基于无线传感器网络的物流运输车远程监控系统研究

doi:10.3969/j.issn.1005-152X.2012.12.143基于无线传感器网络的物流运输车远程监控系统研究吴学军（湖北文理学院物理与电子工程学院，湖北襄阳441053）【摘 要】根据物流发展领域对物流运输监控的要求，综合无线传感器网络和无线通信技术的特点，提出了一种基于无线传感器网络与 GPRS 通信的物流运输车的远程监控系统。该系统适用性较高，在对物流运输车及货物的信息进行实时地采集和信 息传送方面达到设计的要求，实现远程监控的功能。【关键词】物流；无线传感器网络；Zigbee；GPRS；远程监控中图分类号F253.9文献标识码A文章编号1005- 152X（2012）12- 0426- 03Study on Logistics Transportation Vehicle Remote Monitoring System Based on Wireless Sensor NetworkWU Xue- jun(School of Physics & Electronic Engineering, Hubei University of Arts & Science, Xiangyan 441053, China)Abstract: In this paper, we proposed a remote monitoring system for logistics transportation vehicles based on wireless sensor network and GPRS communication system which could satisfy the specified requirement of the realtime collection and transmission of the information concerning logistics vehicle and cargo- in- transit.Keywords: logistics; wireless sensor network; Zigbee; GPRS; remote monitoring1引言2系统架构信息技术的飞速发展不断推动物联网技术的革命，物流行业已经成为物联网技术的一个重要的应用领域。如何对物 流运输信息的实时有效地管理，并实现远程监控成为现代物 流技术发展的新要求。目前，在对物流运输信息的监控中已经 广泛应用无线传感器网络(WSN，Wireless Sensor Networks)。无线传感器网络是随着集成电路、传感器、无线通信以及 微处理器等技术的飞速发展和日益成熟而孕育而生的，是信息获取技术从单一化逐渐向微型化、网络化和集成化方向发 展的结果。无线传感器网络在物流业的许多领域都有应用，比 如生产物流中的设备监测、物流仓储环境监测、运输车辆及在运物资的定位与监控、危险品物流管理、冷链物流管理等1。本文提出并设计了一种物流运输车远程监控系统，该系 统可以实时监控物流运输车的各种相关信息，并通过无线网 络传给监管中心，能够实现对物流信息的智能监控，保障物流 运输车的有效运作。对物流运输车的远程监控能够有效、实时 地掌握物流信息的情况，加强物流管理，提高物流效率，减少 不必要的物流成本。采用基于 ZigBee 技术的无线传感器网络实现在物流运输车上对运输车信息的采集，通过 WSN 网络将物流信息数据传 输到远程监控中心。运输车上安装可移动的对运输车及货物信息进行采集的传感器节点，在网络的可覆盖范围内，通过无 线传感器网络内的路由节点传输信息给监控中心2。监控系统主要包括以下几个部分：车载终端、GPRS 传输 网络和监控中心，其结构如图 1 所示。车载终端实际上是一个无线传感器网络，安装在运输车上，可分为若干个传感器节点和一个网络协调器。车载终端主要由 Zigbee 单片机和外围设 备、无线传感器节点、RFID 读写器、GPRS 无线通信模块构成 的一个微型无线监测网络。传感器节点用于采集车上物品的 标签信息和监测运输车的行车信息，如车厢内的温湿度、货物 安全等信息，物品的标签信息由安装在采集节点上的 RFID 读 写器自动识别。