基于ZigBee技術(shù)的海運(yùn)冷藏集裝箱實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

辜 勇，胡澤旭，于 蒙，鄭瀾波，周鷺瑩

(武漢理工大學(xué) 物流工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

隨著經(jīng)濟(jì)全球化趨勢(shì)的發(fā)展、國(guó)內(nèi)外貿(mào)易的快速增長(zhǎng)及“一帶一路”戰(zhàn)略的提出，我國(guó)海上貨運(yùn)量快速增長(zhǎng)，其中藥品、血液制品、生鮮食品等不易儲(chǔ)存的高價(jià)值貨物所占的比例也呈幾何式增長(zhǎng)[1]。海運(yùn)冷藏集裝箱作為技術(shù)性能先進(jìn)的冷藏運(yùn)輸工具，運(yùn)價(jià)相對(duì)較低、運(yùn)輸質(zhì)量較高，能實(shí)現(xiàn)“國(guó)到國(guó)”直達(dá)運(yùn)輸，是藥品、血液制品、保鮮食品等冷凍冷藏貨物的最佳運(yùn)輸方式。但由于我國(guó)對(duì)冷藏集裝箱內(nèi)部環(huán)境缺少有效監(jiān)測(cè)，導(dǎo)致貨物損壞率(20%～25%)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于發(fā)達(dá)國(guó)家(1%～5%)，所以對(duì)在途冷藏箱內(nèi)部環(huán)境的監(jiān)測(cè)顯得十分重要。

目前，對(duì)于集裝箱實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的研究有近十年時(shí)間，取得了一定的研究成果。如邊童[2]利用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)集中控制器對(duì)壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)和加濕器的控制，來(lái)確保冷藏箱內(nèi)部環(huán)境的穩(wěn)定，實(shí)用性較強(qiáng)，適用于港口堆場(chǎng)等區(qū)域。許世博等[3]針對(duì)遠(yuǎn)洋煙花爆竹運(yùn)輸事故頻發(fā)的現(xiàn)象，提出了一種基于ZigBee的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。汪小愉等[4]提出一種基于NRF905無(wú)線通信芯片的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，與ZigBee模塊相比，該裝置傳輸速率較低，無(wú)法滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求。路建永[5]針對(duì)貨物貯運(yùn)環(huán)境設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee的監(jiān)測(cè)裝置，詳細(xì)分析了相關(guān)硬件的設(shè)計(jì)思路，與海運(yùn)集裝箱監(jiān)測(cè)的應(yīng)用環(huán)境有一定差異。馬帥等[6]提出了一種基于ZigBee技術(shù)集裝箱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，明確了ZigBee網(wǎng)絡(luò)各部分的功能。

ZigBee技術(shù)是一種基于IEEE 802.15.4的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、大容量、可靠、延時(shí)短的雙向無(wú)線通信技術(shù)[7]，可工作在2.4 GHz(全球流行)、868 MHz(歐洲流行)和915 MHz(美國(guó)流行)3個(gè)頻段上，分別具有最快250 kbit/s、20 kbit/s和40 kbit/s的傳輸速率[8]，能在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)并實(shí)現(xiàn)通信，可較好地滿足冷藏集裝箱實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在全球復(fù)雜環(huán)境下的技術(shù)需求。同時(shí)ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有自適應(yīng)組網(wǎng)功能，能夠滿足冷藏箱在途中需要中轉(zhuǎn)或臨時(shí)裝卸時(shí)自動(dòng)加入所在船舶的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，保證無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)性；能夠有效解決冷藏集裝箱船在深船艙、高堆疊、高屏蔽環(huán)境下的無(wú)線自動(dòng)組網(wǎng)及數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的信號(hào)屏蔽問(wèn)題。因此，應(yīng)用ZigBee技術(shù)對(duì)海運(yùn)冷藏集裝箱實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)是可行的。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

對(duì)冷藏箱監(jiān)測(cè)的需求可概括為：①能準(zhǔn)確檢測(cè)冷藏箱內(nèi)部溫度場(chǎng)和部分氣體濃度信息；②能在短時(shí)間內(nèi)不斷發(fā)送實(shí)時(shí)溫濕度、氣體濃度等數(shù)據(jù)至船載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；③能在采集的信息中自動(dòng)選出異常數(shù)值，以警示船上工作人員；④能形成一段時(shí)間內(nèi)各個(gè)集裝箱溫濕度、氣體濃度等數(shù)據(jù)和變化曲線，并實(shí)時(shí)傳送至岸上的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心；⑤能同時(shí)滿足貨主、集裝箱船公司、保險(xiǎn)公司等不同用戶的監(jiān)測(cè)需求。

