基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的散糧集裝箱監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫國慶，苑嚴(yán)偉，劉陽春，汪鳳珠，王 猛，李卓立

(中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院土壤植物機(jī)器系統(tǒng)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083)

0 引言

隨著東北地區(qū)糧食生產(chǎn)能力的迅速提升、公鐵水綜合交通運(yùn)輸網(wǎng)的構(gòu)建及市場供求關(guān)系的變化，“北糧南運(yùn)”格局已悄然而成，糧食跨省調(diào)運(yùn)數(shù)量日趨龐大。在此背景下，集裝箱因安全、經(jīng)濟(jì)和易于實(shí)現(xiàn)多模式聯(lián)運(yùn)的特點(diǎn)，成為“北糧南運(yùn)”的主要運(yùn)輸工具，但在運(yùn)輸過程中，集裝箱的信息化、智能化監(jiān)控手段匱乏，無法實(shí)時(shí)感知集裝箱內(nèi)糧食情況，儲糧的品質(zhì)難以監(jiān)測，存在運(yùn)輸成本高、效率低等的問題。因此，針對公鐵水不同運(yùn)輸環(huán)境下研究散糧集裝箱的遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)與裝備，實(shí)現(xiàn)糧食在運(yùn)輸過程中的遠(yuǎn)程全程監(jiān)控，才能更好地發(fā)揮“北糧南運(yùn)”散糧集裝箱的功效[1-2]。

本文設(shè)計(jì)了一種基于LoRa的散糧集裝箱監(jiān)測系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測集裝箱內(nèi)溫濕度信息和所處的位置信息，并將數(shù)據(jù)通過無線數(shù)據(jù)傳輸終端傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺，實(shí)現(xiàn)可視化精確監(jiān)測。

1 系統(tǒng)組成

整個(gè)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、車載終端和遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺3部分構(gòu)成。系統(tǒng)布設(shè)在集裝箱內(nèi)的各個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)以LoRa通訊技術(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)成無線傳感網(wǎng)絡(luò)，可形成全方位、立體式監(jiān)測體系，按照預(yù)先設(shè)定好的采集頻率獲取集裝箱內(nèi)的環(huán)境信息，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送至車載終端，最后通過DTU發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)測

平臺，從而實(shí)現(xiàn)對散糧集裝箱的實(shí)時(shí)監(jiān)測。系統(tǒng)總體構(gòu)架如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)是散糧集裝箱監(jiān)測系統(tǒng)的基本組成單元，主要實(shí)現(xiàn)對環(huán)境因子的采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)發(fā)送等功能，集裝箱內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測需要較長時(shí)間，并且不易更換，故需要選擇低功耗、低電壓工作的芯片，設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的微處理器選擇STM8L，功耗低、性能穩(wěn)定可靠。LoRa無線通訊模塊是以擴(kuò)頻無線射頻芯片SX1278為核心，功耗低、傳輸距離遠(yuǎn)抗干擾性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)一對多組網(wǎng)通訊，通過UART與MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[3-5]。SHT85高精度數(shù)字型相對濕度傳感器，能耗4.8 μW，響應(yīng)時(shí)間8 s，接口為I2C總線。MAX6675串行熱電偶溫度傳感器，高阻抗差動輸入，片內(nèi)冷短補(bǔ)償，分辨率為0.25 ℃，輸出接口為SPI總線。電源模塊采用3.7 V耐高溫鋰電池，1 800 mAh[6]。

采集節(jié)點(diǎn)實(shí)物如圖3所示，為防止發(fā)生磨損破壞電路，將采集節(jié)點(diǎn)放置于ABS盒內(nèi)進(jìn)行封裝。

采集節(jié)點(diǎn)的采集頻率為10 s，數(shù)據(jù)上傳周期為60 s，為了較小誤差和干擾的影響，采用去極值平均濾波法對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，假設(shè)上傳周期內(nèi)采集到的數(shù)據(jù)分別為X1、X2、X3、X4、X5和X6，最大值

