CN102829826A

CN102829826A - 一种基于无线传感器网络技术的集装箱监测系统

Info

Publication number: CN102829826A
Application number: CN2012103086448A
Authority: CN
Inventors: 褚金奎; 张凌寒; 缪新颖; 乔静
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2012-08-27
Filing date: 2012-08-27
Publication date: 2012-12-19

Abstract

一种基于无线传感器网络技术的集装箱监测系统，属环境监测领域。该系统包括无线传感器网络及计算机监测中心，无线传感器网络由监测节点、路由节点和协调节点组成，监测节点负责传感器模块数据采集发送，采用统一标准的传感器接口，传感器模块即插即用；路由节点负责数据转发；协调节点与计算机监测中心相连，计算机监测中心将其汇总的数据进行处理、存储、分析及发布。本发明解决了采用GPRS等技术在海上无信号或信号不佳的缺点，节点具有自组网能力，自动采集集装箱内的传感器数据并汇集到计算机监测中心，可靠性、实时性高。传感器模块接口标准统一，不仅满足集装箱监测项目多且经常更换的需求，而且传感器模块即插即用、部署方便。

Description

一种基于无线传感器网络技术的集装箱监测系统

技术领域

本发明属环境监测领域，尤其涉及一种基于无线传感器网络技术的集装箱监测系统。

背景技术

近年来随着我国经济的迅猛发展，集装箱运输行业取得了跨越式的发展，其中海上运输是集装箱运输的主力。根据各港的统计数据，我国港口危险品集装箱运量约占集装箱总吞吐量的1%，2010年我国港口危险品集装箱运量预计已达到140万TEU，2015年将达到230万TEU。这些危险品集装箱在运输和存储过程中极易发生安全事故，所以对集装箱内部环境的温湿度情况及危险品泄漏情况进行监测是十分必要的。同时海上运输由于地理跨度大、运输时间长，对危险品集装箱的监测更是不容小觑。

目前在公路集装箱运输中已经有基于GPRS、RFID等技术的无线监测系统，其主要是对集装箱内部温、湿度进行监测，并针对不同的危险品监测氧气含量、二氧化碳含量等不同的环境参数，以监测集装箱内部环境是否适宜危险品安全存贮以及危险品的变质和泄露情况等。但是这种系统由于需要借助移动通信网络，大规模应用成本较高，并且在偏远地区信号很差或无信号，所以在海上运输的应用受到很大的限制。此外，RFID作为一种被动式技术，不能有效地进行自动实时监测。综上所述，海上集装箱运输特别需要一种实时性及可靠性高、成本低廉、易于部署及使用的集装箱监测系统，而且该系统要能满足监测项目多及更换频繁的需求。

无线传感器网络是由多节点组成的面向任务的无线自组织网络，它涉及传感器技术、嵌入式计算技术、网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等多个领域，通过各类型传感器对目标信息进行实时监测，由嵌入式计算软件对信息进行处理，并通过无线通信网络将信息汇聚后传送至远程用户。无线传感器网络具有以下特点：（1）无线传感器网络可以实现自组织网络，形成一个高效实时的自动监测系统；（2）无线传感器网络易于部署及使用，且成本低廉；（3）无线传感器网络节点功耗低，网络寿命长。基于无线传感器网络技术的上述特点，用它来监测集装箱内温度、湿度及其它与货物相关的重要气体的浓度等环境参数，一定能更好的保障集装箱在运输中的安全，提早发现安全隐患并将可能的损失降到最低。

发明内容

本发明提供一种基于无线传感器网络技术的集装箱监测系统，该系统可同时监测集装箱内多个环境参数，且传感器模块即插即用，在保证可靠性的前提下实现系统快速灵活的部署。

本发明的功能实现主要是通过以下技术方案解决：

一种基于无线传感器网络技术的集装箱监测系统，包括无线传感器网络及计算机监测中心；无线传感器网络主要由监测节点、路由节点和协调节点组成，监测节点负责传感器模块数据采集发送，采用统一标准的传感器接口，传感器模块即插即用；路由节点负责数据转发；协调节点与计算机监测中心相连，计算机监测中心将其汇总的数据进行处理、存储、分析及发布等。

