摘 要：危險品運(yùn)輸具有高風(fēng)險性、偶然性、不易控制性等特點(diǎn)，為避免危險品運(yùn)輸事故發(fā)生，應(yīng)當(dāng)對危險品運(yùn)輸進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋O(jiān)管。設(shè)計了一款基于ZigBee+TD-LTE技術(shù)的危險品運(yùn)輸智能監(jiān)測系統(tǒng)，整個系統(tǒng)由危險品實(shí)時運(yùn)輸狀態(tài)感知設(shè)備、TD-LTE通信模塊、阿里云物聯(lián)網(wǎng)云平臺、WeChat小程序組成。實(shí)時運(yùn)輸狀態(tài)感知設(shè)備采用CC2530模塊作為主控芯片，結(jié)合危險品運(yùn)輸環(huán)境溫濕度監(jiān)測模塊、危險品振動狀態(tài)監(jiān)測模塊、危險品氣體泄漏監(jiān)測模塊、危險品位置監(jiān)測模塊等實(shí)現(xiàn)了對危險品運(yùn)輸信息的全面采集。通過TD-LTE模塊將危險品運(yùn)輸信息數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸至云平臺，借助微信小程序方便管理人員對危險品實(shí)時運(yùn)輸狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測。相比傳統(tǒng)的監(jiān)管方式，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了危險品運(yùn)輸信息現(xiàn)場實(shí)時采集和遠(yuǎn)程可靠監(jiān)測，有利于提高危險品運(yùn)輸?shù)陌踩?，保護(hù)從業(yè)人員生命財產(chǎn)安全和生態(tài)環(huán)境，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：危險品運(yùn)輸；ZigBee；傳感器；TD-LTE；阿里云平臺；MQTT協(xié)議

中圖分類號：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）06-00-04

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2025.06.009

0 引 言

根據(jù)我國交通運(yùn)輸部規(guī)定，危險品即危險貨物，是指具有爆炸、易燃、毒害、感染、腐蝕等危險特性，在生產(chǎn)、經(jīng)營、運(yùn)輸、儲存、使用和處置過程中，容易造成人身傷亡、財產(chǎn)損毀或者環(huán)境污染而需要特別防護(hù)的物質(zhì)和物品[1]。近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，危險品的運(yùn)輸量逐年提升，從事危險品運(yùn)輸?shù)南嚓P(guān)企業(yè)和人員也逐年增加。據(jù)有關(guān)資料顯示，2020年，危險品物流運(yùn)輸量達(dá)到17.4億噸，其中大約有30%的危險品是通過車輛運(yùn)輸，而近年來國內(nèi)外發(fā)生的危險品事故中，77%發(fā)生在運(yùn)輸階段。因此有必要設(shè)計一套能夠監(jiān)測危險品運(yùn)輸實(shí)時狀態(tài)的智能系統(tǒng)，對危險品運(yùn)輸過程進(jìn)行有效監(jiān)管，降低危險品運(yùn)輸事故率。

隨著互聯(lián)網(wǎng)及通信技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外對危險品運(yùn)輸監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了一些研究。美國、歐盟等國家和地區(qū)在20世紀(jì)末通過開發(fā)危險品檢測傳感器及其報警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對危險品運(yùn)輸和存儲的監(jiān)控[2-3]，進(jìn)入21世紀(jì)后，各國又推出基于GPS系統(tǒng)的危險品運(yùn)輸智能監(jiān)控系統(tǒng)[4]。近幾年，隨著我國通信技術(shù)、北斗定位技術(shù)、GIS技術(shù)等技術(shù)不斷發(fā)展，危險品運(yùn)輸?shù)谋O(jiān)控系統(tǒng)有了新的發(fā)展，各高校與企業(yè)開始研究利用GIS技術(shù)、定位技術(shù)等對車輛進(jìn)行監(jiān)控，利用感知技術(shù)和Web技術(shù)對危險品進(jìn)行監(jiān)控的相關(guān)技術(shù)[5]。隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云平臺等技術(shù)的發(fā)展，危險品運(yùn)輸智能監(jiān)控系統(tǒng)可以獲得進(jìn)一步的改進(jìn)優(yōu)化[6]。本系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云平臺技術(shù)構(gòu)建了一個集感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層于一體的危險品運(yùn)輸智能監(jiān)控系統(tǒng)，憑借TD-LTE傳輸快、信號強(qiáng)的特點(diǎn)，實(shí)時將信息采集器采集到的危險品信息存入物聯(lián)網(wǎng)云平臺當(dāng)中，管理人員利用微信小程序?qū)ξｋU品進(jìn)行監(jiān)管。

