一種基於無線傳感器網絡技術的貨櫃監測系統的製作方法

2023-12-06 16:17:41 2

專利名稱：一種基於無線傳感器網絡技術的貨櫃監測系統的製作方法
技術領域：
本發明屬環境監測領域，尤其涉及一種基於無線傳感器網絡技術的貨櫃監測系統。
背景技術：
近年來隨著我國經濟的迅猛發展，貨櫃運輸行業取得了跨越式的發展，其中海上運輸是貨櫃運輸的主力。根據各港的統計數據，我國港口危險品貨櫃運量約佔貨櫃總吞吐量的1%，2010年我國港口危險品貨櫃運量預計已達到140萬TEU，2015年將達至IJ 230萬TEU。這些危險品貨櫃在運輸和存儲過程中極易發生安全事故，所以對貨櫃內部環境的溫溼度情況及危險品洩漏情況進行監測是十分必要的。同時海上運輸由於地理跨度大、運輸時間長，對危險品貨櫃的監測更是不容小覷。
目前在公路貨櫃運輸中已經有基於GPRS、RFID等技術的無線監測系統，其主要是對貨櫃內部溫、溼度進行監測，並針對不同的危險品監測氧氣含量、二氧化碳含量等不同的環境參數，以監測貨櫃內部環境是否適宜危險品安全存貯以及危險品的變質和洩露情況等。但是這種系統由於需要藉助移動通信網絡，大規模應用成本較高，並且在偏遠地區信號很差或無信號，所以在海上運輸的應用受到很大的限制。此外，RFID作為一種被動式技術，不能有效地進行自動實時監測。綜上所述，海上貨櫃運輸特別需要一種實時性及可靠性高、成本低廉、易於部署及使用的貨櫃監測系統，而且該系統要能滿足監測項目多及更換頻繁的需求。無線傳感器網絡是由多節點組成的面向任務的無線自組織網絡，它涉及傳感器技術、嵌入式計算技術、網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等多個領域，通過各類型傳感器對目標信息進行實時監測，由嵌入式計算軟體對信息進行處理，並通過無線通信網絡將信息匯聚後傳送至遠程用戶。無線傳感器網絡具有以下特點(1)無線傳感器網絡可以實現自組織網絡，形成一個高效實時的自動監測系統；(2)無線傳感器網絡易於部署及使用，且成本低廉；(3)無線傳感器網絡節點功耗低，網絡壽命長。基於無線傳感器網絡技術的上述特點，用它來監測貨櫃內溫度、溼度及其它與貨物相關的重要氣體的濃度等環境參數，一定能更好的保障貨櫃在運輸中的安全，提早發現安全隱患並將可能的損失降到最低。

發明內容
本發明提供一種基於無線傳感器網絡技術的貨櫃監測系統，該系統可同時監測貨櫃內多個環境參數，且傳感器模塊即插即用，在保證可靠性的前提下實現系統快速靈活的部署。本發明的功能實現主要是通過以下技術方案解決—種基於無線傳感器網絡技術的貨櫃監測系統，包括無線傳感器網絡及計算機監測中心；無線傳感器網絡主要由監測節點、路由節點和協調節點組成，監測節點負責傳感器模塊數據採集發送，採用統一標準的傳感器接口，傳感器模塊即插即用；路由節點負責數據轉發；協調節點與計算機監測中心相連，計算機監測中心將其匯總的數據進行處理、存儲、分析及發布等。協調節點、路由節點及監測節點硬體上相同的部分為通訊及控制模塊、電源模塊。通訊及控制模塊可以採用具有處理器內核的ZigBee模塊，如JN5148模塊。電源模塊負責鋰電池的充電管理，並給其它模塊提供合適的工作電壓。三種節點硬體上的區別在於協調節點具有串口模塊，可與電腦的串口相連並通信；監測節點若干具有統一標準的傳感器接口，可以連接具有該接口的傳感器模塊。監測節點可以選擇固定在貨櫃門內側，其天線固定在貨櫃門外側。監測節點的傳感器接口由四根線組成，其分別為通過多路復用開關擴展I2C總線得到的SDA線、CLK線、提供或控制傳感器模塊電源的電源控制線、地電平線。其中SDA線、CLK線分別為I2C總線的數據線及時鐘線，每個接口的這兩根線是用多路復用開關擴展I2C總線得到的；電源控制線作用是控制每一個接口所連接的傳感器模塊供電，每個接口的電源控制線需要都單獨控制。 傳感器模塊一般由電源模塊、存儲模塊、傳感器信號調理模塊、A/D模塊組成。傳感器模塊若為獨立供電，則電源模塊與上述三種節點的電源模塊相同；若由監測節點供電，則電源模塊僅具有穩壓功能即可；兩種情形下傳感器接口的電源控制線分別起控制供電、直接供電作用。