基于ZigBee技術(shù)的海運(yùn)冷藏集裝箱實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由冷藏箱數(shù)據(jù)采集與處理部分、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信部分和冷藏箱監(jiān)測(cè)中心組成，包含有若干溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)的溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)、多節(jié)點(diǎn)ZigBee無(wú)線通信系統(tǒng)、具有異常報(bào)警功能的船載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和面向不同終端用戶的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。提前在冷藏箱內(nèi)部安裝傳感器，在集裝箱船上安裝協(xié)調(diào)器、路由器等ZigBee組成設(shè)備，各節(jié)點(diǎn)適當(dāng)分布，盡量保證節(jié)點(diǎn)間平均通信距離最短，組成ZigBee網(wǎng)絡(luò)；在集裝箱船和岸上安裝衛(wèi)星通信設(shè)備及數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)等。

海運(yùn)冷藏集裝箱實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體流程為：①由溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)分布式多點(diǎn)監(jiān)測(cè)技術(shù)采集冷藏箱內(nèi)部信息；②運(yùn)用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過(guò)多節(jié)點(diǎn)ZigBee無(wú)線通訊技術(shù)將數(shù)據(jù)上傳至船載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；③船載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、壓縮、判斷等，若有異常數(shù)據(jù)則報(bào)警并提供異常數(shù)據(jù)來(lái)源；④船載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)海事衛(wèi)星將冷藏箱信息和集裝箱船信息等實(shí)時(shí)傳遞到岸上的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提供給不同用戶。

圖1 系統(tǒng)總體框架

2 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

2.1 溫濕度檢測(cè)模塊

溫濕度檢測(cè)模塊負(fù)責(zé)獲取冷藏箱內(nèi)部的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)并確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法是在冷藏箱進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口各安裝一個(gè)傳感器。但由于箱體太大，制冷設(shè)備的送風(fēng)口與其對(duì)角線上的回風(fēng)口溫濕度有一定差距，有時(shí)相差4℃，采用單點(diǎn)式冷藏箱測(cè)溫方法不能準(zhǔn)確真實(shí)地反映集裝箱內(nèi)部溫度場(chǎng)[9]。因此需要采用分布式多點(diǎn)檢測(cè)，以20英尺箱為例給出一種多傳感器布置方案[10]，如圖2所示。在保證冷藏箱制冷系統(tǒng)完好、壓縮機(jī)與風(fēng)口方位不變且箱內(nèi)裝滿貨物的前提下，選擇前后截面的左上測(cè)量點(diǎn)與右下測(cè)量點(diǎn)、中間截面的左右測(cè)量點(diǎn)，共6個(gè)溫濕度傳感器放置點(diǎn)。

圖2 傳感器放置點(diǎn)

需要注意的是，在貨物數(shù)量與箱體結(jié)構(gòu)變化的情況下，該實(shí)驗(yàn)結(jié)論不具有普遍性，需要重新實(shí)驗(yàn)選擇最佳測(cè)量點(diǎn)放置方案。同時(shí)，針對(duì)氣體濃度等其他信息的監(jiān)測(cè)點(diǎn)放置方案，也需要通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。

2.2 船載監(jiān)測(cè)模塊

船載監(jiān)測(cè)模塊主要幫助船上工作人員完成冷藏箱監(jiān)測(cè)、故障報(bào)修等工作。船載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)流程如圖3所示。數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)接收來(lái)自主節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包并拆包，分別將包中的節(jié)點(diǎn)信息和采集數(shù)據(jù)放入不同的數(shù)組中；然后將采集數(shù)據(jù)進(jìn)行列表和繪圖；若發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，則報(bào)警提示，彈出具體冷藏箱的位置、箱號(hào)等；若無(wú)異常數(shù)據(jù)，則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

圖3 船載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)流程

船載監(jiān)測(cè)模塊面向的用戶是船上工作人員，考慮到實(shí)際需求，其基本功能設(shè)計(jì)如下：

(1)冷藏箱識(shí)別：通過(guò)不同節(jié)點(diǎn)與貨物的對(duì)應(yīng)關(guān)系，冷藏箱在連入系統(tǒng)后，系統(tǒng)可以通過(guò)節(jié)點(diǎn)信息獲得對(duì)應(yīng)冷藏箱的種類、位置、箱號(hào)、連入離開(kāi)時(shí)間等信息。