為Xmax，最小值為Xmin，則

Xmax=maxX1，X2，X3，X4，X5，X6

(1)

Xmin=minX1，X2，X3，X4，X5，X6

(2)

(3)

2.2車載終端設(shè)計(jì)

車載終端負(fù)責(zé)將各采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集，將數(shù)據(jù)顯示在TFTLCD液晶顯示屏上，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至DTU，可供遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)，車載終端的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

車載終端的微處理器選擇STM32F407，資源豐富，可以充分滿足車載終端的設(shè)計(jì)需求。LoRa無線接收模塊采用YL-800T，設(shè)置為中心模式，可以接收各采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)[8]。電源模塊采用LM2596S可調(diào)節(jié)穩(wěn)壓模塊，從車內(nèi)的點(diǎn)煙器取電，經(jīng)穩(wěn)壓模塊可為車載終端提供持續(xù)穩(wěn)定的電源。ATK-S1216北斗定位模塊，更新率為20Hz，通訊協(xié)議為NMEA-0183。TFT LCD液晶顯示屏，分辨率800×480，尺寸為4.3寸。DTU采用TAS-GPRS-350，接口為232接口，傳輸速率85 kbps[9]。

車載終端的流程如圖5所示。

車載終端實(shí)物如圖6所示。

3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用MATLAB圖形用戶界面設(shè)計(jì)工具GUIDE進(jìn)行開發(fā)，實(shí)現(xiàn)將集裝箱狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示：解析下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示各采集節(jié)點(diǎn)的溫濕度，繪制溫濕度變化曲線并保存，同時(shí)調(diào)用百度地圖API，可以實(shí)時(shí)顯示集裝箱所處的位置。通過對集裝箱進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，可做出相應(yīng)的分析與決策。上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)如圖7所示。

3.1溫濕度實(shí)時(shí)顯示功能

集裝箱溫濕度實(shí)時(shí)顯示功能可以實(shí)時(shí)顯示集裝箱中各采集節(jié)點(diǎn)的信息，通過對下位機(jī)返回的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，根據(jù)解析結(jié)果顯示對應(yīng)采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。溫度檢測流程如圖8所示。

數(shù)據(jù)包的串口通訊協(xié)議如表1所示。

3.2位置實(shí)時(shí)顯示功能

集裝箱位置的可視化通過調(diào)用百度地圖API實(shí)現(xiàn)，利用百度地圖的AK密鑰訪問百度地圖web服務(wù)器，將下位機(jī)上傳的經(jīng)緯度坐標(biāo)，以及縮放比例、視野范圍等參數(shù)寫入應(yīng)用程序接口，即可返回相應(yīng)的地圖信息，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測。

表1 串口通訊協(xié)議

4 系統(tǒng)測試

為驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，在中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院土壤植物機(jī)器系統(tǒng)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對系統(tǒng)進(jìn)行了測試。將12個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)分別放置于一輛廂式貨車內(nèi)，采集節(jié)點(diǎn)的分布如圖9所示。

將車載終端放置于駕駛室，上位機(jī)放置于新辦公樓，分別對采集節(jié)點(diǎn)、車載終端和上位機(jī)進(jìn)行測試。

4.1采集節(jié)點(diǎn)測試

4.1.1功耗測試

為實(shí)現(xiàn)長時(shí)間的有效監(jiān)控，采集節(jié)點(diǎn)需要有足夠的存活時(shí)間，試驗(yàn)測試了各采集節(jié)點(diǎn)的存活性能，測試結(jié)果如圖10所示。

從圖10中可以看出，在30 d后才有節(jié)點(diǎn)消亡，系統(tǒng)運(yùn)行59 d后，全部節(jié)點(diǎn)才耗盡能量，因?yàn)橄到y(tǒng)中消亡節(jié)點(diǎn)達(dá)到一定數(shù)量時(shí)就不能有效完成數(shù)據(jù)監(jiān)測任務(wù)，若設(shè)定節(jié)點(diǎn)存活率不足80%時(shí)監(jiān)測無法正常工作，該系統(tǒng)有效生存時(shí)間為40 d，可滿足監(jiān)測應(yīng)用環(huán)境對長時(shí)間有效監(jiān)測的需求。