1 系統(tǒng)整體框架

所設(shè)計的基于ZigBee+TD-LTE的危險品運(yùn)輸智能監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括三大部分，即設(shè)備終端、物聯(lián)網(wǎng)云平臺和微信小程序。設(shè)備終端是危險品運(yùn)輸智能監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分，包括ZigBee數(shù)據(jù)采集處理模塊、溫濕度監(jiān)測模塊、氣體泄漏監(jiān)測模塊、車輛振動監(jiān)測模塊、GPS+北斗定位模塊、TD-LTE通信模塊等，其主要作用是實(shí)時收集、記錄危險品運(yùn)輸狀態(tài)信息，通過TD-LTE通信單元將數(shù)據(jù)實(shí)時上傳物聯(lián)網(wǎng)云平臺，并通過設(shè)定相關(guān)參數(shù)閾值，實(shí)現(xiàn)對危險品實(shí)時運(yùn)輸狀態(tài)的報警功能。物聯(lián)網(wǎng)云平臺接收并保存設(shè)備終端上傳的感知數(shù)據(jù)，WeChat用戶應(yīng)用端通過MQTT協(xié)議訂閱云平臺的危險品運(yùn)輸狀態(tài)信息，實(shí)時監(jiān)測危險品運(yùn)輸狀態(tài)。WeChat小程序可以實(shí)現(xiàn)危險品數(shù)據(jù)的顯示和存儲、歷史數(shù)據(jù)追溯及預(yù)測，并在車輛運(yùn)輸過程中，結(jié)合危險品實(shí)時運(yùn)輸狀態(tài)信息繪制危險品狀態(tài)走勢圖，統(tǒng)計危險品各特性的平均值、最大值、最小值、方差等統(tǒng)計量，為管理人員提供可靠的數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)對危險品的有效監(jiān)管。

2 ZigBee感知模塊設(shè)計

綜合考慮危險品運(yùn)輸?shù)奶厥庑?，所設(shè)計設(shè)備硬件終端主要包括ZigBee數(shù)據(jù)采集處理模塊、環(huán)境溫濕度監(jiān)測模塊、氣體泄漏監(jiān)測模塊、車輛振動監(jiān)測模塊、GPS+北斗定位模塊及TD-LTE通信模塊等。其中ZigBee數(shù)據(jù)采集處理模塊通過所連接的環(huán)境溫濕度監(jiān)測模塊、氣體泄漏監(jiān)測模塊和車輛振動監(jiān)測模塊對危險品運(yùn)輸狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，ZigBee感知節(jié)點(diǎn)采集處理后將數(shù)據(jù)無線傳輸至匯聚節(jié)點(diǎn)，由匯聚節(jié)點(diǎn)將感知數(shù)據(jù)通過TD-LTE通信模塊上傳至云平臺進(jìn)行儲存、顯示等，GPS+北斗定位模塊直接與TD-LTE模塊相連接上傳危險品的實(shí)時位置。