(2)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)到冷藏箱各傳感器的溫濕度數(shù)據(jù)及其變化曲線。

(3)報(bào)警提示：若冷藏箱某一個(gè)傳感器溫度值不在閾值內(nèi)，則系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警聲，并彈出報(bào)警窗口顯示對(duì)應(yīng)箱號(hào)、位置等。

(4)信息查詢及報(bào)表生成：在數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)中，可根據(jù)時(shí)間或箱號(hào)等信息，查詢具體某個(gè)冷藏箱的狀態(tài)信息并生成報(bào)表。

(5)數(shù)據(jù)備份：結(jié)束一次運(yùn)載后將冷藏箱的溫濕度、時(shí)間、承載貨物等信息備份到硬盤(pán)，以便日后核查。

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2.3 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)模塊

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信采用北斗衛(wèi)星通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心與船載監(jiān)測(cè)中心之間的數(shù)據(jù)傳輸。該技術(shù)具有雙向通信、衛(wèi)星定位和授時(shí)等功能，完全能夠滿足監(jiān)測(cè)信息的傳遞需求[11]。通過(guò)北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)，數(shù)據(jù)信息以特定的發(fā)送頻率傳送至地面站，再通過(guò)Internet傳輸至各類終端設(shè)備。

由于集裝箱船與冷藏箱之間的動(dòng)態(tài)結(jié)合關(guān)系，為方便貨主對(duì)分布在不同集裝箱船上的多個(gè)冷藏箱進(jìn)行集中查詢，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心需要管理對(duì)接多個(gè)船載監(jiān)測(cè)中心。另外，針對(duì)岸上用戶的實(shí)際需求，在傳輸冷藏箱實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)的同時(shí)，將船名、航次、位置、預(yù)計(jì)到港時(shí)間等信息一并上傳至遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心。

遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用B/S(Browser/Server)體系結(jié)構(gòu)。遠(yuǎn)端用戶通過(guò)客戶端或?yàn)g覽器均可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)或圖表的瀏覽、提取、下載等操作。與船上工作人員不同的是，岸上用戶還要關(guān)注集裝箱船與冷藏箱的整體狀態(tài)，如集裝箱船位置信息、冷藏箱狀態(tài)等，而不僅僅是傳感器的實(shí)時(shí)溫濕度數(shù)據(jù)。因此在設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，需要針對(duì)不同用戶提供更加符合其實(shí)際需求的信息。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能如圖4所示。

圖4 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模塊

(1)船公司(船代)：需要所屬全部集裝箱船的航次、位置、貨物等信息來(lái)完成歷史記錄、資料歸檔等工作。

(2)貨主(貨代)：需要運(yùn)單內(nèi)所有承載集裝箱船的航次、位置、到港時(shí)間及貨物所在冷藏箱的整體狀態(tài)信息等。

(3)保險(xiǎn)公司：需要保險(xiǎn)責(zé)任范圍內(nèi)的貨物所在冷藏箱的整體狀態(tài)以評(píng)估貨物狀態(tài)，進(jìn)而明確理賠情況等。

3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)信息的處理是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中最重要的部分，前端數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和可靠性直接影響后端的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示。在當(dāng)前研究中，監(jiān)測(cè)設(shè)備在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，通常僅通過(guò)單一傳感器完成，即使采用多個(gè)傳感器或者多種類型傳感器，也只是分開(kāi)孤立地反映某一點(diǎn)的信息。同時(shí)，由于箱內(nèi)環(huán)境復(fù)雜多變，通信容易受到干擾，節(jié)點(diǎn)失效的可能性很高；且傳感器所處方位不同、傳感器自身質(zhì)量差異及實(shí)際環(huán)境中一些無(wú)法控制的隨機(jī)因素，難以避免出現(xiàn)較大誤差，使各傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)不能完全反映箱內(nèi)的真實(shí)情況。因此需要引入一種新的數(shù)據(jù)處理方式來(lái)降低誤差，實(shí)現(xiàn)該過(guò)程的有效性和準(zhǔn)確性。研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)建立基于自適應(yīng)加權(quán)算法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的二級(jí)數(shù)據(jù)融合，可以明顯降低誤差對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

