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(航天信息股份有限公司,北京 100195)
集裝箱運輸[1]是簡單、安全、快速、經(jīng)濟(jì)、易于實現(xiàn)的多模式聯(lián)運方式。它可以真正實現(xiàn)門對門的運輸,從而被越來越多的國家和地區(qū)接受。在發(fā)達(dá)國家,大批量的糧食存儲和運輸已經(jīng)完全實現(xiàn)機(jī)械化和自動化。加拿大、美國和澳大利亞已率先在世界上采用散糧集裝箱式運輸,且谷物集裝箱的流通量迅速增加。與國外發(fā)達(dá)國家的散糧集裝箱流通技術(shù)相比,中國的現(xiàn)代糧食流通技術(shù)仍處于發(fā)展中階段,其運輸量處于相對較低的水平。近年來,隨著散糧集裝箱運輸應(yīng)用技術(shù)的研究和發(fā)展,中國的集裝箱運輸技術(shù)在繼續(xù)快速推進(jìn)。目前,中國在交通基礎(chǔ)建設(shè)、車站設(shè)施、技術(shù)裝備、信息網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)范圍都達(dá)到了一定的規(guī)模,已經(jīng)有一定規(guī)模的散糧集裝箱運輸。
本文根據(jù)集裝箱監(jiān)測系統(tǒng)的功能要求,設(shè)計與開發(fā)了基于LoRa、3G/4G實時參數(shù)(溫度、濕度)監(jiān)測系統(tǒng),選擇主控芯片、收發(fā)芯片,并對高頻、低頻通信鏈路的技術(shù)指標(biāo)和可靠性進(jìn)行分析,在此基礎(chǔ)上提出有源電子標(biāo)簽與讀寫器的硬件電路設(shè)計,制訂有源電子標(biāo)簽與讀寫器設(shè)計的總體方案。本項目依照自上而下的設(shè)計理念,采用模塊化的設(shè)計方法,先勾畫出有源電子標(biāo)簽與讀寫器總體的架構(gòu),然后按各個功能模塊一一進(jìn)行分析設(shè)計,并結(jié)合3G/4G技術(shù)與GPS/北斗定位技術(shù)相結(jié)合,實現(xiàn)對散糧集裝箱狀態(tài)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸及狀態(tài)監(jiān)控。
整個系統(tǒng)如圖1所示,智能傳感器通過板載的傳感器芯片獲取集裝箱內(nèi)的溫度、濕度等信息,然后通過LoRa網(wǎng)絡(luò)傳遞到網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)通過3G/4G(也可通過LoRa直接傳送到海洋通信系統(tǒng))將傳感器信息和GPS位置信息一并傳遞到服務(wù)器。同時在各個檢查站,檢查員可以通過手持的讀卡設(shè)備對過往的集裝箱進(jìn)行抽查,并將信息發(fā)往服務(wù)器,從而后臺管理人員可以通過管理終端對全局狀況進(jìn)行跟蹤。
圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖
為了實現(xiàn)上述系統(tǒng),設(shè)計和開發(fā)了一個智能傳感器。此智能傳感器可以監(jiān)測顆粒溫度和濕度。其體積類似于乒乓球大小,并且設(shè)備的平均耗電量小,平均電流最低為1 mA。采用IP66標(biāo)準(zhǔn)制作外殼并支持寬廣的溫度范圍,能夠工作在 -35~100 ℃。同時,為了解決散裝糧食集裝箱容器引起的無線信號高隔離和衰減的問題,使用超高靈敏度低功耗短距離LoRa無線采集技術(shù),研究并實現(xiàn)在高強(qiáng)度隔離和衰減金屬環(huán)境中的無線通信技術(shù)。
智能傳感器的設(shè)計包括硬件和軟件。硬件系統(tǒng)如圖2所示,包含三部分:傳感器、MCU和LoRa通信系統(tǒng)。
圖2 智能傳感器
圖2的第一部分是傳感器,使用BME280[6]進(jìn)行溫度和濕度信息采集,其是一個非常小巧的低功耗、高精度的溫度、濕度和壓力三合一傳感器,廣泛應(yīng)用于很多應(yīng)用,如室溫變化檢測、家庭自動化控制、GPS增強(qiáng)、天氣預(yù)報等。BME280體積小,只有2.5×2.5×0.93 mm3,擁有8個引腳,不僅具有低噪聲和高分辨率的特點,而且非常適合于低功率應(yīng)用,其以1 Hz的采樣率工作只需要消耗3.6 μA。
第二和第三部分是MCU+LoRa通信系統(tǒng)集成模塊CMWX1ZZABZ-091[7](如圖3所示)。 CMWX1ZZABZ-091集成了一個超低功耗的STM32L072CZ系列芯片。STM32L072CZ為采用ARM Cortex-M0+[8]架構(gòu)的微控制器,包含192 KB閃存器用來存儲程序,以及一個供應(yīng)用程序使用的20 KB內(nèi)存,支持高速USB 2.0,擁有4通道12位ADC、2通道DAC和一個6位的定時器,集成UART、I2C和SPI接口。本文使用STM32L072CZ上的I2C接口連接BME280傳感器。