2.1 ZigBee數(shù)據(jù)采集處理模塊

ZigBee數(shù)據(jù)采集處理模塊采用CC2530作為本系統(tǒng)硬件端的射頻通信模塊，其使用的8051 CPU內(nèi)核是一個單周期的8051兼容內(nèi)核，具有三個不同的存儲器訪問總線（SFR、DATA和CODE/XDATA），以及周期訪問的SFR、DATA和主SRAM[7-8]?；贑C2530的ZigBee模塊具備開發(fā)工具完整、經(jīng)濟(jì)成本較低、投入成本較低以及能進(jìn)行高性能計算和控制等優(yōu)點(diǎn)[9-10]，其設(shè)計有21個數(shù)字輸入/輸出引腳，可以配置為通用數(shù)字I/O或外設(shè)I/O信號，連接到ADC、定時器或USART外設(shè)，為連接足夠多的外接設(shè)備提供了基礎(chǔ)。ZigBee憑借時延短、自組網(wǎng)、容量大的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了無線實(shí)時傳輸數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)重組與通信、收集存儲危險品信息等功能，能夠有效防止出現(xiàn)某個節(jié)點(diǎn)設(shè)備發(fā)生故障而導(dǎo)致整個系統(tǒng)崩潰的現(xiàn)象。ZigBee數(shù)據(jù)采集處理模塊框架如圖2所示，該模塊是整個硬件終端的核心，其中協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)除了可采集感知設(shè)備發(fā)送的感知數(shù)據(jù)外，還可以通過串口將數(shù)據(jù)傳輸給TD-LTE模塊，由TD-LTE模塊將數(shù)據(jù)上傳至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺。

2.2 溫濕度檢測模塊

溫濕度的測量可以分為兩類，一類是通過溫濕度傳感器直接進(jìn)行測量與采集，另一類通過主控芯片外圍電路接口采集溫濕度。危險品的溫濕度檢測應(yīng)具備高精度、低延時、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，本模塊設(shè)計使用溫濕度傳感器直接對危險品進(jìn)行測量。在眾多溫濕度傳感器中，DHT11溫濕度傳感器憑借低價格高性能的特點(diǎn)脫穎而出。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器[11]，包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機(jī)相連接，共有3個引腳，分別為VDD、GND、DATA，供電電壓為3.3 V，硬件端中DATA引腳連接MCU P0_7端口。用戶MCU發(fā)送一次開始信號后，DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待主機(jī)開始信號結(jié)束后，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號，發(fā)送40 bit的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次采集信號。

2.3 氣體泄漏檢測模塊

針對危險品運(yùn)輸過程中可能泄漏的液化氣、丁烷、甲烷、氫氣、丙烷等危險氣體，采用MQ-2氣體感知設(shè)備對危險品是否發(fā)生泄漏進(jìn)行檢測。MQ-2傳感器采用二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料作為敏感元件，對上述危險氣體十分敏感，其工作原理是，當(dāng)危險氣體體積分?jǐn)?shù)未超過閾值時，模擬接口A0的電壓基本為0 V；當(dāng)危險氣體體積分?jǐn)?shù)超過閾值時，模擬接口A0輸出的電壓會隨著氣體體積分?jǐn)?shù)的增加而增大。MQ-2傳感器共有四種引腳，即A0、D0、GND、VCC，其中A0接CC2530的P0_6端口，VCC供電電壓為5 V，GND接地。

2.4 車輛振動傳感模塊

采用磁吸式振動傳感器RS-WZ3-N01-1-CX監(jiān)測危險品運(yùn)輸過程中的實(shí)時振動情況，其使用高性能MEMS芯片，具有測量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、可測量X、Y、Z三軸振動速度和振動位移數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn)。其中，振動速度顯示分辨率達(dá)0.1 mm/s，加速度顯示分辨率達(dá)0.1 mm/s2，能夠高精度地返回車輛運(yùn)行速度及顛簸情況。傳感器采用磁吸的方式直接安裝于運(yùn)輸車輛底盤上方，采用485串口將振動感知數(shù)據(jù)傳輸至ZigBee協(xié)調(diào)器模塊，并通過協(xié)調(diào)器連接4G-LTE通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。

