CN111372198A - 基于ZigBee的运输车货物运动状态远程监测系统 - Google Patents

基于ZigBee的运输车货物运动状态远程监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及物联网技术领域，具体涉及一种基于ZigBee的运输车货物运动状态远程监测系统，包括：ZigBee无线网络、车载终端模块、远程货物运输监控中心，ZigBee无线网络包括协调器和终端节点，协调器对请求加入网络的终端节点进行入网许可、分配物理信道、网络短地址；终端节点用于定时采集货物的运动状态并将货物箱体的运动状态数据传输给协调器；车载终端模块从协调器处获取货物状态，并将货物的运动状态数据发送到远程货物运输监控中心；远程货物运输监控中心将接收到的数据存储到数据库中，并进行数据的增删查改和实时显示。本发明可以实现运输货物运动状态的实时监测，以便及时发现运输货物的异常状态。

Description

基于ZigBee的运输车货物运动状态远程监测系统
技术领域
本发明涉及物联网技术领域，具体涉及一种基于ZigBee的运输车货物运动状态远程监测系统。
背景技术
随着当前科学与技术的日益进步，物联网技术应用领域愈发广泛，它在智能家居、工业控制、智慧医疗等方面展现出了重要的价值。电子商务的发展带动了物流行业的发展，目前我国日均的快递及其他货物的运输量十分庞大，在货物运输中不可避免的会出现贵重或易碎物品容易由于运输不当引起受损的问题，不仅为物流公司造成损失，也为寄件方造成损失。为了对运输车上的货物状态进行实时监测，及时发现货物在运输途中的异常情况，传统的解决方法在装箱货物时做防震处理，比如使用质量稍好的货物箱，将货物在装箱时加固等，但是这依然不能有效的解决运输不当所带来的损失。
本发明在物联网技术背景下，采用ZigBee无线网络技术、传感器技术、GPS定位技术等，实现对运输货物运动状态的实时监测，以便及时发现运输货物的异常状态，在发生意外时第一时间采取解决措施。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种基于ZigBee的运输车货物运动状态远程监测系统。
一种基于ZigBee的运输车货物运动状态远程监测系统，包括：ZigBee无线网络、车载终端模块、远程货物运输监控中心，所述ZigBee无线网络包括一个ZigBee协调器和若干个终端节点，所述ZigBee协调器用于对每个请求加入网络的终端节点进行入网许可、分配物理信道、网络短地址；所述终端节点配置在装载货物的货物箱体上，用于定时采集货物的运动状态并将货物箱体的运动状态数据通过ZigBee无线网络传输给ZigBee协调器；所述车载终端模块用于从ZigBee协调器处获取货物状态，并将货物的运动状态数据发送到远程货物运输监控中心；所述远程货物运输监控中心将接收到的数据存储到数据库中，并进行数据的增删查改和实时显示。
进一步的，所述ZigBee协调器包括：主芯片和外围电路，外围电路包括串口、LED指示灯、OLED屏幕、看门狗、电源模块，串口用于和车载终端模块传输数据，LED指示灯用于指示工作状态，OLED屏幕负责显示当前ZigBee无线网络状态，看门狗用于ZigBee无线网络出故障时ZigBee协调器可以快速复位自身重新组网，电源模块用于给ZigBee协调器供电。
进一步的，所述终端节点包括：主芯片和外围电路，其中外围电路包括电源模块、传感器、串口、LED指示灯，电源模块用于整个终端节点的电，传感器用于获取货物的运动状态，串口负责提供串口通信，便于开发时调试中端节点，LED灯用于指示终端节点的工作状态。
所述传感器包括MPU6050姿态传感器和SW-420震动传感器，所述MPU6050姿态传感器内部包括数字运动处理器DMP；MPU6050姿态传感器通过直接测量货物箱体x，y，z三个方向的加速度和角速度作为原始数据，根据DMP将原始数据转换成四元数输出，利用四元数算法解姿态原理计算出欧拉角，从而获得货物箱体的三个姿态角：俯仰角、偏航角、翻滚角，在进行货物箱体的运动状态太判断时，若三个姿态角中的任意两个姿角同时大于60°，则判定货物箱体的水平方向的运动状态为异常；所述SW-420震动传感器通过电压比较器输出电平，发生严重的震荡时输出高电平，正常情况或微小振动时输出低电平，进行货物箱体的运动状态太判断时，若SW-420输出为高电平则判定货物箱体的垂直方向的运动状态为异常，当满足货物箱体水平方向的运动状态和/或垂直方向的运动状态为异常则判定为货物箱体运动状态为异常。
