聶健波,呂潔印,2,,4,周受欽,,4,黃瑞雪

1(深圳中集智能科技有限公司,深圳 518067)

2(長安大學(xué),西安 710064)

3(東莞中集智能科技有限公司,東莞 523808)

4(中國國際海運(yùn)集裝箱集團(tuán)(股份)有限公司,深圳 518067)

冷藏集裝箱(冷藏箱)是一種具有良好氣密性、隔熱性且能保證一定低溫要求和適用于各類易腐食品的貯存、運(yùn)輸?shù)奶厥夤δ芗b箱[1].冷鏈運(yùn)輸是指在運(yùn)輸全過程中,無論是裝卸搬運(yùn)、變更運(yùn)輸方式、更換包裝設(shè)備等環(huán)節(jié),都使所運(yùn)輸貨物始終保持一定溫度.冷鏈運(yùn)輸方式大多數(shù)都是以冷藏集裝箱作為運(yùn)輸載體,但是,如果在運(yùn)輸中突然發(fā)生車輛拋錨、冷凍系統(tǒng)癱瘓等事故,都會大大影響冷鏈產(chǎn)品的質(zhì)量.溫度是冷鏈運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵點(diǎn),目前,冷鏈物流溫控管理最大的技術(shù)瓶頸是溫度監(jiān)測技術(shù)手段滯后,無統(tǒng)一數(shù)據(jù)系統(tǒng)支持,實(shí)時(shí)性差、無法進(jìn)行預(yù)警等.要解決這一瓶頸,就需要先引入現(xiàn)代的溫度監(jiān)測方法.因此,在冷鏈運(yùn)輸過程中,對車輛的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控是很有必要的[2-5].

然而,傳統(tǒng)大多數(shù)冷鏈監(jiān)控類設(shè)備終端存在功耗大,鏈路建立時(shí)間長以及數(shù)據(jù)傳輸效率低等缺陷,基本不具備全球定位追蹤功能.目前低軌衛(wèi)星與地面移動通信的結(jié)合是未來通信的主要特征之一,使用時(shí)隙控制機(jī)制、動態(tài)時(shí)隙管理等數(shù)據(jù)通信技術(shù),可為數(shù)據(jù)傳輸提供了可靠保障[6,7].NB-IoT 在標(biāo)準(zhǔn)體系統(tǒng)一、擴(kuò)展能力上具有巨大優(yōu)勢,必將成為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在全球部署的有力推動者[8].因此,開發(fā)一種集成低軌衛(wèi)星、NB-IoT 通信和GPS/北斗定位等相關(guān)技術(shù)的智能終端,通過網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造資源共享,實(shí)現(xiàn)對貨物運(yùn)輸過程中車輛的運(yùn)行路線、實(shí)時(shí)運(yùn)行位置、人員的安全情況以及車廂內(nèi)的溫濕度進(jìn)行監(jiān)控.一方面便于車輛的指揮調(diào)度；另一方面在出現(xiàn)突發(fā)事故時(shí),可迅速做出決策[9,10],為冷鏈運(yùn)輸提供安全的保障服務(wù).

1 系統(tǒng)方案

智能冷鏈運(yùn)輸終端系統(tǒng)主要有三個(gè)組成部分,智能終端,無線通信和遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺.

智能終端搭載在冷藏集裝箱上,是數(shù)據(jù)采集中心,主要負(fù)責(zé)采集冷藏集裝箱的地理位置,運(yùn)動狀態(tài)和箱內(nèi)溫濕度等數(shù)據(jù).無線通信是智能終端和遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的橋梁,負(fù)責(zé)將智能終端打包好的數(shù)據(jù)報(bào)文上傳到服務(wù)器.該智能冷鏈運(yùn)輸終端系統(tǒng)的無線通信包括了低軌衛(wèi)星通信和NB-IoT 通信,兩種通信方式之間可以相互智能切換,由于NB-IoT 在通信方面有著強(qiáng)鏈接,高覆蓋,功耗低等優(yōu)勢,因此,優(yōu)先使用該通信方式.在窄帶蜂窩網(wǎng)沒有覆蓋到的城市、峽谷、山區(qū)、叢林等區(qū)域,智能終端將啟動低軌衛(wèi)星發(fā)送數(shù)據(jù).遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺一方面可以從服務(wù)器中提取出智能終端發(fā)送上來的原始數(shù)據(jù)報(bào)文,經(jīng)過協(xié)議解析將采集到的數(shù)據(jù)以界面的方式展示給用戶,包括冷藏箱內(nèi)外的溫濕度,運(yùn)動狀態(tài),位置和報(bào)警信息等；另一方面用戶也可通過平臺向智能終端發(fā)送數(shù)據(jù),如報(bào)警處理,遠(yuǎn)程升級終端等.智能終端系統(tǒng)架構(gòu)見圖1.

