解決實時調度的智能裝備及其物聯網系統設計

高金龍，周受欽，曹廣忠，呂潔印，張保祥，黃瑞雪

(1.深圳大學 深圳電磁控制重點實驗室，廣東 深圳 518060；2.深圳中集智能科技有限公司，廣東 深圳 518067；3.深圳中集移動物聯國際運營服務有限公司，廣東 深圳 518067)

解決實時調度的智能裝備及其物聯網系統設計

高金龍1,2,3，周受欽2,3，曹廣忠1，呂潔印2,3，張保祥2，黃瑞雪2,3

(1.深圳大學 深圳電磁控制重點實驗室，廣東 深圳 518060；2.深圳中集智能科技有限公司，廣東 深圳 518067；3.深圳中集移動物聯國際運營服務有限公司，廣東 深圳 518067)

針對解決集裝箱港口和堆場空箱閑置浪費且集裝箱在調度過程中有效監控參數不足等問題，基于物聯網的DCM-感知層、傳輸層、應用層(Devices、Connect、Manage)架構，提出了構建集裝箱實時調度監控物聯網系統的一整套設計方法和系統工作流程，實現了對集裝箱“堆放-運輸-堆放”全生命周期監控及實時調度管理，不僅提高了集裝箱港口和堆場空箱利用率并解決了實時調度問題，而且也保證了集裝箱在調度過程中箱和貨物的狀態安全可視。所設計實現的系統包括監控終端和平臺兩大部分，采用蜂窩網絡通信，以監控終端實現對集裝箱信息的采集并通過網絡將數據發送至平臺，以平臺實現數據展示、遠程控制終端以及共享空箱信息，加速空箱快速并合理流轉。

物聯網；集裝箱調度；集裝箱安全；遠程監控；空重載檢測；大數據

0 引 言

集裝箱是全球物流運輸的載體。據預測，2016年全球集裝箱運輸需求增速在4%左右，全球港口集裝箱吞吐量有望以3%以上速度平穩增長，中國港口集裝箱吞吐量也將有近5%的增速，達到2.21億TEU左右，其中國際航線吞吐量可望實現4%的增長，在投資和內需增長帶動以及水路集疏運優勢進一步顯現的背景下，內支線和內貿集裝箱吞吐量增速預計為6%。爆炸式增長的集裝箱吞吐量加劇了港口擁塞[1]，另外又由于集裝箱停放到各港口或堆場后對空重箱缺乏科學有效的測定，提貨與否僅靠人來識記，常出現已經交貨卻還存放在堆場閑置不能實時流轉的情況，也造成了部分地區阻塞且空箱嚴重積壓，而另一部分區域無箱可用[2]，造成空箱浪費且空箱的調度與重派增加堆場運維成本[3]；目前業界的調度監控系統對集裝箱在調度運輸過程中各種狀態的監控力度不足，不能及時得知箱內貨物狀況，同時也出現很多非法盜箱問題；船公司和租賃公司又不愿意共享集裝箱的位置和數量等相關信息，這也使得建立集裝箱空箱數據庫極為困難。通過對存在的問題進行針對性研究，運用超聲波、衛星定位、3G通信、JavaScript、C++等技術及增加平臺互動性等方法，為了在集裝箱物流周期中實現定位、運輸物品監控、在線調度等功能，提出了集裝箱實時調度監控物聯網系統[4]。

1 系統方案

1.1 集裝箱實時調度監控物聯網系統概述

所提出的集裝箱實時調度監控物聯網系統由監控終端和平臺兩大部分組成[5-6]，具備信息采集、現場監控、信息傳輸、遠程控制等功能[7]。前者主要包含主板、天線、電池、各功能模塊(位置檢測、門狀態檢測、加速度檢測、空重載檢測、溫濕度檢測)；后者主要包含軟件服務器端、數據庫部分和Web端部分。

