CN108710322A - 一种基于Zigbee的远洋集装箱智能组网测控系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于集装箱测控技术领域，公开了一种基于Zigbee的远洋集装箱智能组网测控系统，包括：远洋集装箱监测模块、Zigbee组网模块、船上监测终端、岸上监控终端、报警模块；远洋集装箱监测模块用于获取监测信息；Zigbee组网模块用于将监测信息通过Zigbee传输至船上监测终端；船上监测终端用于对监测信息进行分析处理，并将处理后的监测信息通过海上卫星传输至岸上监控终端；报警模块用于进行异常情况报警。本发明解决了现有技术中远洋集装箱网络不通畅、信息交流障碍，远洋集装箱测控系统结构复杂、成本较高、功耗较大的问题。

Description

一种基于Zigbee的远洋集装箱智能组网测控系统

技术领域

本发明涉及集装箱测控技术领域，尤其涉及一种基于Zigbee的远洋集装箱智能组网测控系统。

背景技术

随着国际物流行业的飞速发展，远洋集装箱运以其高效便捷安全的特点成为交通运输现代化的重要形式。因此，作为物流运输装备的核心的远洋集装箱，在现代快速物流，货源安全，货源监管等行业需求下，迫切需要智能化，信息化，及实现远洋集装箱在供应链和物联网下的可视，可监测和可控制。

由于远洋集装箱箱体内各类的物理状态信号的传感器测试信号源多，同时，在远洋集装箱运输过程中，由于运输环境的不确定性和远洋集装箱的高移动性决定了如果需要对远洋集装箱信息进行及时，准确的测控，一种良好的测控系统是必不可少的，由于远洋集装箱的数量相当庞大，所以成本问题也是一个不可忽视的问题，然而，现在的远洋集装箱的测控系统存在着系统结构复杂，成本高，功耗大等缺点，亟待解决。

发明内容

本申请实施例通过提供一种基于Zigbee的远洋集装箱智能组网测控系统，解决了现有技术中远洋集装箱网络不通畅、信息交流障碍，远洋集装箱测控系统结构复杂、成本较高、功耗较大的问题。

本申请实施例提供一种基于Zigbee的远洋集装箱智能组网测控系统，包括：远洋集装箱监测模块、Zigbee组网模块、船上监测终端、岸上监控终端、报警模块；

所述远洋集装箱监测模块用于获取监测信息；所述Zigbee组网模块用于将所述监测信息通过Zigbee传输至所述船上监测终端；所述船上监测终端用于对所述监测信息进行分析处理，并将处理后的监测信息通过海上卫星传输至所述岸上监控终端；所述报警模块用于进行异常情况报警。

优选的，所述远洋集装箱监测模块包括传感器子模块、处理控制子模块、显示子模块、电源子模块；所述传感器子模块用于采集远洋集装箱内的监测信息；所述处理控制子模块用于对监测信息进行数据处理；所述显示子模块用于显示监测信息；所述电源子模块用于对所述传感器子模块、所述处理控制子模块、所述显示子模块供电。

优选的，所述电源子模块包括供电电源、微型低输入电压升压转换器。

优选的，所述处理控制子模块采用CC2530模块的51单片机对所述监测信息进行数据处理。

优选的，所述报警模块采用蜂鸣器，所述蜂鸣器与所述处理控制子模块连接；若所述处理控制子模块根据所述监测信息进行初步处理后判断为异常情况，则控制所述蜂鸣器鸣响；若所述船上监测终端对所述监测信息进行分析处理后判断为异常情况，则所述船上监测终端通过Zigbee逆传输路径传输报警信息至异常远洋集装箱的处理控制子模块，所述处理控制子模块控制所述蜂鸣器鸣响。

优选的，所述传感器子模块包括设置在远洋集装箱内部的温湿度传感器、光敏传感器；所述温湿度传感器采用集成温湿度传感器SHT11。

优选的，所述传感器子模块的布置方式为：第一温湿度传感器设置在远洋集装箱前截面的左上方，第二温湿度传感器设置在远洋集装箱前截面的右下方，第三温湿度传感器设置在远洋集装箱后截面的左下方，第四温湿度传感器设置在远洋集装箱后截面的右上方，第五温湿度传感器设置在远洋集装箱中间截面的右侧中部，第六温湿度传感器设置在远洋集装箱中间截面的左侧中部；所述光敏传感器设置在远洋集装箱前截面的顶端中部。