2.5 采集設(shè)備整體布局

ZigBee采集終端硬件設(shè)備布置示意圖如圖3所示，采用了兩個ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和一個ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，其中，ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)安裝位置的溫濕度和氣體體積分?jǐn)?shù)感知數(shù)據(jù)的采集和處理，并將感知數(shù)據(jù)無線傳輸給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)除了采集溫濕度和氣體體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)外，還采集了運(yùn)輸過程中的車輛實(shí)時振動情況，同時還負(fù)責(zé)匯聚采集節(jié)點(diǎn)1和2的感知數(shù)據(jù)，并通過串口與TD-LTE通信模塊連接，將所有感知數(shù)據(jù)上傳至阿里云平臺。北斗+GPS模塊直接連接TD-LTE通信模塊，實(shí)時上傳危險品位置信息。

3 通信模塊

應(yīng)用層與感知層的通信連接如圖4所示。網(wǎng)絡(luò)層通信模塊分為兩部分：一部分利用TD-LTE通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了ZigBee感知模塊與物聯(lián)網(wǎng)云平臺之間的通信；另一部分則通過MQTT協(xié)議實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)云平臺與微信小程序之間的通信。

3.1 TD-LTE通信模塊

TD-LTE通信模塊采用EC600S-CN無線通信模組，這是一款由我國自主研發(fā)的移動通信系統(tǒng)，支持MQTT通信協(xié)議，具有設(shè)備成本較低、設(shè)備開發(fā)簡單、信號強(qiáng)、時延短等優(yōu)點(diǎn)。ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過USART接口與EC600S-CN相連，借助CC2350主控芯片，利用設(shè)備端阿里云三元組信息（Product-Key、Device-Name、Device-Secret）實(shí)現(xiàn)了ZigBee感知數(shù)據(jù)設(shè)備終端與阿里云物聯(lián)網(wǎng)云平臺間的通信[12]。

3.2 微信通信模塊

微信與物聯(lián)網(wǎng)平臺之間采用MQTT協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。MQTT協(xié)議是一種基于客戶端-服務(wù)器的傳輸協(xié)議[13]，采用訂閱、發(fā)布機(jī)制，訂閱者只能接收所訂閱的數(shù)據(jù)，以極少的代碼和有限的帶寬實(shí)現(xiàn)了實(shí)時可靠的數(shù)據(jù)通信。利用微信開發(fā)者工具開發(fā)微信小程序時，引入MQTT協(xié)議文件，并在主函數(shù)引入微信端阿里云三元組信息和訂閱發(fā)布路徑（pub-Topic、sub-Topic），實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)云平臺與微信小程序的通信。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計包括危險品運(yùn)輸信息采集軟件設(shè)計和用戶終端軟件設(shè)計兩部分。

4.1 數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計

采用IAR Embedded Workbench for 8051開發(fā)環(huán)境對CC2530的控制邏輯進(jìn)行了開發(fā)，借助SmartRF4EB驅(qū)動程序、Setup_SmartRF_Programmer代碼燒寫工具與Z-Stack-CC2530協(xié)議棧完成對CC2530的程序開發(fā)[14]。

數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計包括DHT11溫濕度傳感數(shù)據(jù)采集、MQ-2氣體傳感數(shù)據(jù)采集、振動傳感數(shù)據(jù)采集，并設(shè)定各參數(shù)預(yù)警閾值，感知設(shè)備運(yùn)行流程如圖5所示。

4.2 用戶終端軟件設(shè)計

用戶終端負(fù)責(zé)采用微信小程序?qū)崿F(xiàn)人機(jī)交互，包括顯示功能、查詢功能、存儲功能等。微信小程序基于微信開發(fā)者工具與UniAPP開發(fā)設(shè)計[15]，根據(jù)MQTT協(xié)議訂閱獲得物聯(lián)網(wǎng)云平臺的危險品運(yùn)輸狀態(tài)信息數(shù)據(jù)，以如圖6所示的流程實(shí)現(xiàn)微信訂閱云平臺消息。

由于數(shù)據(jù)格式要求不同，微信小程序無法直接顯示獲得的數(shù)據(jù)，通過JSON格式解析才能獲得可供顯示的數(shù)據(jù)，將微信小程序與終端相連。物聯(lián)網(wǎng)云平臺及微信客戶端界面如圖7所示。

