曹宇，劉昕，趙永旗，宋育澤，唐小波，張馨予

(1.上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院,上海 201306；2.上海海洋可再生能源工程技術(shù)研究中心,上海 201306；3.中油管道物資裝備有限公司,河北 廊坊 065000)

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化的不斷推進(jìn)，海上運(yùn)輸以其低成本、高運(yùn)量的優(yōu)勢已成為推動物流發(fā)展的重要組成部分.目前海上運(yùn)輸?shù)男畔⒒潭炔粩嘣鰪?qiáng)，科技水平將成為航運(yùn)企業(yè)之間競爭的關(guān)鍵因素[1-2].海上運(yùn)輸具有運(yùn)輸距離長、時間久、環(huán)境惡劣等特性，從而對貨物的運(yùn)輸安全提出了挑戰(zhàn).例如企業(yè)從國外進(jìn)口的高精尖零件、儀器和設(shè)備，在運(yùn)輸過程中可能受到碰撞、進(jìn)水、爆炸、擱淺等不確定因素而發(fā)生損壞[3]，企業(yè)成本隨之增加，但由于海上信號匱乏，基站較少，無通信網(wǎng)絡(luò)，客戶無法及時獲得貨物運(yùn)輸信息，貨物損壞也無法追根溯源.亟需研發(fā)具有實(shí)時監(jiān)測、導(dǎo)航定位及通訊功能的海上運(yùn)輸貨物通訊監(jiān)控系統(tǒng)，以減少貨損成本，提高運(yùn)輸管理效率.因此，為保證貴重和精密貨物的運(yùn)輸安全，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸過程的透明化和信息化溝通，本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[4-6]設(shè)計(jì)了一種基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)的海上運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)，使用BDS 的定位導(dǎo)航和獨(dú)有的通信數(shù)據(jù)傳輸功能使用戶(包括供應(yīng)商、第三方物流和客戶等)對貨物的運(yùn)輸位置和狀態(tài)實(shí)時可查，以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航、定位、跟蹤、監(jiān)管等功能.

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)測終端、用戶終端、云計(jì)算平臺和BDS 組成.整個監(jiān)控系統(tǒng)在工作過程中按功能分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用層三層，系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖1所示.感知層主要包括傳感器、北斗無線通信模塊和短距離無線雙向通信物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)ZigBee[7-8]，傳感器模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集，檢測數(shù)據(jù)通過轉(zhuǎn)換傳至北斗模塊；網(wǎng)絡(luò)層主要是通過BDS 集成工作模式通過衛(wèi)星通信將感知層采集的數(shù)據(jù)加密處理后進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸至地面站，由地面站解碼后傳輸至應(yīng)用層云計(jì)算平臺；應(yīng)用層主要應(yīng)用云計(jì)算平臺接收、整合感知層傳輸數(shù)據(jù)，結(jié)果可在用戶終端可視化展示，以實(shí)現(xiàn)對于運(yùn)輸路線定位和貨物狀況的實(shí)時監(jiān)測.

圖1 系統(tǒng)體系架構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)測終端結(jié)構(gòu)如圖2 所示，是由數(shù)據(jù)采集模塊、北斗模塊、供電模塊三部分組成.數(shù)據(jù)采集模塊由不同類型的傳感器、ZigBee 短距離無線傳輸協(xié)議的節(jié)點(diǎn)組件、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)及下位機(jī)構(gòu)成，多種傳感器用來檢測箱內(nèi)狀況以采集環(huán)境數(shù)據(jù)，環(huán)境參數(shù)以ZigBee 匯聚到下位機(jī)，下位機(jī)是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)整合的核心，由處理器、存儲器等構(gòu)成；北斗模塊接收輸出數(shù)據(jù)采用RS232 串口實(shí)現(xiàn)短報(bào)文通信和定位功能；供電模塊為傳感器、上位機(jī)和北斗模塊提供電源以維持終端的正常運(yùn)行.本監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)海上運(yùn)輸特點(diǎn)設(shè)置了以下傳感器類型，可以滿足不同貨物的運(yùn)輸需求，如加速度傳感器用于測量貨物由于慣性力而產(chǎn)生加速度變化[9]；溫度傳感器用于監(jiān)測環(huán)境溫度和系統(tǒng)溫度變化；濕度傳感器用于測量環(huán)境濕度，貨物進(jìn)水等現(xiàn)象可及時獲知；鹽度傳感器用于監(jiān)測環(huán)境鹽度變化，可及時監(jiān)測有無海水灌入現(xiàn)象；多位點(diǎn)位移傳感器用于監(jiān)測貨物的位置變化；壓力傳感器用于感測貨物壓力變化.在運(yùn)輸過程中通過不同的傳感器監(jiān)測，可以在貨物偏離標(biāo)準(zhǔn)范圍的情況下，通過BDS 通信功能將突發(fā)情況傳輸?shù)接脩舳?