圖1 智能終端系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

智能終端的硬件由主板、天線、電池等組成.其中,主板部分包含MCU、存儲模塊、通信模塊、定位模塊、傳感器模塊以及電源管理模塊和看門狗等模塊.智能終端的硬件組成框圖見圖2.

圖2 智能終端的硬件組成框圖

2.1 微處理器模塊

智能終端搭載在冷藏集裝箱上,需長期處于實(shí)時(shí)檢測的工作模式.因此,低功耗是終端關(guān)鍵器件選型的一個(gè)重要參數(shù).設(shè)計(jì)選用STM32L1 系列芯片作為主控制器,該系列芯片具有超低功耗,睡眠功耗僅有2 uA,硬件資源豐富,主時(shí)鐘頻率達(dá)到32 MHz,能滿足整個(gè)智能終端系統(tǒng)響應(yīng)速度和運(yùn)算控制需求.

2.2 定位模塊

智能終端采用上海移遠(yuǎn)公司L76C 系列GNSS 模塊,與單一的GPS 模塊相比L76C 模塊集成了多衛(wèi)星定位系統(tǒng)使得可見和可用衛(wèi)星數(shù)目大幅度增加,同時(shí),內(nèi)置有LNA 確保在弱信號環(huán)境下能有更好的性能,此外,L76C 模塊還可接入加速度傳感器進(jìn)行融合定位,即使是在復(fù)雜的城市環(huán)境下也能實(shí)現(xiàn)更高的定位精度和準(zhǔn)確度,并顯著降低平均運(yùn)行功耗,平均功耗在25 mA 左右,滿足終端對低功耗的高要求.可通過UART 接口與MCU 進(jìn)行通信,實(shí)現(xiàn)定位數(shù)據(jù)采集.

2.3 傳感器模塊

智能終端的傳感器模塊包括溫濕度傳感器和加速度傳感器.選用Sensirion 公司SHT30 溫濕度傳感器,該傳感器具有封裝小,測量精度高,功耗低等特點(diǎn),平均工作電流只有2 uA.該模塊增加了一個(gè)報(bào)警輸出引腳,在溫度與濕度超過或低于一定閾值時(shí),會輸出高電平直接喚醒MCU,不再需要由MCU 主動發(fā)送指令去輪詢數(shù)據(jù),可長時(shí)間停留在低功耗睡眠模式,從而減少終端的功耗.可通過I2C 接口與MCU 進(jìn)行通信,實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)采集.

選用ADI 公司ADXL345 加速度傳感器,該傳感器功耗低,分辨率高,測量范圍可達(dá)±16 g,在2.5 V 電壓工作時(shí),測量模式下功耗低至23 uA,在待機(jī)模式下功耗只有0.1 uA.可通過SPI 接口與MCU 進(jìn)行通信,實(shí)現(xiàn)加速度數(shù)據(jù)采集.

2.4 看門狗模塊

在電池供電的系統(tǒng)中,使用看門狗功能的微控制器定時(shí)器來喚醒系統(tǒng),可以降低整個(gè)系統(tǒng)在休眠模式下的功耗.因此,選用TI 公司一款具有看門狗功能的TPL5010 低功耗定時(shí)器.該芯片可通過外部電阻配置100 ms 至7200 s 的定時(shí)時(shí)間,定時(shí)器精度達(dá)到1%,電流消耗為35 nA.只需連接MCU 的復(fù)位引腳和一個(gè)I/O 口即可完成喚醒系統(tǒng)功能.

2.5 存儲模塊

智能終端選用W25Q64 芯片作為存儲器,容量為64 Mb,采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI 協(xié)議,支持雙輸出/四輸出的SPI 接口與MCU 進(jìn)行通信,實(shí)現(xiàn)智能終端的數(shù)據(jù)存儲.

2.6 通信模塊

通信模塊由NB-IoT 模塊和衛(wèi)星模塊組成.硬件上將兩個(gè)通信模塊設(shè)計(jì)于同一個(gè)串口,構(gòu)成雙模的通信方式.NB-IoT 模塊選用上海移遠(yuǎn)BC35-G 模塊,該模塊是一款高性能、低功耗、多頻段的NB-IoT 通信模塊,支持B1/B3/B8/B5/B20/B28 共6 個(gè)頻段,適合全球范圍使用.數(shù)據(jù)傳輸方面支持25.2 kbps 的下行速率和15.625 kbps 的上行速率.模塊在不同頻段下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的電流均會不同,其中,最大發(fā)射電流不超過280 mA,接收狀態(tài)下電流約為60 mA.因此,NB-IoT 模塊在功耗方面相比較傳統(tǒng)的2G、3G、4G 等通信模塊有較大的優(yōu)勢.