优选的，所述Zigbee组网模块包括集装箱节点、汇聚节点、ARM模块；所述集装箱节点用于发送来自远洋集装箱监测模块的监测信息或接受来自其他集装箱节点发送的监测信息，所述汇聚节点用于汇聚处理并转发监测信息，所述ARM模块用于将所述汇聚节点转发的监测信息进行处理，然后将监测信息转发至所述船上监测终端。

优选的，所述集装箱节点、所述汇聚节点、所述ARM模块均采用CC2530模块的通讯子模块进行Zigbee通讯；所述CC2530模块的通讯子模块采用定时唤醒模式。

优选的，所述汇聚节点根据监测信息运行一级信息融合算法得到一级融合结果并发送至所所述ARM模块；所述ARM模块根据监测信息运行二级信息融合算法得到二级融合结果；所述ARM模块将所述一级融合结果、所述二级融合结果分别乘上各自的参考权重系数，得到三级融合结果；所述ARM模块将原始的监测信息、所述一级融合结果、所述二级融合结果、所述三级融合结果均发送至所述船上监测终端。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

在本申请实施例中，通过设置在远洋集装箱内部的温湿度传感器采集温度、湿度数据，通过设置在远洋集装箱内部的光敏传感器检测远洋集装箱是否正常启闭，传感器采集的数据通过IIC协议方式传输到集装箱节点的CC2530模块，使用Zigbee组网技术将传感器采集到的数据以及经过汇聚节点和ARM模块处理后的数据均上传到船上监控终端和岸上监控终端，并设置有报警模块，实现对远洋集装箱的监控与警示。本发明针对远洋集装箱，船上通过Zigbee信息传输管理，后通过卫星将信息传输至地面，岸船信息交流同步，解决了远洋集装箱网络不通畅，信息交流障碍的问题。本发明提供的远洋集装箱智能组网测控系统中远洋集装箱监测模块的处理控制子模块采用CC2530模块的51单片机实现，Zigbee组网模块中的集装箱节点、汇聚节点、ARM模块均采用CC2530模块的通讯子模块实现Zigbee通讯，且CC2530模块的通讯子模块采用定时唤醒模式，因此，本发明提供的远洋集装箱智能组网测控系统的结构简单、成本较低、功耗较小。

附图说明

为了更清楚地说明本实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于Zigbee的远洋集装箱智能组网测控系统的整体示意图；

图2为远洋集装箱监测模块中传感器布置的截面示意图；

图3为远洋集装箱监测模块中传感器布置的整体示意图；

图4为本发明实施例提供的一种基于Zigbee的远洋集装箱智能组网测控系统中报警模块的工作流程示意图；

图5为本发明实施例提供的一种基于Zigbee的远洋集装箱智能组网测控系统中船上监测终端的工作流程示意图；

图6为船上监测终端中软件系统的工作流程示意图。

其中，1-第一温湿度传感器、2-第二温湿度传感器、3-第三温湿度传感器、4-第四温湿度传感器、5-第五温湿度传感器、6-第六温湿度传感器、7-光敏传感器。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

本实施例提供了一种基于Zigbee的远洋集装箱智能组网测控系统，包括远洋集装箱监测模块、Zigbee组网模块、船上监测终端、岸上监控终端、报警模块。所述远洋集装箱监测模块用于获取监测信息；所述Zigbee组网模块用于将所述监测信息通过Zigbee传输至所述船上监测终端；所述船上监测终端用于对所述监测信息进行分析处理，并将处理后的监测信息通过海上卫星传输至所述岸上监控终端；所述报警模块用于进行异常情况报警。其中，所述Zigbee组网模块包括集装箱节点、汇聚节点、ARM模块；所述集装箱节点用于发送来自远洋集装箱监测模块的监测信息或接受来自其他集装箱节点发送的监测信息，所述汇聚节点用于汇聚处理并转发监测信息，所述ARM模块用于连接所述汇聚节点及所述船上监测终端，所述ARM模块将汇聚节点转发的监测信息进行处理并转发到船上监测终端，如图1所示。

本发明视一个远洋集装箱为一个所述集装箱节点，每个远洋集装箱内的传感器将其采集数据通过串行通信发送给该远洋集装箱的CC2530模块，远洋集装箱内的CC2530模块的通讯子模块作为集装箱节点参与Zigbee通讯，从所述集装箱节点将数据通过Zigbee通讯发出。所述汇聚节点负责汇聚集装箱节点发送的数据，并通过Zigbee通讯将数据发送至所述ARM模块。

