基于低軌衛星和窄帶物聯網的智能冷鏈運輸終端系統①

聶健波,呂潔印,2,,4,周受欽,,4,黃瑞雪

1(深圳中集智能科技有限公司,深圳 518067)

2(長安大學,西安 710064)

3(東莞中集智能科技有限公司,東莞 523808)

4(中國國際海運集裝箱集團(股份)有限公司,深圳 518067)

冷藏集裝箱(冷藏箱)是一種具有良好氣密性、隔熱性且能保證一定低溫要求和適用于各類易腐食品的貯存、運輸的特殊功能集裝箱[1].冷鏈運輸是指在運輸全過程中,無論是裝卸搬運、變更運輸方式、更換包裝設備等環節,都使所運輸貨物始終保持一定溫度.冷鏈運輸方式大多數都是以冷藏集裝箱作為運輸載體,但是,如果在運輸中突然發生車輛拋錨、冷凍系統癱瘓等事故,都會大大影響冷鏈產品的質量.溫度是冷鏈運輸的關鍵點,目前,冷鏈物流溫控管理最大的技術瓶頸是溫度監測技術手段滯后,無統一數據系統支持,實時性差、無法進行預警等.要解決這一瓶頸,就需要先引入現代的溫度監測方法.因此,在冷鏈運輸過程中,對車輛的實時狀態進行監控是很有必要的[2-5].

然而,傳統大多數冷鏈監控類設備終端存在功耗大,鏈路建立時間長以及數據傳輸效率低等缺陷,基本不具備全球定位追蹤功能.目前低軌衛星與地面移動通信的結合是未來通信的主要特征之一,使用時隙控制機制、動態時隙管理等數據通信技術,可為數據傳輸提供了可靠保障[6,7].NB-IoT 在標準體系統一、擴展能力上具有巨大優勢,必將成為物聯網技術及產業鏈發展、物聯網應用在全球部署的有力推動者[8].因此,開發一種集成低軌衛星、NB-IoT 通信和GPS/北斗定位等相關技術的智能終端,通過網絡構造資源共享,實現對貨物運輸過程中車輛的運行路線、實時運行位置、人員的安全情況以及車廂內的溫濕度進行監控.一方面便于車輛的指揮調度；另一方面在出現突發事故時,可迅速做出決策[9,10],為冷鏈運輸提供安全的保障服務.

1 系統方案

智能冷鏈運輸終端系統主要有三個組成部分,智能終端,無線通信和遠程監控平臺.

智能終端搭載在冷藏集裝箱上,是數據采集中心,主要負責采集冷藏集裝箱的地理位置,運動狀態和箱內溫濕度等數據.無線通信是智能終端和遠程監控平臺進行數據交換的橋梁,負責將智能終端打包好的數據報文上傳到服務器.該智能冷鏈運輸終端系統的無線通信包括了低軌衛星通信和NB-IoT 通信,兩種通信方式之間可以相互智能切換,由于NB-IoT 在通信方面有著強鏈接,高覆蓋,功耗低等優勢,因此,優先使用該通信方式.在窄帶蜂窩網沒有覆蓋到的城市、峽谷、山區、叢林等區域,智能終端將啟動低軌衛星發送數據.遠程監控平臺一方面可以從服務器中提取出智能終端發送上來的原始數據報文,經過協議解析將采集到的數據以界面的方式展示給用戶,包括冷藏箱內外的溫濕度,運動狀態,位置和報警信息等；另一方面用戶也可通過平臺向智能終端發送數據,如報警處理,遠程升級終端等.智能終端系統架構見圖1.

圖1 智能終端系統架構圖

2 硬件設計

智能終端的硬件由主板、天線、電池等組成.其中,主板部分包含MCU、存儲模塊、通信模塊、定位模塊、傳感器模塊以及電源管理模塊和看門狗等模塊.智能終端的硬件組成框圖見圖2.

圖2 智能終端的硬件組成框圖

2.1 微處理器模塊

智能終端搭載在冷藏集裝箱上,需長期處于實時檢測的工作模式.因此,低功耗是終端關鍵器件選型的一個重要參數.設計選用STM32L1 系列芯片作為主控制器,該系列芯片具有超低功耗,睡眠功耗僅有2 uA,硬件資源豐富,主時鐘頻率達到32 MHz,能滿足整個智能終端系統響應速度和運算控制需求.