監測節點通過傳感器接口的SDA線、CLK線對A/D模塊、存儲模塊進行操作控制。每個傳感器模塊都有相同的存儲模塊，記錄各自的工作參數等，監測節點可以根據這些信息來識別每一個傳感器模塊並進行操作，也就是即插即用。傳感器信號調理模塊負責將傳感器信號調理成A/D模塊可以處理的類型。A/D模塊負責採集調理後的傳感器輸出信號，若傳感器輸出信號為數位訊號或信號處理複雜等情況，如傳感器通過串口、SPI等標準接口輸出數位訊號，或傳感器出的為複雜的模擬信號需提取頻率等特徵等，則可用接口轉換模塊，或含處理器的處理模塊專門處理和採集這些信號。計算機監測中心與終端節點相連，實時顯示數據，具有歷史查詢功能，可根據貨物登記的數據及安全準則判斷出貨櫃安全狀態，並能將數據通過Internet發出。與一般的貨櫃監測系統相比，本系統具有以下優勢I、基於無線傳感器網絡技術，解決了採用GPRS等技術在海上無信號或信號不佳的缺點。2、基於無線傳感器網絡技術，節點具有自組網能力，自動採集貨櫃內的傳感器數據並匯集到計算機監測中心，系統可靠性、實時性高。3、採用接口標準統一的傳感器模塊，不僅滿足貨櫃監測項目多且經常更換的需求，而且傳感器模塊即插即用、部署方便，所以本監測系統也非常適用於有類似需求監測應用。


圖I是貨櫃監測系統圖。圖2是協調節點、路由節點、監測節點及傳感器模塊結構圖。圖3是傳感器接口引腳及I2C總線擴展示意圖。
圖4是傳感器模塊即插即用示意圖。圖5是計算機監測中心功能示意圖。
具體實施例方式下面結合技術方案和附圖詳細說明本發明的具體實施方式
，但本發明的實施方式不限於此。如圖I所示，系統總體結構包括計算機監測中心和無線傳感器網絡。無線傳感器網絡由與計算機相連的協調節點、固定在船上的路由節點、以及貨櫃內的監測節點組成。協調節點負責網絡建立，並將監測節點所採集的數據匯聚到計算機監測中心，也可將計算機監測中心的控制命令轉發給相應節點；路由節點負責轉發其它節點數據；監測節點不僅具有轉發其它節點數據的能力，而且可以自動採集的所連接的傳感器模塊數據並發送給協調節點，一般情況下一個貨櫃內放置一個監測節點，一個監測節點可以連接若干個傳感器模塊；傳感器模塊均具有統一標準的接口，即插即用，可以根據貨櫃監測項目的需求直 接更換。這三種節點一起組成一個無線傳感器網絡來獲取傳感器數據並匯集至計算機監控中心。計算機監測中心可根據貨物登記表及相關的安全準則對貨櫃安全狀況進行評估，並可利用貨櫃船上設備藉助海事衛星通過Internet將採集的數據發布出去。圖2所示為協調節點、路由節點、監測節點及傳感器模塊硬體結構。節點的通訊及控制模塊都是相同的，可以採用Jennic公司的JN5148模塊，其內部包含一個RSIC結構的32位處理器，支持ZigBee、Jennet等多種無線傳感器網絡協議。電源模塊採用了鋰電池、充電控制晶片TP4056、低靜態電流的線性穩壓器HT7233,而對於傳感器模塊的電源模塊可以採用低噪聲的線性穩壓器TPS79933，可以保證高精度A/D對電源的要求。協調節點的串口模塊採用MAX3232晶片。如圖3所示傳感器接口由四根線構成，SDA及CLK終端節點擴展I2C總線得到的數據線及時鐘線，GND為地電平線，VCC/CE為電源控制線，監測節點通過VCC/CE線直接給傳感器模塊供電或者控制傳感器模塊中電源模塊的開關。終端節點通過多路復用開關來復用I2C總線，通過MOSFET分別控制每個接口的VCC/CE線。多路復用開關可以選擇雙4通道模擬開關SN74LV4052晶片，它能夠擴展4個傳感器接口，若果需要速度更快的I2C總線、擴展更多的接口、或需要使用更長的線來連接傳感器模塊與監測節點，可以選用NXP公司I2C專用多路復用開關PCA954x系列晶片。對於VCC/CE線的控制可以選用Fairchild公司的P-MOSFET,型號 FDW2508。圖4所示為監測節點、傳感器模塊及協調節點詳細結構，其中通訊及控制模塊、電源模塊、監測節點傳感器接口硬體如上所述。監測節點具有統一標準的接口，可以連接不同的傳感器模塊。