魏建宇 馬文彬 盧愛臣

陸軍軍事交通學(xué)院 天津 300161

引言

隨著我國軍事綜合實力的不斷增強，我軍職能、使命與備戰(zhàn)任務(wù)呈多樣化拓展趨勢，軍用危險品的使用范圍、使用頻率、使用性能要求都日益增加，同時，軍用危險品的交通運輸保障任務(wù)也日益加劇[1]。公路運輸作為軍事交通運輸?shù)闹匾M成部分，在危險品運輸中發(fā)揮著重要作用，而公路運輸由于其機動靈活、速度快、及時、適應(yīng)性強等優(yōu)點，成為軍用危險品最常用的運輸方式。

軍用危險品主要包括軍用雷管、點火管、爆破藥塊、硝化纖維無煙藥、各種炸彈、毒劑等，受到熱、明火、摩擦、震動、撒漏、濕度以及輻射等影響，容易引起燃燒、爆炸、腐蝕、中毒、放射性沾染等危險，進(jìn)而造成物資財產(chǎn)損失或危及人身安全。

本文對軍用危險品公路運輸安全監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行研究，集成低功耗藍(lán)牙BLE、窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT、樹莓派串行通信等技術(shù)，并根據(jù)軍用危險物資運輸要求以及運輸環(huán)境條件，開展應(yīng)用創(chuàng)新，突破軍用危險品公路運輸安全監(jiān)控的關(guān)鍵性技術(shù)問題。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本研究對軍用危險貨物的運輸環(huán)境參數(shù)進(jìn)行獲取與分析，研究如何構(gòu)成一個基于物聯(lián)網(wǎng)的軍用物資運輸環(huán)境實時監(jiān)控系統(tǒng)。

系統(tǒng)使用樹莓派計算機作為處理核心，BLE模塊將采集到的數(shù)據(jù)通過低功耗藍(lán)牙協(xié)議傳送到樹莓派管理平臺，由管理平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，發(fā)出報警或預(yù)警信息，樹莓派平臺通過串口將數(shù)據(jù)傳送至NBIOT模塊，NBIOT模塊將數(shù)據(jù)傳送至云端[2]。管理人員可以通過互聯(lián)網(wǎng)對軍用物資進(jìn)行實時監(jiān)控和跟蹤，整個系統(tǒng)功耗低、使用壽命長、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效，可有效地降低運輸風(fēng)險、減少運輸事故、確保運輸安全。系統(tǒng)的主要功能有：實跟蹤軍用物資狀態(tài)、運輸車輛內(nèi)環(huán)境、管理平臺與車載設(shè)備的信息交互、環(huán)境分析與預(yù)警提示等。

①數(shù)據(jù)采集終端配置物資溫度、環(huán)境溫度、濕度、磁、光、陀螺儀、加速度計、壓力等多個傳感器，用于讀取在運物資的實時理化參數(shù)和姿態(tài)參數(shù)，通過BLE低功耗藍(lán)牙協(xié)議將數(shù)據(jù)無線傳送給樹莓派車載終端。②樹莓派車載終端通過BLE無線藍(lán)牙協(xié)議獲取采集終端的實時數(shù)據(jù)，根據(jù)協(xié)議格式進(jìn)行解析，將數(shù)據(jù)經(jīng)串口傳送至NBIOT模塊。③NBIOT模塊通過AT指令將所獲取的實時數(shù)據(jù)以一定的頻率上傳至云端保存。④云端管理平臺完成數(shù)據(jù)整合與呈現(xiàn)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的終端采集與預(yù)處理，在運物資的狀態(tài)參數(shù)主要包括理化參數(shù)和姿態(tài)參數(shù)，理化參數(shù)主要包括物體溫度、環(huán)境溫度、溫度磁場強度、光照強度，姿態(tài)參數(shù)主要包括傾斜角度、運動速度、運動加速度、壓力，如圖1所示。以上數(shù)據(jù)分別通過集成的各類傳感器按照設(shè)定的采集周期進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并傳輸至數(shù)據(jù)采集模塊的核心CPU——CC2650/CC2640R2F，采用藍(lán)牙5.1協(xié)議，核心CPU按照BLE協(xié)議將按照藍(lán)牙數(shù)據(jù)格式將獲取的數(shù)據(jù)打包，傳輸至樹莓派車載終端。

圖1 在運物資狀態(tài)參數(shù)