即每个远洋集装箱上设置一个CC2530通讯节点，随之设立汇聚节点，汇聚节点连接若干CC2530通讯节点，所述汇聚节点与所述ARM模块相连接。CC2530模块(集装箱节点、汇聚节点、ARM模块)的通讯均通过Z-STACK协议栈进行无线通讯。

集装箱节点负责与其它集装箱节点、汇聚节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据，集装箱节点通过安装在远洋集装箱上的CC2530模块的通讯子模块实现。

所述远洋集装箱监测模块包括传感器子模块、处理控制子模块、显示子模块、电源子模块；所述传感器子模块用于采集远洋集装箱内的监测信息；所述处理控制子模块用于对监测信息进行模数转换；所述显示子模块用于显示监测信息；所述电源子模块用于对所述传感器子模块、所述处理控制子模块、所述显示子模块供电。

所述通讯子模块(作为集装箱节点)和所述处理控制子模块均在CC2530模块上，监测信息通过MAC地址从所述处理控制子模块传入所述通讯子模块，所述通讯子模块的收发器将数据通过Zigbee传输给汇聚节点或者其他集装箱节点。

本发明考虑到Zigbee的传输距离有限，且通过金属效果大大减弱，故通过算法使离汇聚节点较远的集装箱节点数据传给某个集装箱节点，由这个集装箱节点将自身数据和接收到的数据传输给汇聚节点。此外，通过算法实现对于离某一汇聚节点较远的集装箱节点，使其先汇聚于另外一个离该集装箱节点最近的汇聚节点，随后该汇聚节点将数据通过Zigbee通讯发送至目标汇聚节点。在Zigbee传输过程中，通过设计汇聚节点，能够大大降低金属集装箱及其他障碍物对无线信号的屏蔽作用。

因为CC2530模块的容量限制，不能对大量的历史数据进行分析，本发明的信息处理采用所述ARM模块，并采用多级信息融合算法处理数据：所述汇聚节点对采集数据进行一级信息融合得到一级融合结果，即根据理想情况将集装箱中各个传感器节点信息融合计算得到集装箱整体信息；所述汇聚节点并将原始未经处理的监测信息以及一级融合结果到所述ARM模块；所述ARM模块负责对汇聚节点传输的数据进行处理并通过Zigbee通讯发送至所述船上监测系统的数据处理计算机上。所述ARM模块与上位机通过RS232/RS485接口相连，当距离小于15m则使用RS232，大于15m则使用RS485。所述ARM模块除了发送原始的未经处理的各个传感器节点的数据外，考虑到传输过程中产生的数据丢包，还会进行二级、三级信息融合。即所述ARM模块在接收到各节点未经处理的信息数据后，运行二级信息融合算法并求出二级融合结果，二级融合即考虑到传输过程中产生的数据丢包、传感器自身测量波动、工作环境等对信息传递产生影响的因素，得出二级融合结果。之后，所述ARM模块将一级融合结果与二级融合结果乘上各自的参考权重系数，得到最终的三级融合结果，并将一级、二级、三级融合结果也发送到所述船上监测模块的上位机中。

所述远洋集装箱监测模块中的所述传感器子模块包括设置在远洋集装箱内部的温湿度传感器、光敏传感器。所述传感器子模块负责对远洋集装箱的温度湿度、集装箱是否正常启闭进行数据采集。所述传感器子模块采集温度、湿度数据的传感器采用集成温湿度传感器SHT11，综合考虑了传感器的成本及测温测湿有效覆盖范围，本发明的传感器布局如图2所示。所述温湿度传感器、所述光敏传感器均布置于远洋集装箱内部，其中，第一温湿度传感器1设置在远洋集装箱前截面的左上方，第二温湿度传感器2设置在远洋集装箱前截面的右下方，第三温湿度传感器3设置在远洋集装箱后截面的左下方，第四温湿度传感器4设置在远洋集装箱后截面的右上方，第五温湿度传感器5设置在远洋集装箱中间截面的右侧中部，第六温湿度传感器6设置在远洋集装箱中间截面的左侧中部。为了监测远洋集装箱是否正常启闭，将所述光敏传感器7设置在远洋集装箱前截面的顶端中部，所述光敏传感器7通过检测光线强度来检测是否正常启闭。如图3是远洋集装箱监测模块的传感器布置整体图。