衛(wèi)星模塊選用ORBCOMM 公司的OGi 低軌衛(wèi)星通信模塊,該模塊支持AT 和OG 兩種命令模式,適用于通信量不大的監(jiān)控終端,實(shí)現(xiàn)短報(bào)文雙向衛(wèi)星通信.支持5 V～15 VDC 寬電壓供電,衛(wèi)星模塊分別在5 V、8 V、12 V 電壓工作的發(fā)送和接收電流如表1所示[11].

表1 衛(wèi)星模塊不同電壓工作的發(fā)送和接收電流

由上表1可知,當(dāng)模塊工作在5 V～8 V 時(shí),發(fā)送電流達(dá)到1 A 以上,接收電流也大于100 mA,對智能終端的負(fù)載能力要求較高.因此,選擇12 V 電壓作為衛(wèi)星模塊供電電壓,一方面可以減小智能終端總電流,另一方面降低電源設(shè)計(jì)難度.

2.7 電源管理模塊

智能終端的電源管理有外部供電和內(nèi)置電池供電兩種方案.其中,外部可使用冷藏箱自帶柴油發(fā)電機(jī)提供的電源,經(jīng)過內(nèi)部變壓在冷機(jī)上預(yù)留有用于外接使用的AC24V 電源.內(nèi)置選用可充電的DC12V 鋰電池電源.經(jīng)過整流降壓得到各模塊所需的直流電壓.通過MCU 的I/O 口控制由NPN 型三極管和P 型MOS 管組成的開關(guān)電路,可以實(shí)現(xiàn)各模塊電源的開啟或關(guān)斷.終端電源供電模型見圖3.

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

智能終端的軟件系統(tǒng)流程共劃分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)通信以及數(shù)據(jù)解析四個(gè)部分.以主控制器為核心對各模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理,并將經(jīng)過MCU 處理后的數(shù)據(jù)信息通過窄帶蜂窩網(wǎng)或低軌衛(wèi)星的無線鏈路傳輸?shù)椒?wù)器,最終在監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控.系統(tǒng)主程序流程見圖4.

智能終端在上電后,MCU 先完成對NB 模塊、衛(wèi)星模塊、定位模塊、溫濕度模塊、加速度模塊、存儲模塊和看門狗等模塊的初始化,然后開始進(jìn)入等待開機(jī)模式,此時(shí)整個(gè)終端會進(jìn)入睡眠狀態(tài),一直在檢測有無開機(jī)信號.在開機(jī)完成后,智能終端將開始進(jìn)入正常的工作模式.先開始監(jiān)測溫濕度和運(yùn)動狀態(tài),判斷選擇開啟GPS 模塊或NB 模塊,如選擇打開GPS 則將采集到的GPS 數(shù)據(jù)信息通過串口發(fā)送給MCU 處理并將檢測到的溫濕度值和運(yùn)動狀態(tài)值通過相關(guān)協(xié)議打包成原始數(shù)據(jù)報(bào)文.如果不需要啟動GPS 定位,則直接打開NB 模塊.打開NB 模塊后進(jìn)行信號查詢并嘗試入網(wǎng)連接,確認(rèn)入網(wǎng)成功之后將MCU 打包好的原始數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)送到服務(wù)器.如遇到嘗試三次NB 模塊連網(wǎng)均不成功,則切換到衛(wèi)星發(fā)送模式,啟動衛(wèi)星模塊搜索衛(wèi)星,如果衛(wèi)星模塊對接成功,開始將原始數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)送至ORBCOMM 網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.如超過三次對接不成功,則把原始報(bào)文保存在到存儲器,在下一次發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)再補(bǔ)報(bào)之前保存的歷史報(bào)文.在完成整個(gè)工作流程后進(jìn)入睡眠模式.

圖3 終端電源供電模型圖

進(jìn)入睡眠模式后,溫濕度和加速度模塊仍一直工作在監(jiān)聽狀態(tài),如果檢測到超過預(yù)警值,將自動喚醒終端,此時(shí)判斷子函數(shù)先判斷是溫濕度觸發(fā)還是延時(shí)觸發(fā),若是在無運(yùn)動狀態(tài)下由溫濕度觸發(fā),則不需開啟定位模塊,只上傳報(bào)警信息；若是在運(yùn)動狀態(tài)下由溫濕度觸發(fā),將打開定位模塊采集事發(fā)位置并上報(bào).同理,如果是延時(shí)時(shí)間到引起觸發(fā),將先進(jìn)行溫濕度和加速度檢測,然后再判斷是否有運(yùn)動,若無便不開啟GPS 定位,只上報(bào)溫濕度、運(yùn)動狀態(tài)和電池電壓等信息[12,13].判斷子函數(shù)流程見圖5.