3.2 車載模塊

車載模塊通過BLE低功耗藍(lán)牙技術(shù)，對采集模塊傳送的數(shù)據(jù)包進(jìn)行實時解析，并具備一定的本地存儲與分析能力，能夠根據(jù)設(shè)定的相關(guān)閾值進(jìn)行預(yù)警及報警處理。車載模塊還是數(shù)據(jù)采集模塊與NBIOT模塊的橋梁，一方面能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)接收，另一方面通過USART串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給NBIOT模塊。

3.3 傳輸模塊

傳輸模塊選用NBIOT模塊，它集通信與定位功能于一體，一方面通過UDP/TCP/CoAP/LWM2M/MQTT等協(xié)議將樹莓派終端解析出的數(shù)據(jù)傳輸至物聯(lián)網(wǎng)云平臺，另一方面實時精準(zhǔn)定位，支持多種衛(wèi)星系統(tǒng)解調(diào)算法，管理平臺能夠獲取在運物資的精確位置，能夠很好地滿足功耗、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和定位精度的需求。

3.4 管理模塊

管理平臺模塊基于Java Web進(jìn)行搭建，集成了Struts、Hibernate和Spring框架。該平臺用于處理若干個車載終端和NBIOT傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。它不僅要與軍用物資運輸車上的樹莓派模塊進(jìn)行通信，還要對監(jiān)測到接收到的信息進(jìn)行存儲和處理，如圖2所示。

圖2 管理平臺結(jié)構(gòu)框圖

管理平臺通過互聯(lián)網(wǎng)接收數(shù)據(jù)采集終端采集的物資實時理化參數(shù)和姿態(tài)參數(shù)信息，將數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫中，同時以圖像的形式呈現(xiàn)出來，管理員可直觀地了解到物資的環(huán)境狀態(tài)變化，并可方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)的比對、分析。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計及實現(xiàn)

系統(tǒng)軟件主要功能為終端數(shù)據(jù)采集、藍(lán)牙通信、NB-IoT數(shù)據(jù)傳輸、管理終端設(shè)計。

4.1 數(shù)據(jù)采集

CC2640R2F是基于低功耗藍(lán)牙5.1協(xié)議棧的無線數(shù)據(jù)傳輸芯片，通信雙方共同按照統(tǒng)一的通信標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。協(xié)議棧是協(xié)議的具體代碼實現(xiàn)，即用代碼封裝起來的庫函數(shù)，以便開發(fā)人員調(diào)用[3]。藍(lán)牙5.1協(xié)議棧包含了低功耗藍(lán)牙通信協(xié)議和設(shè)備配置的所有功能，系統(tǒng)需要對任務(wù)列表中的任務(wù)進(jìn)行注冊和初始化，主要包括協(xié)議本中各協(xié)議層的系統(tǒng)任務(wù)和用戶的自定義任務(wù)，程序中通過一個for循環(huán)不斷查看事件表，并循環(huán)查看事件表中是否有事件發(fā)生。

系統(tǒng)根據(jù)溫度傳感器、濕度傳感器、加速度傳感器、電子羅盤、氣壓傳感器和陀螺儀等傳感器采集到的原始數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)平均處理，且按照預(yù)先設(shè)定好的頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)更新。所有傳感器的服務(wù)和特征均根據(jù)128位的UUID來區(qū)分，每種傳感器擁有1個服務(wù)、1個數(shù)據(jù)特征、1個配置特征和1個讀取周期設(shè)置特征。

4.2 樹莓派藍(lán)牙通信

藍(lán)牙CC2640R2F節(jié)點設(shè)備上電后完成設(shè)備的初始化，而后向外發(fā)送廣告信息，使設(shè)備處于可發(fā)現(xiàn)狀態(tài)，廣告信息中包含藍(lán)牙節(jié)點設(shè)備的名稱、通信地址等設(shè)備信息。然后，樹莓派向外發(fā)送設(shè)備掃描信息，掃描信息中包含節(jié)點設(shè)備的身份信息和特定的UUID，如果掃描到了附近有正在向外發(fā)送廣告信息且未配對的節(jié)點設(shè)備，則將兩設(shè)備GAP服務(wù)的UUID進(jìn)行匹配，匹配成功之后即可進(jìn)行連接。