監控終端通過傳感器檢測集裝箱空重載信息、門開關信息、溫濕度信息、加速度信息和位置信息并傳至CPU將數據打包后通過蜂窩網絡發送至服務器端，后者將數據中間件解析后存入數據庫以供Web端調用，Web端將位置信息取出后再調用相關地圖接口將位置顯示在頁面地圖上，其他數據信息取出后經過處理展示在平臺其他部分，由此可以在平臺的信息狀態欄上看到集裝箱的溫濕度、門狀態、運動狀態、電池電量、空重載狀態等信息。經過相關授權，平臺會共享出集裝箱空箱的位置和相關信息，相關租戶可以很直觀地瀏覽這些信息并自由聯系空箱箱主進行平臺層面的租用對接。同時箱主可在平臺上輸入控制命令對集裝箱的狀態參數進行調控。

1.2 系統架構設計

所提出的監控物聯網系統設計方案采用物聯網的三層架構：感知層、傳輸層和應用層[8]。

感知層需要檢測集裝箱位置狀態、箱門狀態和空重載狀態等，鑒于集裝箱特殊的結構特性，采用GPS/北斗雙模定位技術、門磁感應技術、超聲波技術等進行實現。

傳輸層需要將采集到的信息包傳送至平臺服務器，鑒于集裝箱的全球流通特性，采用成本低廉、地面基站豐富、陸地通信效率高的蜂窩通信技術來傳輸數據，其中協議層是基于TCP/IP協議[9]。

應用層需要數據解析、平臺展示、分析大數據且下發控制指令，解析層采用C++技術，數據庫層采用MySQL技術，Web端采用ASP.NET技術并采用Hadoop+Hive技術進行大數據分析。

集裝箱實時調度監控系統架構見圖1。

圖1 集裝箱實時調度監控系統架構框圖

2 監控終端設計

2.1 硬件設計

硬件由控制器、3G模塊、GPS/北斗模塊、空重載狀態檢測傳感器模塊、門狀態檢測傳感器模塊、溫度傳感器模塊、加速度傳感器模塊和電源模塊組成。

主控制器采用STM32L1系列低功耗芯片，其具有超低泄漏制程、創新型自主動態電壓調節功能和5種低功耗模式；蜂窩通信采用3G通信模塊并配套采用國外某電信公司的移動通信服務，覆蓋全球99%以上國家移動通信聯網能力，也大大降低了對全球范圍內集裝箱監管的運營成本；空重載狀態檢測采用的是波束角小，不易受集裝箱壁干擾，且易于區分不同量程從而有助于軟件編程優化的超聲波傳感器；門狀態檢測選擇有線方式接入的門磁開關傳感器，其靈敏度一般在30 mm左右，基于集裝箱特殊的結構，為了減少檢測出錯率，采用便于安裝在旋轉門把手處的型號。CPU硬件資源分配見圖2。

監控終端硬件設計中共占用CPU的4路串口資源，其中UART1用于與超聲波傳感器的數據通信，又復用作為調試打印串口，UART2用于與GPS/北斗定位模塊的數據通信，UART3用于與3G模塊的數據通信；加速度傳感器模塊使用CPU的IIC資源來發送檢測到的集裝箱運動的狀態信息和接收CPU指令；同時使用兩路GPIO口與門磁開關傳感器和溫度傳感器通信，另外兩路GPIO口控制LED指示燈，用來指示硬件系統的通電狀態和工作狀態。

圖2 CPU硬件資源分配框圖

2.2 軟件設計

集裝箱的使用場合要求監控終端能夠高效快速地得到各種狀態信息并及時上報處理以便實時調度，所以軟件設計中使用了RTX系統來管理內存并實時處理多任務，由于任務的并發執行，提高了程序的運行效率。系統主程序流程見圖3。

圖3 系統主流程圖

工程上升級程序一般通過遠程升級或者串口升級，前提是必須有IAP引導程序，軟件設計中首先設置IAP引導程序，然后初始化硬件和各外設，接著創建三個操作系統任務并發執行，最后循環每隔一定時間喚醒讀取串口數據的變動。