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

海上運(yùn)輸主要采用集裝箱方式，本設(shè)計(jì)將監(jiān)測終端安裝在運(yùn)輸集裝箱內(nèi)，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及北斗模塊來實(shí)現(xiàn)監(jiān)測和信息傳輸.圖3 為監(jiān)測終端在集裝箱中的總體布局，將數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊、北斗模塊和供電模塊以機(jī)柜形式集成安裝在集裝箱一側(cè)，系統(tǒng)原理如圖4 所示.其中選用具備優(yōu)質(zhì)射頻性能的ZigBee 芯片CC2530 作為系統(tǒng)的處理器，CC2530 具有成本低廉和低功耗的優(yōu)良特性，它集成了IEEE802.15.4RF收發(fā)器以及8051 微控制器，并且可根據(jù)需求選用容量分別為32/64/128/256 kB 的CC2530 芯片；通用異步收發(fā)器(UART)集成于微處理器中通過RS232 與BDS 模塊的RXD0 和TXD0 輸入輸出接口雙向通信，波特率為115 200 bit/s；同時配置UART、RS232和RS485 等多種通信方式，可根據(jù)需求與不同類型的傳感器連接.

圖3 監(jiān)測終端總體布置圖

圖4 系統(tǒng)原理圖

2 基于BDS 的定位監(jiān)測通信方案設(shè)計(jì)

BDS 是由我國自行研制、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)，其先進(jìn)性與安全性對于國家發(fā)展具有重大意義[10].BDS 獨(dú)有的衛(wèi)星無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)(RNSS)和衛(wèi)星無線電定位業(yè)務(wù)(RDSS)，具有短報(bào)文通信功能[11-13].隨著北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS-3)的第55 顆衛(wèi)星成功發(fā)射，2020 年7 月31 日BDS-3實(shí)現(xiàn)了正式開通，北斗短報(bào)文通信功能得到了進(jìn)一步的提升，區(qū)域短報(bào)文通信服務(wù)的單次通信長度增加到1 000 個漢字(14 000 bit)，全球短報(bào)文通信服務(wù)單次通信能力提升到40 個漢字(560 bit)[14-16].

在海上貨物運(yùn)輸過程中，由于通信網(wǎng)絡(luò)未實(shí)現(xiàn)全覆蓋，系統(tǒng)獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸困難，通過北斗短報(bào)文通信功能可以解決運(yùn)輸信息獲取問題，實(shí)現(xiàn)在線自主監(jiān)測.基于北斗RDSS 的遠(yuǎn)程監(jiān)測通信方案如圖5 所示.

圖5 遠(yuǎn)程監(jiān)測通信方案示意圖

將集裝箱內(nèi)置的傳感器采集數(shù)據(jù)匯聚到上位機(jī)，基于北斗RDSS 模塊將加密后的報(bào)文信息由BDS 傳輸至地面站，地面站接收報(bào)文信息并將解碼后的原始數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆朴?jì)算平臺，處理完成后通過RS232 串口轉(zhuǎn)USB 通訊串口發(fā)送至用戶端；同時，用戶可以給予控制反饋，進(jìn)行報(bào)文回執(zhí)，實(shí)現(xiàn)雙向通信；用戶端可實(shí)時查看貨物運(yùn)輸軌跡和健康狀態(tài)，歷史數(shù)據(jù)可進(jìn)行存儲及查詢.