4.1.2精度測試

為驗(yàn)證檢測數(shù)據(jù)的精確性，通過對比的方式檢測集裝箱內(nèi)的環(huán)境參數(shù)。利用溫濕度測量儀測量集裝箱內(nèi)環(huán)境變化，對其進(jìn)行12 h的檢測，以每隔1 h間隔對其測量，與采集節(jié)點(diǎn)所測的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，對比結(jié)果顯示溫度偏差為±0.5 ℃，濕度偏差為±0.5%RH，數(shù)據(jù)一致性較好。表2列出了每個(gè)采集節(jié)點(diǎn)溫濕度測量結(jié)果的典型值。

表2 溫濕度測量結(jié)果

為驗(yàn)證采集節(jié)點(diǎn)能夠在特殊條件下同樣有較好的精度，在高低溫箱中進(jìn)行精度測試。高低溫箱溫度設(shè)置：下降率1 ℃h，直至降至-20 ℃為止，測試時(shí)間1 h，測試結(jié)果如圖11所示，由圖11可清晰地看出兩條曲線幾乎重合，誤差范圍在<1%。

4.2車載終端測試

為檢測車載終端系統(tǒng)是否能夠正常運(yùn)行，是否能與各采集節(jié)點(diǎn)之間正常數(shù)據(jù)傳輸，需要進(jìn)行車載終端檢測和上電測試。

車載終端的運(yùn)行效果如圖12所示，軟件部分已經(jīng)調(diào)通，可以實(shí)現(xiàn)需求功能。經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行測試，該系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)時(shí)性好。

系統(tǒng)通電后，其顯示如圖13所示，在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)編號后是每個(gè)采集節(jié)點(diǎn)的電量和采集到的溫濕度，最后是定位模塊測得的經(jīng)緯度數(shù)值。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了報(bào)警機(jī)制，在溫濕度大于設(shè)定閾值的時(shí)候，蜂鳴器會進(jìn)行警報(bào)提示。

4.3上位機(jī)軟件測試

進(jìn)行上位機(jī)、車載終端聯(lián)合調(diào)試，可以對遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)顯示、地圖顯示等功能進(jìn)行測試，并與車載終端顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，來驗(yàn)證上下位機(jī)通訊是否成功，數(shù)據(jù)的同步性與系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

上位機(jī)監(jiān)測軟件的運(yùn)行結(jié)果(圖14)，其中左上角設(shè)置串口端號、波特率和校驗(yàn)位等，點(diǎn)擊打開串口按鈕后，上位機(jī)軟件開始接收數(shù)據(jù)。左下角為數(shù)據(jù)接收顯示，在每接收到一條數(shù)據(jù)后，就會更新一條數(shù)據(jù)。中間為溫度變化曲線，接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過解析后，繪制對應(yīng)節(jié)點(diǎn)的溫度變化曲線。右側(cè)為車輛實(shí)時(shí)定位，車輛的位置可以實(shí)時(shí)顯示在地圖上。

對比車載端顯示屏數(shù)據(jù)，可以看出數(shù)值相同；按照車載端經(jīng)緯度查詢，定位與實(shí)際相符。

5 結(jié)束語

針對公鐵水運(yùn)輸環(huán)境下散糧集裝箱監(jiān)測應(yīng)用需求，通過對現(xiàn)有無線方案的分析比較，本文提出一種基于LoRa的散糧集裝箱多點(diǎn)無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在散糧集裝箱環(huán)境監(jiān)測中引入無線通信技術(shù)LoRa，實(shí)現(xiàn)低功耗數(shù)據(jù)匯聚和遠(yuǎn)程傳輸。本系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定、抗干擾性強(qiáng)和功耗低等優(yōu)點(diǎn)，可以及時(shí)準(zhǔn)確掌握集裝箱散糧糧情動態(tài)、質(zhì)量信息及運(yùn)輸動態(tài)。