所述远洋集装箱监测模块中的所述处理控制子模块采用CC2530模块的51单片机对所述监测信息进行处理。集成温湿度传感器SHT11采集到的数据经过传感器内部的A/D转换模块进行转换得到数字信号，光敏传感器采集到的数据通过CC2530模块内嵌的A/D转换模块将模拟信号转换成数字信号；温湿度传感器和光敏传感器转换后得到的数字信号与CC2530模块通过串口通信，其中串行时钟线SCK负责CC2530模块与传感器的通信时间同步。为避免发生信号碰撞，DATA保持低电平；同时，在数据传输期间需要保持DATA的稳定。此外，本发明利用DIP拨码开关对传感器节点进行编号设定，各个传感器节点有唯一的编号，便于管理人员明确清楚数据来源于哪个传感器，同时方便了日后的维护工作。由于温度湿度是随着时间缓慢变化，不需要频繁监测数据，节省电能。故所述处理控制子模块中的CC2530模块采用定时唤醒模式，每隔一段时间模块被唤醒接收传感器数据随后发送，当下个节点接收到发送信息继续休眠，由此可实现低功耗。

所述远洋集装箱监测模块中的显示模块可通过在远洋集装箱的表面安装LCD显示屏实现，经过所述处理控制子模块处理后的集装箱内部数据显示在LCD显示屏上，便于管理人员管理。

所述远洋集装箱监测模块中的所述电源子模块为远洋集装箱监测模块提供电能供应。本发明所涉及的各个模块均采用2节干电池3V供电，因为传感器子模块的工作电压在3.3～5V之间，因此再通过微型低输入电压升压转换器TPS61221将供电电压3V转换输出为恒定的3.3V电压。

所述远洋集装箱监测模块中的所述报警模块采用蜂鸣器，蜂鸣器与集装箱内的CC2530模块连接，由CC2530模块内部的51单片机程序控制，所述报警模块的工作流程如图4所示。当传感器将采集到的数据通过串口通信发送给CC2530模块时，CC2530模块内部程序对数据进行初步判断处理，若发现极大异常，蜂鸣器输入口置高电平，蜂鸣器鸣响，同时将异常数据、情况通过Zigbee传输至船上监控终端。若传感器数据传输至船上监控终端，通过船上监控终端的数据处理计算机结合历史数据及自身算法判断处理后发现异常，则将异常情况通过Zigbee逆传输路径传回CC2530模块，将蜂鸣器输入口置高电平，蜂鸣器鸣响。

所述船上监测终端包括数据处理计算机，通信计算机，船载卫星基站和相应的支持软件系统，所述船上监测终端的工作流程如图5所示。所述数据处理计算机接收来自所述ARM模块的数据，并判断数据是否异常，若产生异常则通过Zigbee逆传输反馈数据给报警模块，报警模块报警并发出蜂鸣声，从而便于管理人员对异常集装箱排除异常情况。同时，实施数据处理计算机将来自所述ARM的各个节点数据及一级、二级、三级融合数据定期实时压缩，传输到所述通信计算机上。所述通信计算机将压缩好的数据信息发送到所述船载卫星基站，所述船载卫星基站将数据通过海事卫星传输到所述岸上监测系统。

所述船上监测终端相应的软件系统包括通信设置、数据显示绘图以及报警。该软件操作简单使用方便，软件流程图如图6所示，所述船上监测终端的上位机接收来自所述ARM模块通过Zigbee通讯发送的数据，接收到数据后将数据进行拆分，将不同集装箱节点采集的数据放入不同数组，随后对节点进行动态监测，通过上位机处理后即可实现动态实时显示、节点数据动态绘图比较等等。如果在其中出现异常数据，则会产生报警，并提示异常集装箱位置箱号等信息，同时警报信息Zigbee逆传输反馈给报警模块，报警模块报警发出蜂鸣，便于管理人员迅速发现异常。并且可检测到集装箱节点、汇聚节点的拓扑连接结构，可自动随着拓扑连接结构的改变而刷新。

所述岸上监控终端采用MyEclipse开发，采用B/S架构，主要功能是对船上监测终端通过海事卫星发送的数据进行存储。服务器采用Java语言编写，Tomcat作为应用服务器，Mysql作为数据库。前端采用基于MVC框架的Javaweb技术，用户浏览客户端实现对远洋集装箱的数据浏览监控。