协调节点、路由节点及监测节点硬件上相同的部分为通讯及控制模块、电源模块。通讯及控制模块可以采用具有处理器内核的ZigBee模块，如JN5148模块。电源模块负责锂电池的充电管理，并给其它模块提供合适的工作电压。三种节点硬件上的区别在于：协调节点具有串口模块，可与电脑的串口相连并通信；监测节点若干具有统一标准的传感器接口，可以连接具有该接口的传感器模块。监测节点可以选择固定在集装箱门内侧，其天线固定在集装箱门外侧。

监测节点的传感器接口由四根线组成，其分别为通过多路复用开关扩展I²C总线得到的SDA线、CLK线、提供或控制传感器模块电源的电源控制线、地电平线。其中SDA线、CLK线分别为I²C总线的数据线及时钟线，每个接口的这两根线是用多路复用开关扩展I²C总线得到的；电源控制线作用是控制每一个接口所连接的传感器模块供电，每个接口的电源控制线需要都单独控制。

传感器模块一般由电源模块、存储模块、传感器信号调理模块、A/D模块组成。传感器模块若为独立供电，则电源模块与上述三种节点的电源模块相同；若由监测节点供电，则电源模块仅具有稳压功能即可；两种情形下传感器接口的电源控制线分别起控制供电、直接供电作用。监测节点通过传感器接口的SDA线、CLK线对A/D模块、存储模块进行操作控制。每个传感器模块都有相同的存储模块，记录各自的工作参数等，监测节点可以根据这些信息来识别每一个传感器模块并进行操作，也就是即插即用。传感器信号调理模块负责将传感器信号调理成A/D模块可以处理的类型。A/D模块负责采集调理后的传感器输出信号，若传感器输出信号为数字信号或信号处理复杂等情况，如传感器通过串口、SPI等标准接口输出数字信号，或传感器出的为复杂的模拟信号需提取频率等特征等，则可用接口转换模块，或含处理器的处理模块专门处理和采集这些信号。

计算机监测中心与终端节点相连，实时显示数据，具有历史查询功能，可根据货物登记的数据及安全准则判断出集装箱安全状态，并能将数据通过Internet发出。

与一般的集装箱监测系统相比，本系统具有以下优势：

1、基于无线传感器网络技术，解决了采用GPRS等技术在海上无信号或信号不佳的缺点。

2、基于无线传感器网络技术，节点具有自组网能力，自动采集集装箱内的传感器数据并汇集到计算机监测中心，系统可靠性、实时性高。

3、采用接口标准统一的传感器模块，不仅满足集装箱监测项目多且经常更换的需求，而且传感器模块即插即用、部署方便，所以本监测系统也非常适用于有类似需求监测应用。

附图说明

图1是集装箱监测系统图。

图2是协调节点、路由节点、监测节点及传感器模块结构图。

图3是传感器接口引脚及I²C总线扩展示意图。

图4 是传感器模块即插即用示意图。

图5是计算机监测中心功能示意图。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施方式，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，系统总体结构包括：计算机监测中心和无线传感器网络。无线传感器网络由与计算机相连的协调节点、固定在船上的路由节点、以及集装箱内的监测节点组成。协调节点负责网络建立，并将监测节点所采集的数据汇聚到计算机监测中心，也可将计算机监测中心的控制命令转发给相应节点；路由节点负责转发其它节点数据；监测节点不仅具有转发其它节点数据的能力，而且可以自动采集的所连接的传感器模块数据并发送给协调节点，一般情况下一个集装箱内放置一个监测节点，一个监测节点可以连接若干个传感器模块；传感器模块均具有统一标准的接口，即插即用，可以根据集装箱监测项目的需求直接更换。这三种节点一起组成一个无线传感器网络来获取传感器数据并汇集至计算机监控中心。计算机监测中心可根据货物登记表及相关的安全准则对集装箱安全状况进行评估，并可利用集装箱船上设备借助海事卫星通过Internet将采集的数据发布出去。

图2所示为协调节点、路由节点、监测节点及传感器模块硬件结构。节点的通讯及控制模块都是相同的，可以采用Jennic公司的JN5148模块，其内部包含一个RSIC结构的32位处理器，支持ZigBee、Jennet等多种无线传感器网络协议。电源模块采用了锂电池、充电控制芯片TP4056、低静态电流的线性稳压器HT7233，而对于传感器模块的电源模块可以采用低噪声的线性稳压器TPS79933，可以保证高精度A/D对电源的要求。协调节点的串口模块采用MAX3232芯片。