进一步的，所述车载终端模块包括处理器、串口、GPS定位模块、GPRS模块、电源模块、LED显示器和蜂鸣器，处理器与ZigBee无线网络的ZigBee协调器通过串口进行通信，实现数据传输；串口用于调试车载终端，所述GPS定位模块用于对车辆的地理位置信息进行实时采集；GPRS模块负责将ZigBee协调器传输过来的数据和GPS定位模块采集的车辆地理位置数据打包并远程发送到货物运输监控中心；电源模块负责给整个车载终端模块供电；LCD显示器负责显示ZigBee协调器发来的数据供驾驶人员查看；蜂鸣器负责在收到ZigBee协调器发来的异常数据时鸣响以提示驾驶员。
进一步的，所述远程货物运输监控中心包括用户操作软件和MySQL数据库，所述用户操作软件包括服务器模块、用户管理模块、车辆信息管理模块、货物运动状态数据管理模块和地图定位模块；服务器模块主要用于通信；用户管理模块用于实现用户操作软件的用户注册、登录和用户信息修改功能；车辆管理模块用于对运输车辆信息登记，修改和删除；货物运动状态数据管理模块用于显示车辆终端实时传输的数据，当出现异常情况时进行报警；地图定位模块将第三方的在线地图嵌入到用户操作软件中，实现地图定位。所述用户操作软件的功能包括：1.给车载终端提供传输接口，使车载终端的GPS定位模块能传输数据到远程货物运输监控中心；2.实现数据显示，便于用户增删查改相关数据；3.用户操作软件还包括用户的注册、登录、注销；所述MySQL数据库用于存储用户操作软件接收到的数据。
本发明的有益效果：
1.本发明采用ZigBee短距离无线网络对运输车车厢内进行组网，这相比于WIFI、蓝牙等短距离网络技术可以降低系统成本，而且ZigBee技术具有低功耗的独特优势，非常适合用于监测运输货物的运动状态。除此之外，ZigBee的所有入网节点之间相互独立，彼此不受影响，不会因为某一个节点故障致使整个网络的瘫痪，能够明显提升监测效率。
2.在对货物的运动状态进行数据采集时，本发明采用了将姿态传感器MPU6050和振动传感器SW-420相结合的方式来对货物的运动状态数据进行采集分析，MPU6050主要用于货物的姿态测量，货物若发生迅猛的姿态变化则可以认定为运动状态异常，但当物体未发生过度的姿态变化却发生严重的震动时依然有可能导致货物质量受损，仅以姿态传感器来判断是不够的，因此本发明引入震动传感器SW-420用于检测货物箱体的震动情况。本发明采用这两种传感器结合测量的方式能够更加保障货物运动状态的全面监测，对运动状态的判断也更加准确，从而提高了整个系统的性能。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
图1为本发明实施例的货物运动状态远程监测系统的整体框图；
图2为本发明实施例的ZigBee网络工作示意图；
图3为本发明实施例的ZigBee终端节点结构示意图；
图4为本发明实施例的车载终端结构示意图；
图5为本发明实施例的远程货物运输监控中心软件设计架构图；
图6为本发明实施例的用户操作软件数据显示示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明的一种基于ZigBee的运输车货物运动状态远程监测系统的整体框图，该系统主要由三部分构成：车载终端模块、ZigBee无线传感网络、远程货物监控中心。ZigBee无线网络通过传感器获取运输车所有装箱货物的的运动状态数据，并发送给车载终端模块，车载终端模块通过GPRS技术将车辆地理位置数据和ZigBee无线网络采集的货物运动状态数据发送到远程货物运输监控中心，实现了远程监测功能；远程货物运输监控中心将接收到的数据存储到数据库中，并通过Qt开发的用户操作软件来进行数据的增删查改和实时显示。
ZigBee无线网络包括一个ZigBee协调器和若干个终端节点，ZigBee协调器配置在车厢内，所述ZigBee协调器用于建立网络、初始化物理信道、对每个请求加入网络的终端节点进行入网许可、分配物理信道、给入网的所有节点分配网络短地址，如图2所示。
所述ZigBee协调器包括主芯片和外围电路，外围电路包括但不限于串口、LED指示灯、OLED屏幕、看门狗、电源模块。串口用于和车载终端模块传输数据，LED指示灯用于指示工作状态，OLED屏幕负责显示当前ZigBee无线网络状态，看门狗用于ZigBee无线网络出故障时使ZigBee协调器可以快速复位自身重新组网，电源模块用于给ZigBee协调器供电。
优选的，ZigBee协调器采用CC2530芯片为主芯片。