采集的信息通过网络协调器上的 GPRS 和监 控中心通信，将采集的各种信息发送到监控中心，监控中心根 据收到的信息实时掌握物流运输车的信息并对运输车发出控 制指令，从而实现远程监控。对运输车的远程监控主要信息来收稿日期2012- 07- 28基金项目湖北省教育厅项目（B20122504）作者简介吴学军（1975-），男，湖北汉川人，硕士研究生，讲师，主要研究方向：无线传感器网络与信号处理。源于无线传感器网络的信息采集、传输与监控。因此本文重点介绍无线传感器网络的软硬件实现。256K 的可编程 Flash 和 8K 的 RAM，提供了一套广泛的外设集 - 包括 2 个 USART、8 通道 12 位 ADC 和 21 个通用 GPIO 以及更多支持 TI 官方的 Z- Stack2007/Pro 协议栈，可方便快速 进行二次开发。CC2530F256 只需接很少的外接元件就可以运 行，典型的应用电路如图 3 所示3。传感器传感器传感器节点节点节点Zigbee 无线通信协调器车载 Zigbee 终端GPRS 无线通信远程监控中心图 1 远程监控系统结构图3无线传感器网络硬件设计3.1传感器节点设计传感器节点硬件结构如图 2 所示。图 3 CC2530 典型应用电路3.1.2 传感器模块选择。无线传感器网络节点上的传感器可 以根据运输车采集信息的需要选择适应的器件。本文主要检测物流运输车上的温度、湿度以及车厢内货物是否安全等信 息。为了减少软件设计上的工作量，传感器选择模块化的电 路，这样可以减少 AD 的编程，直接把传感器模块采集到的数字信息加到微处理器模块的 I/O 接口。温湿度传感器采用瑞士 Sensirion 公司推出的一款数字温 湿度传感器芯片 SHT11, 它是采用 CMOSens 专利技术(CMOS 和传感器技术的融合) 研制而成的智能化温湿度传感器， SHT11 将温度感测、湿度感测、信号变换、加热器和 A/D 转换 等功能集成到一个芯片上。该芯片测量原理是：首先，通过一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度 敏感元件分别将湿度和温度转换成电信号；然后，将电信号进 入微弱信号放大器进行放大；接着，进入一个 14 位的 A/D 转 换器；最后，经过二线串行数字接口输出数字信号4。采用该芯 片具有精度高、体积小和接口简单的优点。检测车厢内货物是否安全采用判断行驶中车门是否打开 及是否有人进入车厢内，可以通过检测亮度和人体红外线方 式采集信息，因此传感器选择亮度传感器和人体热释红外传 感器。3.1.3 RFID 模块选择。在无线传感器网络节点上安装 RFID 模块，可以自动地采集运输车的车型、车号、司机信息，还可以 读取运输车上不同物品的相关信息，然后通过 Zigbee 网络和 GPRS 网络传送给监控中心5。RFID 模块分为电子标签和读写温湿度传感器热释红外传感器Zigbee 无线亮度传感器单片机CC2530RFID 读写器调试接口外置天线图 2 无线传感器网络传感器节点结构图无线传感网络的无线通信技术可以采用 ZigBee 技术、蓝 牙、Wi- Fi 和红外等技术。ZigBee 技术是一种短距离、低复杂 度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术或无线网络技术，是一组基于 IEEE802.15.4 无线标准研制开发的有 关组网、安全和应用软件方面的通信技术3。因此传感器节点 采用集微处理器和射频模块于一体的 Zigbee 模块加上一些外 围设备组成。其中，Zigbee 模块包含了处理器、存储器和无线 收发器等数据处理和传输功能，是无线传感器网络的核心模 块；外围设备包含了传感器模块、RFID 模块、电源模块等。 Zigbee 模块中的微处理器将传感器、RFID 采集的信息保存到 存储器中，然后通过无线收发器传送数据。3.1.1 Zigbee 模块选择。无线 Zigbee 模块选用 TI 公司最新 ZigBee2007/PRO 标准芯片 CC2530F256。