5 結(jié) 語

針對物流、化工、交通等行業(yè)涉及危險品運(yùn)輸監(jiān)測不到位的問題，設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的危險品運(yùn)輸智能監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)涉及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、TD-LTE通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、云平臺技術(shù)以及計算機(jī)技術(shù)，包括設(shè)備終端、阿里云物聯(lián)網(wǎng)云平臺、WeChat小程序，實(shí)現(xiàn)了對車輛載體所承運(yùn)的危險品實(shí)時數(shù)據(jù)的采集、收錄、監(jiān)測與管理，能夠起到降低事故風(fēng)險、提高管理效率的作用，對危險品運(yùn)輸行業(yè)具有較高的實(shí)際應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)

[1]高連周. 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的道路危險貨物運(yùn)輸智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J]. 物流工程與管理，2013，35（3）：80-82.

[2]李珺. 基于物聯(lián)網(wǎng)的危險品運(yùn)輸智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D]. 西安：長安大學(xué)，2014.

[3]屈浩陽，孫澤軍. 基于物聯(lián)網(wǎng)的危險品倉庫環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2021，11（12）：43-46.

[4]陳冉冉，徐佳力，李健. 基于GPS數(shù)據(jù)的危險品運(yùn)輸車輛行程鏈聚類研究[J]. 中國安全科學(xué)學(xué)報，2023，33（9）：157-163.

[5]王濱濱，陳陽，朱家俊. 基于物聯(lián)網(wǎng)的危險品監(jiān)管系統(tǒng)[J]. 電子技術(shù)與軟件工程，2017（8）：18-19.

[6]申利民，翁桂鵬. 基于OneNET云平臺的智能糧倉監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J]. 信息技術(shù)與信息化，2023（12）：185-188.

[7]張經(jīng)緯，白秋產(chǎn)，石躍，等. 基于LabVIEW和ZigBee的水質(zhì)多參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2023，13（5）：17-19.

[8]劉志芳，李任充，李雪瓊. 基于ZigBee的道路照明智能聯(lián)控系統(tǒng)設(shè)計[J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2024，14（2）：69-71.

[9]戴明. 一種基于CC2530的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[J]. 蘇州市職業(yè)大學(xué)學(xué)報，2023，34（4）：52-55.

[10]蔡俊豪，曹廣忠，彭業(yè)萍，等. 基于CC2530與CC3200的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2019，42（10）：71-74.

[11]陳忠建，袁可，廖勇軍. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下檔案庫房溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2024，14（3）：41-43.

[12]李榮，楊德徽，黎曉冰，等. 基于阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺的智能家居系統(tǒng)設(shè)計[J]. 中國儀器儀表，2023（12）：34-37.

[13]劉翌新，謝婧婷，李小松. 基于MQTT協(xié)議的營運(yùn)車輛安全預(yù)警提示裝置[J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2024，14（4）：146-149.

[14]魏玉峰. 基于Z-Stack協(xié)議棧的無線網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)計[J]. 電子世界，2018（16）：143-144.

[15]馬兆鑫，陳曦，趙浩源. 微信小程序在無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中的應(yīng)用[J]. 通信與信息技術(shù)，2023（3）：74-78.

作者簡介：李興濤（2003—），男，就讀于東北林業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院，研究方向?yàn)槲锪鞴こ獭?/p>

張若宛（2004—），女，就讀于東北林業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院，研究方向?yàn)槲锪鞴こ獭?/p>

寇家華（2000—），男，東北林業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向?yàn)橹腔畚锪鳌?/p>

郭成波（1987—），男，東北林業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院講師，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)。

收稿日期：2024-04-26 修回日期：2024-05-30

基金項(xiàng)目：黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項(xiàng)目（S20231022 5243）；黑龍江省高等教育學(xué)會高等教育研究課題項(xiàng)目（23GJYBF003）