在本发明中，ZigBee网络中有很多个终端节点配置在每个装载货物的货物箱体上，每个终端节点定时采集货物的运动状态并将货物箱体的运动状态数据通过ZigBee无线网络传输给ZigBee协调器。如图3所示，终端节点包括主芯片和外围电路，其中外围电路包括但不限于电源模块、传感器、无线数据发射模块、串口、LED指示灯，跟ZigBee协调器的硬件设计类似。电源模块负责整个终端节点供电，为了便携式也可采用12V干电池给终端节点供电，无线数据发射模块主要用于传感器与主芯片的数据传输，串口负责提供串口通信，便于开发时调试中端节点，LED灯用来起到指示工作状态的作用，传感器用于获取货物的运动状态，其他模块可根据需要进行添加设计。
优选的，终端节点以CC2530芯片为主芯片，针对CC2530芯片开发的ZigBee协议栈非常实用高效，经过测试基于CC2350芯片建立的ZigBee网络性能优良，数据传输效率高，网络更加稳定。
优选的，所述传感器配置在装载货物的货物箱体上外接终端节点，用于获取货物的运动状态，所述传感器包括MPU6050姿态传感器和SW-420震动传感器。
所述MPU6050姿态传感器内部包括数字运动处理器DMP；MPU6050姿态传感器通过直接测量货物箱体x，y，z三个方向的加速度和角速度作为原始数据，终端节点的主芯片与MPU6050采用IIC通信的方式获取原始数据，根据数字运动处理器DMP将原始数据转换成四元数输出，利用四元数算法解姿态原理计算出欧拉角，从而获得货物箱体的三个姿态角：俯仰角、偏航角、翻滚角。由于货物箱体若发生翻滚或剧烈摇晃等异常情况，其从原来的稳定状态到异常状态的变化时间大概为1～2s，对于MPU6050姿态传感器来说三个姿角的变化明显可见，将姿态传感器的数据采集周期设定为50ms，1秒内对MPU6050姿态传感器进行20组数据采集，对这20组数据进行求平均处理，得到1秒内货物箱体的三个姿态角数值。当MPU6050姿态传感器在进行货物箱体的运动状态判断时，若三个姿态角中的任意两个姿角同时大于60°，则判定货物箱体的水平方向的运动状态为异常。
所述SW-420震动传感器为常闭型震动传感器，通过电压比较器输出信号，信号波形良好，灵敏度可以根据不同货物自行调节。SW-420震动传感器的输出形式为数字输出，直接输出是否发生严重震荡，可以让SW-420震动传感器在发生严重的震荡时输出高电平，正常情况或微小振动时输出低电平，进行货物箱体的运动状态判断时，若SW-420震动传感器输出为高电平则判定货物箱体的垂直方向的运动状态为异常。终端节点的主芯片为SW-420震动传感器供电保证SW-420震动传感器正常工作，当货物发生猛烈震动撞击时，SW-420输出高电压表示货物有严重震动状况。
根据上述MPU6050姿态传感器和SW-420震动传感器的数据采集进行货物箱体运动状态的结果判定，当满足以下其中一个条件就判定为货物运动状态为异常：
1)若三个姿态角中的任意两个姿态角同时大于60°判定为货物箱体水平方向的运动状态异常；
2)SW-420震动传感器输出为高电平时判定为货物箱体垂直方向的运动状态异常。
可选的，所述传感器包括移动加速度传感器和倾角加速度传感器，所述无线数据发射模块包括第一无线数据发射模块和第二无线数据发射模块。所述移动加速度传感器感测货物箱体的移动加速度，并将移动加速度信号通过移动加速度传感器输出端与第一无线数据发射模块进行数据传输连接，由第一无线数据发射模块对移动加速度传感器感测输出的移动加速度信号进行对外发送(发送给主芯片)。倾角加速度传感器通过将基准灵敏轴线方向与货物箱体重力方向平行或共轴设置，从而能够通过检测货物箱体重力加速度的方向与基准灵敏轴线方向之间的夹角而监测到箱体货物相对于重力方向的倾斜角度，且倾角加速度传感器的倾斜角度信号输出端与第二无线数据发射模块进行数据传输连接，由第二无线数据发射模块对倾角加速度传感器感测输出的倾斜角度信号进行对外发送。综合上述移动加速度传感器感测的移动加速度信号和倾角加速度传感器感测的倾斜角度信号，判断货物箱体是否处于异常状态，具体判断方式包括：根据移动加速度信号和倾斜角度信号，利用加权公式计算异常指数值，若异常指数值小于预先设定的安全阈值时，则说明货物箱体属于正常状态；若异常指数值大于预先设定的安全阈值时，则说明货物箱体属于异常状态。所述加权公式包括：
Sabnormal＝β0+β1f1+β2f2
其中，Sabnormal表示异常指数值，β0表示误差补偿参数，β1表示移动加速度信号的权重，f1表示移动加速度信号，β2表示倾斜角度信号的权重，f2表示倾斜角度信号。