圖4 系統(tǒng)主程序流程圖

圖5 判斷子函數(shù)流程圖

3.2 通信數(shù)據(jù)校驗(yàn)設(shè)計(jì)

冷鏈運(yùn)輸過程中遇到通信信號在較弱的情況時(shí)有可能會導(dǎo)致原始數(shù)據(jù)信息容易出現(xiàn)亂碼.因此,設(shè)計(jì)采用CRC 的校驗(yàn)方式,智能終端根據(jù)要傳送的k位二進(jìn)制碼序列,以一定的規(guī)則產(chǎn)生一個(gè)校驗(yàn)用的r位監(jiān)督碼,附在原始數(shù)據(jù)信息后邊,構(gòu)成一個(gè)新的二進(jìn)制碼序列數(shù)共k+r位,然后發(fā)送出去.在接收端,根據(jù)信息碼和CRC 碼之間所遵循的規(guī)則進(jìn)行檢驗(yàn),以確定傳送中是否出錯[14,15].

4 低功耗設(shè)計(jì)及測試結(jié)果

4.1 低功耗設(shè)計(jì)

由于在冷鏈運(yùn)輸?shù)倪^程中會存在區(qū)域跨度大,時(shí)間較長和維護(hù)不方便等問題.因此,要求智能終端的使用壽命要足夠長,需進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì).

在硬件上選用低功耗的關(guān)鍵元器件,且各模塊供電設(shè)計(jì)可關(guān)斷模式.在軟件上,設(shè)定智能終端從數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)間不超過5 分鐘,如在5 分鐘內(nèi)不能發(fā)送數(shù)據(jù)成功則將數(shù)據(jù)保存并進(jìn)入睡眠模式,在下一次發(fā)送再將歷史數(shù)據(jù)補(bǔ)報(bào).另外,用戶可根據(jù)需求通過遠(yuǎn)程配置智能終端的上報(bào)周期,如在冷藏集裝箱不工作時(shí)可設(shè)置一天上報(bào)一次,在用于運(yùn)輸貨物時(shí)可設(shè)置每小時(shí)上報(bào)一次.在MCU 進(jìn)入睡眠后徹底關(guān)斷模塊的電源,將用不到的I/O 口設(shè)置成輸入模式,使整機(jī)睡眠功耗做到最小化.增加智能終端的使用壽命.

4.2 測試結(jié)果

智能終端需安裝到冷藏集裝箱的冷機(jī)上進(jìn)行測試.安裝包括智能終端主機(jī),CPS 天線,NB-IoT 模塊天線和衛(wèi)星天線,選用冷機(jī)電源供電.智能終端現(xiàn)場安裝測試實(shí)物見圖6.

圖6 智能終端現(xiàn)場安裝測試實(shí)物圖

通過上電測試,設(shè)置智能終端的上報(bào)時(shí)間為每10 分上報(bào)一次數(shù)據(jù).在監(jiān)控平臺上顯示監(jiān)控到的冷藏集裝箱內(nèi)溫度和濕度值曲線見圖7.

圖7 冷藏集裝箱內(nèi)溫濕度值曲線圖

5 結(jié)束語

本文給出的智能冷鏈運(yùn)輸終端系統(tǒng)方案,不僅能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測冷鏈運(yùn)輸過程中冷藏箱內(nèi)的狀態(tài)信息,而且可以通過遠(yuǎn)程操作對突發(fā)的事件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,大大節(jié)約了運(yùn)營成本.利用低軌衛(wèi)星通信信號在全球范圍內(nèi)覆蓋的優(yōu)勢,有效地解決了冷鏈運(yùn)輸全球監(jiān)控的難題,為冷鏈運(yùn)輸提供了更高的安全性和效率性保障.經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用和測試結(jié)果表明選用低軌衛(wèi)星和NBIoT 兩種智能切換的通信方案可行,能夠保證冷藏箱的地理位置,運(yùn)動狀態(tài)及箱內(nèi)溫濕度等信息安全,穩(wěn)定的上報(bào)到服務(wù)器.此外,該終端具備加速度監(jiān)測和遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能,對于極為講究時(shí)效性和安全性的冷鏈運(yùn)輸來說,具有重要的參考價(jià)值和良好的發(fā)展前景.