傳感器模塊的存儲模塊可選用ATMEL公司的具有2K存儲空間的EEPR0M，型號AT24C02。對於傳感器信號調理模塊，可根據不同傳感器的原理來設計。對於A/D模塊的選擇也需要根據傳感器來確定。例如基於化學反應的氣體傳感器一般只需要將輸出的電信號進行處理並用A/D採集即可；基於紅外的氣體傳感器大多通過串口輸出信號，這種情況下可以採用一個I2C轉串口的晶片作為處理模塊來採集數據；對於單總線的溫度傳感器BS18B20或者雙總線的溫溼度傳感器DHT9x，可以直接通過控制傳感器接口的SDA線及CLK線進行數據的讀取，不需傳感器信號調理模塊、A/D模塊。
路由節點應布置在船體的兩側或其它空曠的地方以起到中轉其他節點數據的作用。監測節點應布置在貨櫃門的內側，天線通過延長線固定在貨櫃門的外側。根據具體貨物參照有關安全規定選擇相應的傳感器模塊，傳感器模塊通過統一標準的接口連接在監測節點上，並布置在合適的位置，如SO2傳感器模塊要儘量靠近貨櫃底部。計算機監測中心為一臺通過串口與協調節點相連接的計算機，其通過協調節點獲取整個網絡中監測節點所採集的數據，如圖5所示其主要功能為監測數據的實時顯示、歷史監測數據的查詢、貨櫃安全狀況評估、監測數據的導出與發布。通過串口接收到數據被提取分類之後存入資料庫，就可以很方便的實現監測數據實時顯示及歷史數據查詢，可以曲線圖或者表格的方式顯示；將相關的安全規章及準則也錄入資料庫，系統會將採集到的 數據同相關的準則進行對比，可以對貨櫃的安全狀況進行評估，一旦有貨櫃存在安全隱患，則會給出預警需要工作人員對相應監測節點所在貨櫃採取一定安全措施；藉助海事衛星可以很容易通過Internet將資料庫同步到遠程的伺服器，以實現監測數據的發布。
權利要求
1.一種基於無線傳感器網絡技術的貨櫃監測系統，包括無線傳感器網絡及計算機監測中心；其特徵在於，無線傳感器網絡主要由監測節點、路由節點和協調節點組成，監測節點負責傳感器模塊數據採集發送，採用統一標準的傳感器接口，傳感器模塊即插即用；路由節點負責數據轉發；協調節點與計算機監測中心相連，計算機監測中心將其匯總的數據進行處理、存儲、分析及發布。
2.根據權利要求I所述的貨櫃監測系統，其特徵在於，監測節點、路由節點、協調節點的通訊及控制模塊為具有處理器的ZigBee模塊。
3.根據權利要求I所述的貨櫃監測系統，其特徵在於，監測節點的傳感器接口由四根線組成，其分別為通過多路復用開關擴展I2C總線得到的SDA線、CLK線、提供或控制傳感器模塊電源的電源控制線、地電平線。
4.根據權利要求I所述的貨櫃監測系統，其特徵在於，傳感器模塊一般由電源模塊、存儲模塊、傳感器信號調理模塊、A/D模塊組成。
5.根據權利要求I所述的貨櫃監測系統，其特徵在於，監測節點固定在貨櫃門內偵U，其天線固定在貨櫃門外側。
6.根據權利要求I所述，其特徵在於，計算機監測中心與終端節點相連，實時顯示數據，具有歷史查詢功能，可根據貨物登記的數據及安全準則判斷出貨櫃安全狀態，並能將數據通過Internet發出。
全文摘要
一種基於無線傳感器網絡技術的貨櫃監測系統，屬環境監測領域。該系統包括無線傳感器網絡及計算機監測中心，無線傳感器網絡由監測節點、路由節點和協調節點組成，監測節點負責傳感器模塊數據採集發送，採用統一標準的傳感器接口，傳感器模塊即插即用；路由節點負責數據轉發；協調節點與計算機監測中心相連，計算機監測中心將其匯總的數據進行處理、存儲、分析及發布。本發明解決了採用GPRS等技術在海上無信號或信號不佳的缺點，節點具有自組網能力，自動採集貨櫃內的傳感器數據並匯集到計算機監測中心，可靠性、實時性高。傳感器模塊接口標準統一，不僅滿足貨櫃監測項目多且經常更換的需求，而且傳感器模塊即插即用、部署方便。
文檔編號H04W84/18GK102829826SQ20121030864
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月27日 優先權日2012年8月27日
發明者褚金奎, 張凌寒, 繆新穎, 喬靜 申請人:大連理工大學