如图3所示传感器接口由四根线构成，SDA及CLK终端节点扩展I2C总线得到的数据线及时钟线，GND为地电平线，VCC/CE为电源控制线，监测节点通过VCC/CE线直接给传感器模块供电或者控制传感器模块中电源模块的开关。终端节点通过多路复用开关来复用I²C总线，通过MOSFET分别控制每个接口的VCC/CE线。多路复用开关可以选择双4通道模拟开关SN74LV4052芯片，它能够扩展4个传感器接口，若果需要速度更快的I2C总线、扩展更多的接口、或需要使用更长的线来连接传感器模块与监测节点，可以选用NXP公司I²C专用多路复用开关PCA954x系列芯片。对于VCC/CE线的控制可以选用Fairchild公司的P-MOSFET，型号FDW2508。

图4所示为监测节点、传感器模块及协调节点详细结构，其中通讯及控制模块、电源模块、监测节点传感器接口硬件如上所述。监测节点具有统一标准的接口，可以连接不同的传感器模块。传感器模块的存储模块可选用ATMEL公司的具有2K存储空间的EEPROM，型号AT24C02。对于传感器信号调理模块，可根据不同传感器的原理来设计。对于A/D模块的选择也需要根据传感器来确定。例如基于化学反应的气体传感器一般只需要将输出的电信号进行处理并用A/D采集即可；基于红外的气体传感器大多通过串口输出信号，这种情况下可以采用一个I²C转串口的芯片作为处理模块来采集数据；对于单总线的温度传感器BS18B20或者双总线的温湿度传感器DHT9x，可以直接通过控制传感器接口的SDA线及CLK线进行数据的读取，不需传感器信号调理模块、A/D模块。

路由节点应布置在船体的两侧或其它空旷的地方以起到中转其他节点数据的作用。监测节点应布置在集装箱门的内侧，天线通过延长线固定在集装箱门的外侧。根据具体货物参照有关安全规定选择相应的传感器模块，传感器模块通过统一标准的接口连接在监测节点上，并布置在合适的位置，如SO₂传感器模块要尽量靠近集装箱底部。

计算机监测中心为一台通过串口与协调节点相连接的计算机，其通过协调节点获取整个网络中监测节点所采集的数据，如图5所示其主要功能为：监测数据的实时显示、历史监测数据的查询、集装箱安全状况评估、监测数据的导出与发布。通过串口接收到数据被提取分类之后存入数据库，就可以很方便的实现监测数据实时显示及历史数据查询，可以曲线图或者表格的方式显示；将相关的安全规章及准则也录入数据库，系统会将采集到的数据同相关的准则进行对比，可以对集装箱的安全状况进行评估，一旦有集装箱存在安全隐患，则会给出预警需要工作人员对相应监测节点所在集装箱采取一定安全措施；借助海事卫星可以很容易通过Internet将数据库同步到远程的服务器，以实现监测数据的发布。

Claims

1.一种基于无线传感器网络技术的集装箱监测系统，包括无线传感器网络及计算机监测中心；其特征在于，无线传感器网络主要由监测节点、路由节点和协调节点组成，监测节点负责传感器模块数据采集发送，采用统一标准的传感器接口，传感器模块即插即用；路由节点负责数据转发；协调节点与计算机监测中心相连，计算机监测中心将其汇总的数据进行处理、存储、分析及发布。

2.根据权利要求1所述的集装箱监测系统，其特征在于，监测节点、路由节点、协调节点的通讯及控制模块为具有处理器的ZigBee模块。

3.根据权利要求1所述的集装箱监测系统，其特征在于，监测节点的传感器接口由四根线组成，其分别为通过多路复用开关扩展I²C总线得到的SDA线、CLK线、提供或控制传感器模块电源的电源控制线、地电平线。

4.根据权利要求1所述的集装箱监测系统，其特征在于，传感器模块一般由电源模块、存储模块、传感器信号调理模块、A/D模块组成。

5.根据权利要求1所述的集装箱监测系统，其特征在于，监测节点固定在集装箱门内侧，其天线固定在集装箱门外侧。

6.根据权利要求1所述，其特征在于，计算机监测中心与终端节点相连，实时显示数据，具有历史查询功能，可根据货物登记的数据及安全准则判断出集装箱安全状态，并能将数据通过Internet发出。