终端节点与ZigBee协调器之间的传输数据包括：ZigBee协调器建立好网络后，当有终端节点请求加入网络，ZigBee协调器经过鉴定允许其加入网络，然后ZigBee协调器给终端节点分配物理信道、网络短地址。终端节点工作时按照指定的ZigBee协议，通过所分配的物理信道与ZigBee协调器进行数据传输。
当ZigBee协调器收到终端节点的数据的时候，ZigBee协调器需要将数据再传输给车载终端，由车载终端进行远程发送。
车载终端模块用于从ZigBee协调器处接收货物状态数据，并将货物的运动状态数据经过公共网络发送到远程货物运输监控中。如图4所示，所述车载终端模块的硬件构成包括但不限于处理器、GPS模块、GPRS模块、电源模块、看门狗、LED显示器、蜂鸣器和串口。处理器与ZigBee无线网络的ZigBee协调器通过串口进行通信，ZigBee协调器将货物的运动状态数据通过串口通信的形式发送给处理器，此外，串口还用于调试车载终端。在车辆运输货物的过程中，为了对车辆地理位置信息进行实时掌握，在处理器外接GPS定位模块用于车辆的地理位置信息进行实时采集，主要采集经纬度数据，起到定位作用。GPRS模块负责将ZigBee协调器传输过来的数据和GPS采集的车辆地理位置数据打包并远程发送到货物运输监控中心。电源模块负责给整个车载终端供电。看门狗负责在车载终端程序跑飞的情况下复位处理器，使车载终端恢复正常工作状态。LCD显示器负责显示ZigBee协调器发来的数据供驾驶人员查看。蜂鸣器负责在收到ZigBee协调器发来的异常数据时鸣响以提示驾驶员。
优选的，车载终端模块的核心处理器采用STM32芯片，它是标准的ARM架构体系结构，具有高性能、低电压、低功耗、创新的内核及外设简单易用的优点，本实施例采用STM32芯片作为车载终端模块的核心处理器负责远程传输货物的运动状态数据，可以达到低成本高效率的目的。
远程货物运输监控中心在PC机上实现，利用Qt软件开发工具开发用户操作软件，它采用C++语言进行开发，可开发GUI程序也可开发非GUI程序，例如控制台、服务器程序等。
所述远程货物运输监控中心包括用户操作软件和MySQL数据库，所述用户操作软件主要用于：1.给车载终端提供传输接口，使车载终端的GPS定位模块能传输数据到远程货物运输监控中心，这个过程可用Socket编程来实现，车载终端作为客户端，PC作为服务器端，用户操作软件的服务器程序收到数据后自动将数据处理存储到MySQL数据库中；2.实现数据显示，便于用户增删查改相关数据；3.用户操作软件还包括用户的注册、登录、注销等其他功能。所述MySQL数据库用于存储用户操作软件接收到的数据，通过MySQL提供的接口访问数据。图5为实施例的远程货物运输监控中心软件设计架构图，在MySQL提供支持的基础上，利用Qt开发工具实现的用户操作软件具备5大模块功能：服务器模块、用户管理模块、车辆管理模块、数据管理模块、地图定位模块，如图6为远程货物运输监控中心用户操作软件截图，用户操作软件界面中显示5大模块分别是：服务器模块、用户管理模块、车辆信息管理模块、货物运动状态数据管理模块、地图定位模块，在用户操作软件的界面点击数据管理模块按钮就能看到当前车辆远端发送过来的实时数据。
1)服务器模块
服务器模块主要用于实现Socket通信，服务器模块运行服务器程序，开发IP地址和端口号，车辆端在GPRS模块驱动程序处固定好服务器模块提供的IP地址和端口号，按照Socket编程通信规则即可实现数据远程传输接收。服务器模块收到数据后便将数据传输到MySQL数据库中保存。
2)用户管理模块
用户管理模块用于实现使用用户操作软件的用户注册、登录、用户信息修改等功能，并将用户的相关数据保存在MySQL数据库中。
3)车辆信息管理模块
车辆信息模块负责对运输车辆信息登记，车辆信息修改，删除等操作。
4)货物运动状态数据管理模块
货物运动状态数据管理模块主要用于将车辆终端实时传输的数据显示出来，便于后台监控人员查看。该模块从MySQL数据库读取最新数据并呈现出来，同时还能够查询异常事件报警记录。
5)地图定位模块
地图定位模块是将第三方的在线地图嵌入到用户操作软件中，根据车载终端传输过来的地理位置数据：经度和纬度，根据经度和纬度实现车辆实时位置查询，在地图上实现定位。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。