3 系統(tǒng)通信協(xié)議設(shè)計(jì)

通訊協(xié)議的性能參數(shù)如表1～2 所示，在不超過通信容量的同時確保通訊質(zhì)量，使得用戶端可以接收到完整的數(shù)據(jù)，根據(jù)使用需求滿足不低于2 min/次的數(shù)據(jù)傳輸頻率即可.本通信系統(tǒng)選用民用通信標(biāo)準(zhǔn)，波特率設(shè)計(jì)為115 200 bit/s，通過ASCII 碼完成信息傳遞，短報(bào)文通信的傳輸延遲為1～5 s.目前，民用通信設(shè)備可實(shí)現(xiàn)的最高更新率為60 s，滿足通信協(xié)議設(shè)計(jì)要求，對本系統(tǒng)的應(yīng)用效果沒有影響.BDS 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)如表3 所示，在每組的傳輸數(shù)據(jù)中包含北斗監(jiān)測系統(tǒng)的ID，從而使用戶端可以確定信息的來源，并且全球短報(bào)文通信服務(wù)能力最大為560 bit，本系統(tǒng)的最大傳輸數(shù)據(jù)為255 bit，在允許通信的容量范圍內(nèi)還有多余的擴(kuò)展空間，可按照需求增加其他環(huán)境參數(shù)；BDS 可提供雙向通信功能，用戶端接收到數(shù)據(jù)后向云計(jì)算平臺反饋已接收指令，若云計(jì)算平臺沒有獲得反饋信息，北斗監(jiān)測系統(tǒng)再次發(fā)送共循環(huán)5 次.

表1 北斗RDSS 模塊性能參數(shù)表

表2 北斗RNSS 模塊性能參數(shù)表

表3 BDS 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

4 多相流量計(jì)海上運(yùn)輸案例

4.1 案例介紹

本案例為中國D 公司從加拿大購買的多相流量計(jì)(MPFM)，該撬塊配有流量計(jì)算機(jī)和儀表，MPFM造價昂貴、制造精密，組裝復(fù)雜且易損壞，其進(jìn)口采購運(yùn)輸現(xiàn)場如圖6 所示.這批MPFM 及其分流器在加拿大生產(chǎn)和包裝，通過集裝箱進(jìn)行運(yùn)輸，經(jīng)過公路運(yùn)輸、遠(yuǎn)洋運(yùn)輸和鐵路運(yùn)輸三種運(yùn)輸方式，最終到達(dá)客戶方，其運(yùn)輸路線如圖7 所示.

圖6 MFPM 的采購運(yùn)輸現(xiàn)場

圖7 貨物運(yùn)輸路線圖

但由于復(fù)雜的運(yùn)輸環(huán)境，MPFM 的單能伽馬傳感器和文丘里流量計(jì)受損，整套無法使用，造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失.由于損壞時間、地點(diǎn)、原因都無法溯源，缺少佐證導(dǎo)致客戶索賠困難，同時供應(yīng)商企業(yè)和第三方物流互相推卸責(zé)任，責(zé)任方難以界定，也因證據(jù)不足賠償數(shù)額無法裁量.基于以上案例，本文設(shè)計(jì)了一種基于BDS 的海上運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)，以解決在海外采購運(yùn)輸中遇到的此類問題.該系統(tǒng)仍處于設(shè)計(jì)階段，目前還未應(yīng)用在實(shí)際的運(yùn)輸中.

以下為相關(guān)設(shè)計(jì)的選型介紹.此案例對于運(yùn)輸環(huán)境要求較高，需要保證可監(jiān)測運(yùn)輸溫度約在-10 ℃～+50 ℃；相對濕度(RH) 0%～50%，精度不超過±10% RH；加速度精度不超過±5 mg；檢測鹽度范圍至少為0.1%～20%；海上運(yùn)輸時間較長，對于供電性能要求較高，電池容量不小于10 Ah.因此，為滿足此運(yùn)輸條件選用的主要傳感器類型、北斗模塊和供電模塊如下：

1)傳感器類型

主要選用的加速度傳感器、鹽度傳感器及溫濕度傳感器如圖8～9 所示.

圖8 三軸加速度傳感器、鹽度傳感器

圖9 LH-TH20 溫濕度傳感器模塊

三軸加速度傳感器模塊選用型號ACC385，重量輕、體積小，具有優(yōu)異的偏差穩(wěn)定性和高環(huán)境適應(yīng)性(沖擊和溫度)且易于安裝；加速度和鹽度傳感器具體參數(shù)如表4 所示.

表4 加速度傳感器和鹽度傳感器參數(shù)

溫濕度傳感器模塊選用型號為LH-TH20，傳感器內(nèi)輸入電源、感應(yīng)探頭和信號輸出三部分完全隔離，安全可靠，具體參數(shù)如表5 所示.