它符合 IEEE 802.15.4 / ZigBee 标准规范，频段范围 2 045M- 2 483.5M，可自由在 16 个 频段间切换，无线数据传输速率最大为 250 kb/s，具有片内- 427-器两部分，电子标签安装在物品上和运输车门上；读写器连接在 Zigbee 模块上，相当于采集节点上的传感器进行信息的采 集。RFID 选择 MS- J300 读写模块，采用 3V- 3.6V 供电，可以同 时识别 200 张电子标签。3.2 协调器设计为了能与传感器节点匹配，协调器硬件结构与传感器节 点硬件结构基本相似，无线 Zigbee 模块还是选择 CC2530F256 芯片，外围设备只是没有传感器和 RFID 模块，增加了 GPRS模块以及显示模块。其硬件结构如图 4 所示。Zigbee 协调器和传感器节点共同构成一个车载无线网络智能终端设备。协调 器相当于无线传感器网络中的采集节点，它接收到来自传感器节点的数据信息后，将信息通过 GPRS 模块传送到监控中 心，监控中心通过实时信息可以掌握该物流运输车的情况。GPRS 模块选择 BENQ 公司推出的 M22 GPRS 无线通信模块6，通过 UART 与协调器连接。该模块为带 TCP/IP 协议的900/1800/1900 三频工业模块，可以用于车载系统、监控、防盗 系统。由于该模块内嵌了 TCP/IP 协议，这样对整个系统硬件和 软件的要求大大降低，这是本文选择该模块的主要原因。为了实现该终端的功能，各部分电路的应用程序应该具备以下功能：（1）传感器节点先进行硬件初始化；节点采取需求唤醒的 方式工作，没有收到请求时，节点处于休眠状态，可以降低能 耗；当收到请求时，立刻开始工作，先解析请求命令并回应，然 后采集数据并发送，完成后若没有出错信息或请求则又进入 休眠状态，等待下一个命令的激活。其程序流程如图 6 所示。（2）Zigbee 协调器的功能除了负责网络的建立与配置，并 负责处理来自监控中心的监控命令；然后根据命令需要，向网络中传感器节点发送 ZigBee 请求包，等待传感节点的响应；在 接收到传感器节点采集到的信息后，根据监控命令通过 GPRS方式发送给监控中心。其程序流程如图 7 所示。开始系统初始化开始置休眠状态系统初始化N置休眠状态接收监控中心指令？YN接收协调器请求？向传感器节点发送请求包LCD 显 示 器 采 用 SHARP 公 司 的LQ080V3DG01，可获得高质量的显示界面。GPRS 模块TFT- LCD 模 块YN有无应答？采集信息并发送YNY发送完成？接收传感器节点发来的信息LCD 显示器Zigbee 无线向监控中心发送信息存储器单片机CC2530图 6 传感器节点程序流程图 图 7 Zigbe e 协调器程序流程图调试接口5结语本文提出并设计了一种基于无线传感器网络和无线数据 传输技术的物流运输车远程监控系统，此系统主要由车载终 端、GPRS 传输网络和监控中心三部分组成，在文中对每一部 分的实施过程进行了阐述，并重点描述了无线传感器网络的 软硬件实现的过程。并且在该系统中运用了模块化设计方法， 每个模块可以根据实际运用情况进行增减和升级。总之，该系 统通过物流运输车及货物的远程无线监控，快速而准确地获 取所需信息，从而为保障物流运输车的有效运作提供帮助。参考文献 1吴晓钊,王继祥.物联网技术在物流业的应用现状与发展前景J.物流技术与应用，2011，(2):53- 59.2于海斌,曾鹏,梁晔.智能无线传感器网络系统M.北京:科学出版社，2006.3瞿雷,刘盛德,胡咸斌.Zigbee 技术及应用M.北京:北京航空航天大学 出版社，2007.4冯显英,葛荣雨.基于数字温湿度传感器 SHT11 的温湿度测控系统J.自动化仪表，2006，(1):59- 61.5钱宏文,刘翔.基于 RFID/GPS/GPRS 的危险品监管系统的研究J.物 流技术，2010,32(8):110- 111.6马腾远.关于实时物流监控系统设计技术探讨J.现代电子技术，2007（, 19）:38- 41. 7付雄新,周受钦,谢小鹏.农产品物流运输装备智能监测与跟踪技术J.农机化研究，2010（, 8）:166- 169.外置天线图 4 Zigbe e 协调器结构框图4