2.2 定位模塊

智能終端采用上海移遠公司L76C 系列GNSS 模塊,與單一的GPS 模塊相比L76C 模塊集成了多衛星定位系統使得可見和可用衛星數目大幅度增加,同時,內置有LNA 確保在弱信號環境下能有更好的性能,此外,L76C 模塊還可接入加速度傳感器進行融合定位,即使是在復雜的城市環境下也能實現更高的定位精度和準確度,并顯著降低平均運行功耗,平均功耗在25 mA 左右,滿足終端對低功耗的高要求.可通過UART 接口與MCU 進行通信,實現定位數據采集.

2.3 傳感器模塊

智能終端的傳感器模塊包括溫濕度傳感器和加速度傳感器.選用Sensirion 公司SHT30 溫濕度傳感器,該傳感器具有封裝小,測量精度高,功耗低等特點,平均工作電流只有2 uA.該模塊增加了一個報警輸出引腳,在溫度與濕度超過或低于一定閾值時,會輸出高電平直接喚醒MCU,不再需要由MCU 主動發送指令去輪詢數據,可長時間停留在低功耗睡眠模式,從而減少終端的功耗.可通過I2C 接口與MCU 進行通信,實現溫濕度數據采集.

選用ADI 公司ADXL345 加速度傳感器,該傳感器功耗低,分辨率高,測量范圍可達±16 g,在2.5 V 電壓工作時,測量模式下功耗低至23 uA,在待機模式下功耗只有0.1 uA.可通過SPI 接口與MCU 進行通信,實現加速度數據采集.

2.4 看門狗模塊

在電池供電的系統中,使用看門狗功能的微控制器定時器來喚醒系統,可以降低整個系統在休眠模式下的功耗.因此,選用TI 公司一款具有看門狗功能的TPL5010 低功耗定時器.該芯片可通過外部電阻配置100 ms 至7200 s 的定時時間,定時器精度達到1%,電流消耗為35 nA.只需連接MCU 的復位引腳和一個I/O 口即可完成喚醒系統功能.

2.5 存儲模塊

智能終端選用W25Q64 芯片作為存儲器,容量為64 Mb,采用標準的SPI 協議,支持雙輸出/四輸出的SPI 接口與MCU 進行通信,實現智能終端的數據存儲.

2.6 通信模塊

通信模塊由NB-IoT 模塊和衛星模塊組成.硬件上將兩個通信模塊設計于同一個串口,構成雙模的通信方式.NB-IoT 模塊選用上海移遠BC35-G 模塊,該模塊是一款高性能、低功耗、多頻段的NB-IoT 通信模塊,支持B1/B3/B8/B5/B20/B28 共6 個頻段,適合全球范圍使用.數據傳輸方面支持25.2 kbps 的下行速率和15.625 kbps 的上行速率.模塊在不同頻段下發送和接收數據的電流均會不同,其中,最大發射電流不超過280 mA,接收狀態下電流約為60 mA.因此,NB-IoT 模塊在功耗方面相比較傳統的2G、3G、4G 等通信模塊有較大的優勢.

衛星模塊選用ORBCOMM 公司的OGi 低軌衛星通信模塊,該模塊支持AT 和OG 兩種命令模式,適用于通信量不大的監控終端,實現短報文雙向衛星通信.支持5 V～15 VDC 寬電壓供電,衛星模塊分別在5 V、8 V、12 V 電壓工作的發送和接收電流如表1所示[11].

表1 衛星模塊不同電壓工作的發送和接收電流

由上表1可知,當模塊工作在5 V～8 V 時,發送電流達到1 A 以上,接收電流也大于100 mA,對智能終端的負載能力要求較高.因此,選擇12 V 電壓作為衛星模塊供電電壓,一方面可以減小智能終端總電流,另一方面降低電源設計難度.

2.7 電源管理模塊

智能終端的電源管理有外部供電和內置電池供電兩種方案.其中,外部可使用冷藏箱自帶柴油發電機提供的電源,經過內部變壓在冷機上預留有用于外接使用的AC24V 電源.內置選用可充電的DC12V 鋰電池電源.經過整流降壓得到各模塊所需的直流電壓.通過MCU 的I/O 口控制由NPN 型三極管和P 型MOS 管組成的開關電路,可以實現各模塊電源的開啟或關斷.終端電源供電模型見圖3.

3 軟件設計

3.1 主程序設計

智能終端的軟件系統流程共劃分為數據采集、數據處理、數據通信以及數據解析四個部分.以主控制器為核心對各模塊進行數據采集和處理,并將經過MCU 處理后的數據信息通過窄帶蜂窩網或低軌衛星的無線鏈路傳輸到服務器,最終在監控中心實現遠程監控.系統主程序流程見圖4.