LoRa通信系統(tǒng)使用的是一個Sigfox兼容的SX1276收發(fā)器[9]。它支持FSK、GFSK、MSK、GMSK和OOK調(diào)制,同時可以選擇+14 dBm或+20 dBm的輸出功率,其收發(fā)比特率可達(dá)300 kbps。此外,其靈敏度達(dá)-137 dBm,鏈路預(yù)算能夠到157 dB。SX1276收發(fā)器也具有超低功耗特性,接收電流僅為10 mA。
圖3 CMWX1ZZABZ-091
STM32L072CZ的固件每分鐘自動觸發(fā)一次,定期讀取溫濕度傳感器并發(fā)送到空中,當(dāng)發(fā)送完數(shù)據(jù)后,整個系統(tǒng)進(jìn)入睡眠模式。
與智能傳感器相比,智能網(wǎng)關(guān)(見圖4)包括更多的外圍設(shè)備,放入集裝箱內(nèi)采集多個智能傳感器發(fā)出的溫度、濕度等信息,其比智能傳感器更耗電。智能網(wǎng)關(guān)包含4部分:GPS、MCU、3G/4G和作為智能傳感器一部分的LoRa模塊,其中GPS和3G/4G模塊來自μ-blox。。
圖4 智能網(wǎng)關(guān)
智能網(wǎng)關(guān)的GPS模塊同時支持GPS、Galileo、GLONASS和Beidou,從而提供了最大的可用性。另一方面,它支持-167 dBm的導(dǎo)航靈敏度。在智能網(wǎng)關(guān)中,使用恩智浦LPC1768[12]來控制整個系統(tǒng)。LPC1768包含512 KB的片上FLASH和32 KB片上SRAM供網(wǎng)關(guān)應(yīng)用使用。
圖5 智能傳感器、智能網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器工作流程
整個數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)工作模式如圖5所示。智能傳感器每分鐘讀取溫度和濕度,并將讀數(shù)發(fā)送到空中。智能網(wǎng)關(guān)通過無線方式接收數(shù)據(jù),并通過3G/4G網(wǎng)絡(luò)將收集到數(shù)據(jù)連同GPS信息一起發(fā)送到服務(wù)器。云端的服務(wù)器接收數(shù)據(jù)并存儲到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中。
圖6 手持設(shè)備
圖7 手持設(shè)備界面
無線手持終端由應(yīng)用處理器、LoRa無線傳輸模塊、SD卡存儲模塊、LCD顯示模塊和App組成。手持終端的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。包含一個高性能的應(yīng)用處理器MSM 8939,最高可以運行到1.5 GHz[13],同時支持多種連接性,如WiFi 802.11b/g/n、BT4.0、NFC、GPS/AGPS、北斗、RFID HF等。軟件上支持Android 5.0,能夠運行許多應(yīng)用程序。
主管人員可以通過App軟件有選擇地顯示特定集裝箱內(nèi)的散糧溫濕度狀態(tài),同時也可以觀察臨近的所有集裝箱內(nèi)的散糧狀態(tài)。一旦散裝谷物的溫濕度超過正常范圍,無線手持終端將發(fā)出警報信息,以提醒檢查人員查看溫度異常。手持終端的界面如圖7所示。
使用LoRa作為最基本的本地通信協(xié)議,更適合低功耗應(yīng)用。我們對系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn),使其鏈路預(yù)算達(dá)到160 dB,這樣可以有效克服集裝箱對無線信號的衰減和阻擋。為了測試LoRa系統(tǒng)的性能,在北京通州某糧倉內(nèi)進(jìn)行了測試,其中包含室內(nèi)室外測試和集裝箱內(nèi)部測試。
實驗結(jié)果(見表1~表3)表明,在室內(nèi)、室外和集裝箱內(nèi)部等實際使用環(huán)境中,系統(tǒng)表現(xiàn)了非常好的連通性,接收端信號在各段測試距離上都很穩(wěn)定。在各種距離下的10分鐘測試項目中獲得了平均98%的包正確率。實驗證明,設(shè)計的系統(tǒng)非常適用于散糧集裝箱運輸項目。
表1 糧庫內(nèi)測試
表2 糧庫室外測試
表3 集裝箱內(nèi)測試
為了驗證傳感器的濕溫度的準(zhǔn)確性,在糧倉內(nèi)選了三個位置(靠近墻壁和在糧食內(nèi)部),將其與溫濕度測量儀器進(jìn)行了對比測試。 結(jié)果表明(見表4),智能傳感器能夠達(dá)到目標(biāo)要求的精度,濕度小于3%,溫度小于1 ℃。
表4 糧倉內(nèi)溫濕度測試