表5 溫度和濕度傳感器參數(shù)

2)北斗模塊

選用GNM2A12 型北斗模塊，如圖10 所示.

圖10 GNM2A12 型BDS 模塊

GNM2A12 型是一種支持北斗RDSS/RNSS 雙功能的北斗模塊，可實(shí)現(xiàn)RDSS 通信功能和RNSS 導(dǎo)航定位等功能，體積較小，模塊集成度高、功耗低，可兼容不同接口，使用方便，具體參數(shù)如表6 所示.

表6 GNM2A12 型BDS 模塊參數(shù)表

3)供電模塊

北斗監(jiān)測終端的供電裝置選用三元鋰電池，如圖11 所示.

圖11 三元鋰電池

三元鋰電池安全性能高，可在無鋰電保護(hù)板下使用；三元鋰電池容量20 Ah，續(xù)航能力強(qiáng)，可以適應(yīng)長時間的通訊，適用于監(jiān)測系統(tǒng)；鋰電池荷電保持能力強(qiáng)，允許工作的溫度范圍寬，可以在-35 ℃～+75 ℃工作，適用于地域跨度大的長距離運(yùn)輸；鋰電池綠色環(huán)保，不含鎘、鉛、汞這類有害物質(zhì)；同時，它體積小、重量輕，易于攜帶和安裝.

將本系統(tǒng)加裝于運(yùn)輸集裝箱中，發(fā)生碰撞、觸礁和擱淺等能通過軟件得到加速度的變化，發(fā)生進(jìn)水、爆炸等會有溫濕度和壓力的變化，參數(shù)的變化曲線都可由客戶端軟件查看.發(fā)生運(yùn)輸事故時，通過本系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)，上位機(jī)可發(fā)出運(yùn)輸異常提醒，同時顯示和存儲貨物發(fā)生異常的時間和地理坐標(biāo)，以便用于后續(xù)事故成因的分析與追溯.

4.2 系統(tǒng)的應(yīng)用

通過使用Visual Studio Code+QT Designer 編寫程序，創(chuàng)建終端APP 客戶端軟件，由云計(jì)算平臺處理過的數(shù)據(jù)傳輸?shù)杰浖?，系統(tǒng)客戶端登陸界面如圖12所示.通過軟件，用戶可以完整的看到貨物的運(yùn)輸位置(BDS 定位)和貨物狀態(tài)如加速度、溫度、濕度、鹽度等變化曲線.本系統(tǒng)也可根據(jù)客戶需求定制其他功能傳感器，同時軟件中還保存有歷史數(shù)據(jù)供用戶隨時調(diào)用和查看.系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對運(yùn)輸貨物狀態(tài)實(shí)時監(jiān)控的功能，若云計(jì)算平臺分析的傳輸回的疑似為異常數(shù)據(jù)，將及時把情況推送給用戶.本文對于數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行了一定的測試，測試中使得加速度發(fā)生一定的變化，可通過APP 客戶端軟件查看加速度曲線變化，數(shù)據(jù)可視化界面如圖13 所示.

圖12 系統(tǒng)客戶端登陸界面

圖13 數(shù)據(jù)可視化界面

5 結(jié)束語

本文基于BDS 設(shè)計(jì)了一種海上運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)，將BDS 應(yīng)用在物流運(yùn)輸領(lǐng)域中，極大地保障了易損貴重貨物的運(yùn)輸安全.在初始的監(jiān)測階段，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過多種傳感器和ZigBee 無線通信實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸環(huán)境的數(shù)據(jù)采集和傳輸，最后通過云計(jì)算平臺的處理呈現(xiàn)出可視化曲線；基于BDS 獨(dú)有的通信數(shù)傳功能，用戶可以使用由Visual Studio Code+QT Designer設(shè)計(jì)的客戶端軟件隨時查詢運(yùn)輸導(dǎo)航定位和貨物狀態(tài)，并作出控制反饋.在海上運(yùn)輸中使用這一監(jiān)控系統(tǒng)，若物流作業(yè)發(fā)生事故時，能實(shí)時獲取運(yùn)輸信息和貨物狀態(tài)，以便取證.這無論是對供應(yīng)商、第三方物流還是客戶，都極大的保障了每一方的利益.