远洋集装箱的数据从所述船上监测终端传递至所述岸上监控终端需要通过海事卫星传输。但由于海事卫星传输控制由国外控制，容易发生信息泄漏，进而存在危及客户隐私等问题。因此，本发明拟使用我国自行开发设计的北斗卫星通信系统。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于Zigbee的远洋集装箱智能组网测控系统，其特征在于，包括：远洋集装箱监测模块、Zigbee组网模块、船上监测终端、岸上监控终端、报警模块；

所述远洋集装箱监测模块用于获取监测信息；所述Zigbee组网模块用于将所述监测信息通过Zigbee传输至所述船上监测终端；所述船上监测终端用于对所述监测信息进行分析处理，并将处理后的监测信息通过海上卫星传输至所述岸上监控终端；所述报警模块用于进行异常情况报警。

2.根据权利要求1所述的基于Zigbee的远洋集装箱智能组网测控系统，其特征在于，所述远洋集装箱监测模块包括传感器子模块、处理控制子模块、显示子模块、电源子模块；所述传感器子模块用于采集远洋集装箱内的监测信息；所述处理控制子模块用于对监测信息进行数据处理；所述显示子模块用于显示监测信息；所述电源子模块用于对所述传感器子模块、所述处理控制子模块、所述显示子模块供电。

3.根据权利要求2中任一所述的基于Zigbee的远洋集装箱智能组网测控系统，所述电源子模块包括供电电源、微型低输入电压升压转换器。

4.根据权利要求2所述的基于Zigbee的远洋集装箱智能组网测控系统，其特征在于，所述处理控制子模块采用CC2530模块的51单片机对所述监测信息进行数据处理。

5.根据权利要求4所述的基于Zigbee的远洋集装箱智能组网测控系统，其特征在于，所述报警模块采用蜂鸣器，所述蜂鸣器与所述处理控制子模块连接；若所述处理控制子模块根据所述监测信息进行初步处理后判断为异常情况，则控制所述蜂鸣器鸣响；若所述船上监测终端对所述监测信息进行分析处理后判断为异常情况，则所述船上监测终端通过Zigbee逆传输路径传输报警信息至异常远洋集装箱的处理控制子模块，所述处理控制子模块控制所述蜂鸣器鸣响。

6.根据权利要求2所述的基于Zigbee的远洋集装箱智能组网测控系统，其特征在于，所述传感器子模块包括设置在远洋集装箱内部的温湿度传感器、光敏传感器；所述温湿度传感器采用集成温湿度传感器SHT11。

7.根据权利要求6所述的基于Zigbee的远洋集装箱智能组网测控系统，其特征在于，所述传感器子模块的布置方式为：第一温湿度传感器设置在远洋集装箱前截面的左上方，第二温湿度传感器设置在远洋集装箱前截面的右下方，第三温湿度传感器设置在远洋集装箱后截面的左下方，第四温湿度传感器设置在远洋集装箱后截面的右上方，第五温湿度传感器设置在远洋集装箱中间截面的右侧中部，第六温湿度传感器设置在远洋集装箱中间截面的左侧中部；所述光敏传感器设置在远洋集装箱前截面的顶端中部。

8.根据权利要求1所述的基于Zigbee的远洋集装箱智能组网测控系统，其特征在于，所述Zigbee组网模块包括集装箱节点、汇聚节点、ARM模块；所述集装箱节点用于发送来自远洋集装箱监测模块的监测信息或接受来自其他集装箱节点发送的监测信息，所述汇聚节点用于汇聚处理并转发监测信息，所述ARM模块用于将所述汇聚节点转发的监测信息进行处理，然后将监测信息转发至所述船上监测终端。

9.根据权利要求8所述的基于Zigbee的远洋集装箱智能组网测控系统，其特征在于，所述集装箱节点、所述汇聚节点、所述ARM模块均采用CC2530模块的通讯子模块进行Zigbee通讯；所述CC2530模块的通讯子模块采用定时唤醒模式。

10.根据权利要求8所述的基于Zigbee的远洋集装箱智能组网测控系统，其特征在于，所述汇聚节点根据监测信息运行一级信息融合算法得到一级融合结果并发送至所述ARM模块；所述ARM模块根据监测信息运行二级信息融合算法得到二级融合结果；所述ARM模块将所述一级融合结果、所述二级融合结果分别乘上各自的参考权重系数，得到三级融合结果；所述ARM模块将原始的监测信息、所述一级融合结果、所述二级融合结果、所述三级融合结果均发送至所述船上监测终端。