以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于ZigBee的运输车货物运动状态远程监测系统，包括：ZigBee无线网络、车载终端模块、远程货物运输监控中心，其特征在于，
所述ZigBee无线网络包括一个ZigBee协调器和若干个终端节点，所述ZigBee协调器用于对每个请求加入网络的终端节点进行入网许可、分配物理信道、网络短地址；所述终端节点配置在装载货物的货物箱体上，用于定时采集货物的运动状态并将货物箱体的运动状态数据通过ZigBee无线网络传输给ZigBee协调器；
所述车载终端模块用于从ZigBee协调器处获取货物状态，并将货物的运动状态数据发送到远程货物运输监控中心；
所述远程货物运输监控中心将接收到的数据存储到数据库中，并进行数据的增删查改和实时显示。
2.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee的运输车货物运动状态远程监测系统，其特征在于，所述ZigBee协调器包括：主芯片和外围电路，外围电路包括串口、LED指示灯、OLED屏幕、看门狗、电源模块，串口用于和车载终端模块传输数据，LED指示灯用于指示工作状态，OLED屏幕负责显示当前ZigBee无线网络状态，看门狗用于ZigBee无线网络出故障时ZigBee协调器快速复位自身重新组网，电源模块用于给ZigBee协调器供电。
3.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee的运输车货物运动状态远程监测系统，其特征在于，所述终端节点包括：主芯片和外围电路，其中外围电路包括电源模块、传感器、串口、LED指示灯，电源模块用于整个终端节点的电，传感器用于获取货物的运动状态，串口负责提供串口通信，便于开发时调试中端节点，LED灯用于指示终端节点的工作状态。
4.根据权利要求3所述的一种基于ZigBee的运输车货物运动状态远程监测系统，其特征在于，所述传感器包括MPU6050姿态传感器和SW-420震动传感器，所述MPU6050姿态传感器内部包括数字运动处理器DMP，MPU6050姿态传感器通过直接测量货物箱体x，y，z三个方向的加速度和角速度作为原始数据，根据DMP将原始数据转换成四元数输出，利用四元数算法解姿态原理计算出欧拉角，获得货物箱体的三个姿态角：俯仰角、偏航角、翻滚角，在进行货物箱体的运动状态判断时，若三个姿态角中的任意两个姿态角同时大于60°，则判定货物箱体水平方向的运动状态为异常；所述SW-420震动传感器通过电压比较器输出电平，发生严重的震荡时输出高电平，正常情况或微小振动时输出低电平，进行货物箱体的运动状态太判断时，若SW-420输出为高电平则判定货物箱体垂直方向的运动状态为异常，当满足货物箱体水平方向的运动状态和/或垂直方向的运动状态为异常则判定为货物箱体运动状态为异常。
5.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee的运输车货物运动状态远程监测系统，其特征在于，所述车载终端模块包括处理器、串口、GPS定位模块、GPRS模块、电源模块、LED显示器和蜂鸣器，处理器与ZigBee无线网络的ZigBee协调器通过串口进行通信，实现数据传输；串口用于调试车载终端，所述GPS定位模块用于对车辆的地理位置信息进行实时采集；GPRS模块负责将ZigBee协调器传输过来的数据和GPS定位模块采集的车辆地理位置数据打包并远程发送到货物运输监控中心；电源模块负责给整个车载终端模块供电；LCD显示器负责显示ZigBee协调器发来的数据供驾驶人员查看；蜂鸣器负责在收到ZigBee协调器发来的异常数据时鸣响以提示驾驶员。
6.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee的运输车货物运动状态远程监测系统，其特征在于，所述远程货物运输监控中心包括用户操作软件和MySQL数据库，所述用户操作软件包括服务器模块、用户管理模块、车辆信息管理模块、货物运动状态数据管理模块和地图定位模块；服务器模块主要用于通信；用户管理模块用于实现用户操作软件的用户注册、登录和用户信息修改功能；车辆管理模块用于对运输车辆信息登记，修改和删除；货物运动状态数据管理模块用于显示车辆终端实时传输的数据，当出现异常情况时进行报警；地图定位模块将第三方的在线地图嵌入到用户操作软件中，实现地图定位。
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