具體實現是：先初始化各硬件，后啟動操作系統進程，每隔一定時間喚醒一次CPU采集集裝箱的門開關信息、運動狀態信息、溫度信息、空重載信息和終端的電池電壓信息等，定位模塊在設定的超時時間內會進行多次定位，時間到則不管有無定位都將定位狀態連同其他采集到的數據一起發送給協議棧進行打包處理，利用建立的Socket通道基于TCP/IP協議[10-12]將打包后的數據包發送至平臺服務器，若終端下位機收到回復且正確，表示發送數據成功，并繼續將之前保存的歷史數據發送至平臺服務器，否則保存等待下次喚醒的時候發送；若無回復，則重發幾次后同樣保存數據等待下次發送，然后關閉CPU進入休眠。報警信息優先級最高，如果有門被異常開啟，便會立即觸發CPU喚醒并發送報警信息至平臺服務器。為了接收下行數據，通信模塊一直處于監聽狀態，一旦監聽到數據便將其接收發送到協議棧進行解析后通過CPU進行相關的控制。

由于集裝箱監控終端的工作環境使其不便于維護，終端需要使用時間盡量長，維護率盡量低，所以低功耗尤其重要。在軟件上對其進行了低功耗優化處理，低功耗優化設計流程見圖4。

圖4 低功耗處理流程圖

軟件上除對CPU進行休眠優化外，也對定位模塊開啟與否進行邏輯優化，從而免去頻繁開啟定位模塊帶來的接近70 mA的功耗。一方面若有異常報警便立即喚醒CPU，此時判斷是否有運動，若無便不開啟定位模塊，只上傳報警信息；另一方面若指定時間間隔到，同樣判斷是否有運動，若無便不開啟GPS定位，只上傳溫度、運動、門開關、超聲波和電池電壓等信息。

3 平臺設計

平臺運用HTML、CSS、JavaScript等技術語言開發Web端進行數據展示和交互，運用C++技術語言開發軟件服務器來查詢或入庫數據，其中數據傳輸媒介的數據庫部分采用MySQL技術完成[13-14]。平臺設計架構見圖5。

圖5 平臺設計架構圖

數據解析層由C++搭建的軟件服務器端完成，該服務器運行在具有公網IP的公司主機上，它為所有待接入的Client端分配所需的IP地址和不同的端口并等待Client端的套接字提出連接申請，當Server端套接字響應申請后便注冊一個事件集交由事件管理器托管，完成通信的準備工作。TCP/IP通信建立的是長連接，Server端一直監聽Client端，一旦有數據并把數據交由主程序處理，Server端為不同類型的Client端開發了不同的中間件，對傳來的數據包進行一級解析或二級解析，直到解析出其中的有效數據并存入數據庫，以便Web服務器端的調用。

數據庫層使用的是MySQL數據庫存儲數據，一些簡單的數據可以供Web服務器直接調用，當需要一些分析數據時，就需要使用Hadoop和Hive進行大數據的分析和處理。使用SQL語句查詢大數據時，Hive將結構化的數據文件映射為一張數據庫表存入HDFS，再將SQL語句翻譯成MapReduce程序對大數據進行計算，待計算結束將處理結果轉移到MySQL數據庫中供Web端調用。其中MySQL與Hive之間的導入導出通過Sqoop來實現。

Web端采用MVC-模型、視圖、控制器(Model、View、Controller)架構。模型層對解析入庫的數據進行操作，其中模型層又可以分為兩層：底層數據庫操作和業務邏輯。前者主要處理對數據庫的CURD(增刪改查)操作，后者主要進行數據的邏輯運算。初步處理的數據由控制器層傳給視圖層，后者通過DOM將不同的數據段插入頁面中不同位置呈現給用戶。控制器層與視圖層進行交互，接收用戶下發的指令，進行邏輯運算后交給模型層進行入庫。

4 設計結果與測試數據

監控終端是一個防水的整體：內置主板(包含溫度傳感器、加速度傳感器)、超聲波傳感器和電池，外置門磁開關傳感器防水接口、3G天線、GPS天線接口。設備安裝于集裝箱內壁，將門磁開關傳感器、3G和GPS天線置于集裝箱外，門磁開關感應部分固定于集裝箱外壁，磁鐵部分通過螺釘或者卡環固定在集裝箱門桿上，隨著開關門動作所帶動的門桿旋轉而旋轉。開門時，轉動門桿，磁鐵遠離設備感應區域，設備檢測到門開。關門后，磁鐵進入設備的感應區域，設備檢測到門關。防水型超聲波傳感器從設備前面露出2 mm的高度探進集裝箱內部檢測箱內貨物情況。