智能終端在上電后,MCU 先完成對NB 模塊、衛星模塊、定位模塊、溫濕度模塊、加速度模塊、存儲模塊和看門狗等模塊的初始化,然后開始進入等待開機模式,此時整個終端會進入睡眠狀態,一直在檢測有無開機信號.在開機完成后,智能終端將開始進入正常的工作模式.先開始監測溫濕度和運動狀態,判斷選擇開啟GPS 模塊或NB 模塊,如選擇打開GPS 則將采集到的GPS 數據信息通過串口發送給MCU 處理并將檢測到的溫濕度值和運動狀態值通過相關協議打包成原始數據報文.如果不需要啟動GPS 定位,則直接打開NB 模塊.打開NB 模塊后進行信號查詢并嘗試入網連接,確認入網成功之后將MCU 打包好的原始數據報文發送到服務器.如遇到嘗試三次NB 模塊連網均不成功,則切換到衛星發送模式,啟動衛星模塊搜索衛星,如果衛星模塊對接成功,開始將原始數據報文發送至ORBCOMM 網關進行數據處理.如超過三次對接不成功,則把原始報文保存在到存儲器,在下一次發送數據時再補報之前保存的歷史報文.在完成整個工作流程后進入睡眠模式.

圖3 終端電源供電模型圖

進入睡眠模式后,溫濕度和加速度模塊仍一直工作在監聽狀態,如果檢測到超過預警值,將自動喚醒終端,此時判斷子函數先判斷是溫濕度觸發還是延時觸發,若是在無運動狀態下由溫濕度觸發,則不需開啟定位模塊,只上傳報警信息；若是在運動狀態下由溫濕度觸發,將打開定位模塊采集事發位置并上報.同理,如果是延時時間到引起觸發,將先進行溫濕度和加速度檢測,然后再判斷是否有運動,若無便不開啟GPS 定位,只上報溫濕度、運動狀態和電池電壓等信息[12,13].判斷子函數流程見圖5.

圖4 系統主程序流程圖

圖5 判斷子函數流程圖

3.2 通信數據校驗設計

冷鏈運輸過程中遇到通信信號在較弱的情況時有可能會導致原始數據信息容易出現亂碼.因此,設計采用CRC 的校驗方式,智能終端根據要傳送的k位二進制碼序列,以一定的規則產生一個校驗用的r位監督碼,附在原始數據信息后邊,構成一個新的二進制碼序列數共k+r位,然后發送出去.在接收端,根據信息碼和CRC 碼之間所遵循的規則進行檢驗,以確定傳送中是否出錯[14,15].

4 低功耗設計及測試結果

4.1 低功耗設計

由于在冷鏈運輸的過程中會存在區域跨度大,時間較長和維護不方便等問題.因此,要求智能終端的使用壽命要足夠長,需進行低功耗設計.

在硬件上選用低功耗的關鍵元器件,且各模塊供電設計可關斷模式.在軟件上,設定智能終端從數據采集到數據發送的時間不超過5 分鐘,如在5 分鐘內不能發送數據成功則將數據保存并進入睡眠模式,在下一次發送再將歷史數據補報.另外,用戶可根據需求通過遠程配置智能終端的上報周期,如在冷藏集裝箱不工作時可設置一天上報一次,在用于運輸貨物時可設置每小時上報一次.在MCU 進入睡眠后徹底關斷模塊的電源,將用不到的I/O 口設置成輸入模式,使整機睡眠功耗做到最小化.增加智能終端的使用壽命.

4.2 測試結果

智能終端需安裝到冷藏集裝箱的冷機上進行測試.安裝包括智能終端主機,CPS 天線,NB-IoT 模塊天線和衛星天線,選用冷機電源供電.智能終端現場安裝測試實物見圖6.

圖6 智能終端現場安裝測試實物圖

通過上電測試,設置智能終端的上報時間為每10 分上報一次數據.在監控平臺上顯示監控到的冷藏集裝箱內溫度和濕度值曲線見圖7.

圖7 冷藏集裝箱內溫濕度值曲線圖

5 結束語

本文給出的智能冷鏈運輸終端系統方案,不僅能夠實時監測冷鏈運輸過程中冷藏箱內的狀態信息,而且可以通過遠程操作對突發的事件進行實時監控,大大節約了運營成本.利用低軌衛星通信信號在全球范圍內覆蓋的優勢,有效地解決了冷鏈運輸全球監控的難題,為冷鏈運輸提供了更高的安全性和效率性保障.經過實際應用和測試結果表明選用低軌衛星和NBIoT 兩種智能切換的通信方案可行,能夠保證冷藏箱的地理位置,運動狀態及箱內溫濕度等信息安全,穩定的上報到服務器.此外,該終端具備加速度監測和遠程監控等功能,對于極為講究時效性和安全性的冷鏈運輸來說,具有重要的參考價值和良好的發展前景.