān)測系統(tǒng)的原理圖見圖5。系統(tǒng)由ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、監(jiān)控終端以及遠程信息監(jiān)控平臺構(gòu)成。

圖5　集裝箱監(jiān)測系統(tǒng)原理圖

4.1ZigBee設(shè)備的設(shè)計

ZigBee設(shè)備的設(shè)計包括協(xié)調(diào)器設(shè)備、路由設(shè)備和終端設(shè)備的設(shè)計。CC253X系列芯片是TI推出的用來實現(xiàn)嵌入式ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng)，其單個芯片整合了射頻前端、內(nèi)存和微控制器，可完全支持IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議。同時，TI公司開發(fā)了半開源的ZigBee協(xié)議棧Zstack，使得ZigBee系統(tǒng)的開發(fā)更為簡單、快捷。

1) 協(xié)調(diào)器設(shè)備的主要功能為：建立、維持和管理網(wǎng)絡(luò)，分配網(wǎng)絡(luò)地址等。協(xié)調(diào)器設(shè)備的硬件系統(tǒng)(見圖6)由數(shù)據(jù)處理單元、無線射頻通信單元和串口通信單元組成。串口通信單元完成協(xié)調(diào)器與監(jiān)控臺的通信過程，無線射頻單元完成ZigBee網(wǎng)絡(luò)的通信過程。

2) 路由設(shè)備的主要功能為：路由發(fā)現(xiàn)，消息傳輸，允許其他節(jié)點通過它接入到網(wǎng)絡(luò)。路由設(shè)備的硬件系統(tǒng)(見圖7)由數(shù)據(jù)處理單元和無線射頻通信單元組成。在ZigBee協(xié)議基礎(chǔ)上進行數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，完成路由功能。

3) 終端設(shè)備的主要功能為：采集集裝箱內(nèi)的溫度、濕度、振動及煙霧等物理數(shù)據(jù)，將其進行簡單處理后發(fā)送出去。終端設(shè)備的硬件系統(tǒng)(見圖8)由傳感器單元、數(shù)據(jù)處理單元和無線射頻通信單元組成。首先，微控制器將傳感器采集到的集裝箱內(nèi)的狀態(tài)信息存儲在存儲器中；然后，在ZigBee協(xié)議的基礎(chǔ)上將監(jiān)測到的信息通過無線射頻單元發(fā)送。

圖6協(xié)調(diào)器設(shè)備功能框圖

圖7路由設(shè)備功能框圖

4.2監(jiān)控終端設(shè)計

監(jiān)控終端的主要功能為：接收ZigBee網(wǎng)絡(luò)采集到的集裝箱內(nèi)的狀態(tài)信息，并通過LCD屏予以顯示；當(dāng)某些監(jiān)測到的物理參數(shù)超出預(yù)設(shè)范圍時，會向管理人員和運輸人員發(fā)出報警；同時，還可以將這些ZigBee網(wǎng)絡(luò)采集到的信息以及基于GPS的位置信息通過因特網(wǎng)、全球移動通信網(wǎng)或衛(wèi)星通信的方式發(fā)送至遠程信息監(jiān)控中心。監(jiān)控終端的硬件系統(tǒng)(見圖9)由數(shù)據(jù)處理單元、全球定位系統(tǒng)單元、串口通信單元、LCD顯示報警單元和廣域網(wǎng)通信單元構(gòu)成。數(shù)據(jù)處理單元完成命令的發(fā)布和數(shù)據(jù)的處理，GPS單元用于獲得位置信息，串口通信單元用于和ZigBee網(wǎng)絡(luò)連接，LCD顯示報警單元用于顯示信息和報警，廣域網(wǎng)通信單元用于和遠程信息監(jiān)控平臺通信。

圖8終端設(shè)備功能框圖

圖9　監(jiān)控終端功能框圖

4.3遠程信息監(jiān)控平臺功能設(shè)計

集裝箱遠程監(jiān)控平臺的功能包括基于瀏覽器—服務(wù)器模式的系統(tǒng)管理、在線狀態(tài)監(jiān)測、歷時數(shù)據(jù)查詢、事故應(yīng)急反應(yīng)以及事后數(shù)據(jù)分析。

1) 系統(tǒng)管理主要包括用戶注冊登錄管理、集裝箱相關(guān)信息管理、本地數(shù)據(jù)維護、通信參數(shù)設(shè)置以及報警管理等。

2) 在線狀態(tài)監(jiān)測的主要功能包括顯示集裝箱內(nèi)的溫度、濕度、煙霧和振動等物理量以及集裝箱的位置信息等。在線監(jiān)測的方式一般分為2種：主動監(jiān)測和被動監(jiān)測。主動監(jiān)測即終端節(jié)點設(shè)備定間隔向監(jiān)控臺發(fā)送集裝箱的狀態(tài)信息；被動監(jiān)測是指由監(jiān)控臺發(fā)出查詢指令，終端節(jié)點設(shè)備收到查詢指令后向監(jiān)控臺發(fā)送集裝箱的狀態(tài)信息。

3) 歷時數(shù)據(jù)查詢功能是指對集裝箱在運輸過程中的狀態(tài)信息和位置信息等過往數(shù)據(jù)的查詢。

4) 事故應(yīng)急反應(yīng)主要包括報警、事故應(yīng)急響應(yīng)、聯(lián)系事故處理人等。

5) 事后數(shù)據(jù)分析主要是指對發(fā)生事故的集裝箱的狀態(tài)信息進行數(shù)據(jù)分析，以優(yōu)化運輸環(huán)節(jié)，避免類似事故再次發(fā)生。

5結(jié)語

在分析集裝箱運輸?shù)奶攸c和集裝箱安全監(jiān)測的發(fā)展現(xiàn)狀、查閱大量相關(guān)產(chǎn)品和文獻的基礎(chǔ)上，提出了一種基于ZigBee技術(shù)的集裝箱自動監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計思路，這對加強危險品集裝箱運輸?shù)谋O(jiān)管具有十分重要的意義。此外，還可以根據(jù)客戶的需要，將該系統(tǒng)應(yīng)用于其他貨物運輸過程中集裝箱的自動監(jiān)測，具有一定的市場前景。

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收稿日期：2014-11-21

作者簡介：馬帥(1990—)，男，內(nèi)蒙古鄂爾多斯人,碩士生,主要從事嵌入式開發(fā)設(shè)計工作。

文章編號：1674-5949(2015)01-069-04

中圖分類號：U695.2+2文獻標(biāo)志碼：A

An Automatic Container Monitoring System Based on ZigBee Technology

MaShuai，YangLiutao

(Shanghai Ship and Shipping Research Institute, State Key Laboratory of Navigation and

Safety Technology, Shanghai 200135, China)

Abstract:Against the background of globalization，container transport，with its advantage in speed，security，and cost，is playing a pivotal role in global generalcargo transport. However，automation and intelligence in collection of container information are relatively backward， which hinders further development of this industry. Rising in recent years，ZigBee is a type of Wireless network technology operating in short distance. ZigBee features low power consumption，low complexity and low cost. Besides, It can be easily embedded in other equipment. Through analyzing the characters of ZigBee and container transport， an automatic container monitoring system based on ZigBee is proposed in this paper.

Key words:ZigBee technology; internet of things; automatic container monitoring system