對監控終端進行功耗測試，測試時間大概是3 h，樣本采集的時間間隔是8 min，打開GPS等模塊后的功耗為59 mA左右，采集數據后打開3G模塊聯網并發送數據，功耗迅速增加，達到了200 mA左右，數據發送完畢后關閉3G模塊，設備進入休眠，此時功耗僅為70 μA左右。功耗測試結果見圖6。

從集裝箱監控平臺上可以直觀看到集裝箱運輸過程中的溫濕度、位置、速度、空重載、門開關信息，可以為集裝箱的實時調度決策提供依據，貨物的運輸過程也變得透明安全。當貨物到達堆場后，會及時監控集裝箱的空重載情況，一旦貨物完成交接，便在平臺上顯示出來并提示調度需求，箱主可以很容易得知。另外在得到箱主授權下，空箱的部分信息將公布到公共平臺，附近的空箱需求客戶能夠及時獲得最近的空箱位置和信息，聯系箱主，減少了空箱的不必要運輸成本和調度時間，提高了空箱的利用率。

圖6 監控終端功耗測試效果圖

5 結束語

集裝箱的實時調度不僅可以提升工作效率并且大大降低了管理運營成本，實時性關鍵在于對集裝箱的實時監測并及時處理。實時調度系統中的關鍵點是集裝箱空箱的高效利用，其作為促進集裝箱貨物運輸的根源，國內外都在研究相關的空箱調度的有效解決方案，但大多是以調度的管理模式和優化方案為主，很少涉及監測技術。為了彌補相關的技術空缺，將具體問題量化成為各種待監控參數，研發監控終端和可視化平臺，運用DCM技術架構將具體問題用物聯網的手段解決并將結果通過平臺呈現出來，從而從技術層面克服了空箱閑置鮮為人知的缺陷和箱體運輸過程狀態未知的問題。

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Design of Intelligent Equipment and IOT System Solving Real-timeContainer Allocation

GAO Jin-long1,2,3，ZHOU Shou-qin2,3，CAO Guang-zhong1，LYU Jie-yin2,3，ZHANG Bao-xiang2，HUANG Rui-xue2,3

(1.Shenzhen Key Laboratory of Electromagnetic Control,Shenzhen University,Shenzhen 518060,China;2.CIMC Intelligent Technology Co.,Ltd.,Shenzhen 518067,China;3.CIMC International MIOT Operation Service Company Limited,Shenzhen 518067,China)

In order to solve the problems of the empty containers sitting idle in port and yard and the lack of effective monitoring parameters during the container allocation process,based on the IOT’s DCM architecture-perception layer,transmission layer and application layer and relevant technology,a set of design methods and system work flows have been proposed to construct a container real-time allocation monitoring system,in which the container’s “stacking-transportation-stacking” full-life-cycle monitor management and real-time allocation has been achieved.These proposed methods not only improve the utilization of empty containers in container ports and yards,but also solve the empty container’s real-time allocation problems.Furthermore this established system has made the status of cargoes and assets visible during the container’s allocation process.By using the cellular networks communication mode,this established system is composed of two parts,monitor terminal and platform,among which the monitor terminal is used to collect information from the containers and to send the data to the platform through internet;the platform is employed to display the data for remote controlling and empty container’s information sharing which is convenient to fast and efficient container allocation.

Internet of Things;container allocation;container security;remote monitoring;empty container detection；big data

2016-05-29

2016-09-06 網絡出版時間：2017-03-13

廣東省科技計劃項目(2014B010117005)；深圳市重大技術攻關項目(JSGG20150601144258573)；深圳市創新環境建設計劃(GCZX20140509165654491)；深圳星基裝備物聯技術工程實驗室(深發改[2016]724號)；深圳市未來產業資金(JSGG20160229 173734086)

高金龍(1991-)，男，碩士研究生，研究方向為工業物聯網；周受欽，博士，教授級高工，研究生導師，研究方向為信號處理與智能儀器、物聯網關鍵技術；曹廣忠，博士，教授，研究生導師，研究方向為先進控制理論及其應用、磁懸浮技術、物聯網關鍵技術。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170313.1546.064.html

TP302

A

1673-629X(2017)05-0149-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.05.031