在建立藍(lán)牙連接之后，樹莓派會發(fā)送想要訪問的GATT服務(wù)的UUID，節(jié)點設(shè)備在收到樹莓派的請求信息后會把收到的UUID與自己的主服務(wù)UUID相匹配，只有相匹配的UUID設(shè)備才能獲得GATT數(shù)據(jù)服務(wù)。當(dāng)樹莓派成功獲得GATT服務(wù)之后，還需要得到需要的“特征”的句柄，這樣才能找到屬于“特性”的服務(wù)然后用來讀寫特征值，而獲取“特性”的句柄則需要通過調(diào)用GATT的特性發(fā)現(xiàn)函數(shù)加上這個“特性”的UUID。當(dāng)藍(lán)牙節(jié)點設(shè)備收到樹莓派發(fā)來的需要“特性”的請求后，會將此句柄返回給樹莓派，樹莓派得到句柄后會再次調(diào)用GATT特性發(fā)現(xiàn)函數(shù)來處理并返回GATT信息，應(yīng)用這個句柄來進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫，從而完成樹莓派與節(jié)點設(shè)備的一次數(shù)據(jù)交互，具體數(shù)據(jù)傳輸過程如圖3所示。

圖3 樹莓派藍(lán)牙通信數(shù)據(jù)傳輸流程

4.3 NB-Iot數(shù)據(jù)傳輸

NB-IoT模塊作為監(jiān)測控制的通信中樞，在系統(tǒng)中占據(jù)十分重要的地位。系統(tǒng)通信模塊選型是BC95模塊，通過AT指令來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步控制與傳輸。軟件設(shè)計上主要包含NB-IoT模塊初始化、NB-IoT模塊入網(wǎng)、NB-IoT模塊數(shù)據(jù)傳輸3個方面[4]。當(dāng)BC95模塊上電復(fù)位后，系統(tǒng)先檢查SIM卡是否連接成功，連接成功后，分別對數(shù)據(jù)傳輸格式、云端服務(wù)器信息進(jìn)行配置，并檢測數(shù)據(jù)是否能夠按照云平臺的指令進(jìn)行實時上傳，檢測通信是否能夠正常接受指令和發(fā)送采集信息，這些檢測主要使用AT命令來實現(xiàn)。隨后，NB-IoT模塊通過MQTT協(xié)議，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_，云平臺在接收到信息后將封裝的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，解析成云平臺可讀取的格式進(jìn)行存儲，以備管理終端進(jìn)行數(shù)據(jù)呈現(xiàn)。

4.4 管理終端軟件設(shè)計

為了實現(xiàn)對物資監(jiān)測終端數(shù)據(jù)實時呈現(xiàn)和智能化管理，開發(fā)終端管理平臺軟件，軟件基于JAVA語言、B/S體系結(jié)構(gòu)開發(fā)，在對整體邏輯和需求進(jìn)行分析后，管理平臺設(shè)計以下功能：

4.4.1 用戶登錄。實現(xiàn)用戶登錄功能以實現(xiàn)用戶登錄的正規(guī)性，防止不法人員進(jìn)入系統(tǒng)查看、盜用數(shù)據(jù)信息，登錄時只有用戶輸入相關(guān)參數(shù)比對無差別時才會進(jìn)入系統(tǒng)界面，保證系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全。

4.4.2 數(shù)據(jù)實時展示。將節(jié)點設(shè)備采集到的各狀態(tài)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在管理平臺界面，使管理人員能夠?qū)崟r掌握物資的各項參數(shù)，并具備圖像展示和對比功能，以便及時發(fā)現(xiàn)物資中隱藏的安全隱患。

4.4.3 歷史數(shù)據(jù)查詢。以圖、表等形式展示在運物資運輸途中的參數(shù)歷史變化趨勢，為工作人員分析物資在運輸途中的狀態(tài)變化提供數(shù)據(jù)支撐。

4.4.4 報警管理。當(dāng)物資狀態(tài)參數(shù)出現(xiàn)異常，超出相應(yīng)參數(shù)正常閾值時，系統(tǒng)及時對發(fā)生的危險情況做出提醒，并將報警事件記錄到安全日志當(dāng)中。

5 結(jié)束語

本文通過采集壓力、溫度、濕度、羅盤、加速度計、陀螺儀等6種傳感器的實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對軍用運輸物資的環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、目標(biāo)溫度、氣壓、當(dāng)前方位、目標(biāo)角度和直線變化等數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和監(jiān)控，對于公路危險貨物運輸與管理的實時智能監(jiān)控，提高物資運輸?shù)陌踩跃哂幸欢ǖ默F(xiàn)實意義。