3.1 二級(jí)數(shù)據(jù)融合模型

將多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)引入到冷藏集裝箱實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，建立二級(jí)數(shù)據(jù)融合模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的綜合處理，具體如圖5所示，可看出第一級(jí)是局部融合中心，應(yīng)用自適應(yīng)加權(quán)融合算法完成像素級(jí)融合，主要是把來(lái)自多個(gè)傳感器的多源數(shù)據(jù)融合，排除單個(gè)傳感器測(cè)量結(jié)果的不準(zhǔn)確性和局限性，得出對(duì)各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)的一致性描述。最后匯總到全局融合中心，即決策性融合，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)同源融合后的結(jié)果進(jìn)行融合，從而提高了冷藏箱監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。數(shù)據(jù)融合過(guò)程可以輔助人們進(jìn)行態(tài)勢(shì)/環(huán)境判定、規(guī)劃、探測(cè)、驗(yàn)證、診斷，以提高狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的準(zhǔn)確性和可靠性[12]。

圖5 多傳感器數(shù)據(jù)融合模型

3.2 融合算法分析

(1)

(2)

總均方誤差為：

由于X1，X2，…，Xn之間相互獨(dú)立，并且是X的無(wú)偏估計(jì)，故E[(X-Xp)(X-Xq)]=0(p≠q,p=1,2,…,n;q=1,2,…,n)，所以σ2可表示為：

(3)

從式(3)可以看出，σ2的值越小代表輸出精度越高，問(wèn)題轉(zhuǎn)換成求傳感器總均方誤差最小值問(wèn)題。由于σ2與Wp成二次函數(shù)關(guān)系，根據(jù)多元極值理論，當(dāng)總均方誤差最小時(shí)，傳感器加權(quán)因子為：

(4)

此時(shí)最小總均方誤差為：

(5)

當(dāng)估計(jì)真值X為常值時(shí)，可利用各傳感器的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行估計(jì)，以提高估計(jì)的準(zhǔn)確性。設(shè)第p個(gè)傳感器進(jìn)行了第k次測(cè)量，其平均值為：

(6)

此時(shí)估計(jì)值為：

(7)

3.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

選取8個(gè)溫度傳感器采集節(jié)點(diǎn)，令其在相同的時(shí)間對(duì)溫度進(jìn)行8次單獨(dú)測(cè)量，得出各傳感器各時(shí)間點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 溫度傳感器實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù) ℃

由此可以通過(guò)計(jì)算得出各傳感器數(shù)據(jù)的均值和方差，并根據(jù)上述自適應(yīng)加權(quán)算法得出各自的權(quán)值，如表2所示。

表2 溫度傳感器融合數(shù)據(jù) ℃

計(jì)算融合值為：

0.130 3×8.72+0.057 2×6.79+

0.223 4×8.81+0.082 3×7.26+

0.062 5×7.53+0.117 3×8.74+

0.146 6×8.52+0.180 4×9.38=8.51

從表2可以看出，方差大的傳感器計(jì)算得出的權(quán)重相對(duì)較小，方差小的傳感器計(jì)算得出的權(quán)重相對(duì)較大，這樣對(duì)可能存在的粗大誤差進(jìn)行抑制，確保了整個(gè)數(shù)據(jù)融合的精確性，達(dá)到了數(shù)據(jù)融合的效果。之后對(duì)數(shù)據(jù)方差較大的傳感器進(jìn)行更換，并經(jīng)過(guò)多次融合測(cè)試后，得出的結(jié)果與上述結(jié)論一致，排除了傳感器自身質(zhì)量差異導(dǎo)致的偏差，進(jìn)一步證明了數(shù)據(jù)融合的有效性。

4 結(jié)論

首先，筆者在詳細(xì)分析海運(yùn)冷藏集裝箱監(jiān)測(cè)實(shí)際需求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于ZigBee技術(shù)的海運(yùn)冷藏集裝箱實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的各個(gè)模塊的構(gòu)成和設(shè)計(jì)方案。其次，針對(duì)當(dāng)前研究中缺少的數(shù)據(jù)處理和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)模塊部分，引入多傳感器數(shù)據(jù)融合模型，保證了溫濕度數(shù)據(jù)的科學(xué)性和可靠性；并基于北斗衛(wèi)星通訊技術(shù)，針對(duì)不同終端用戶需求設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，完善了系統(tǒng)末端的功能。最后,重點(diǎn)研究了數(shù)據(jù)融合模型算法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)算法的有效性。結(jié)果表明，系統(tǒng)方案可以保證箱內(nèi)溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，提高冷藏集裝箱監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化程度，對(duì)海運(yùn)冷藏集裝箱實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)具有一定的借鑒作用和參考價(jià)值，同時(shí)對(duì)保障遠(yuǎn)洋運(yùn)輸?shù)陌踩院涂煽啃跃哂兄匾饬x。