基于窄帶物聯網的散糧集裝箱監測系統設計

孫國慶，苑嚴偉，劉陽春，汪鳳珠，王 猛，李卓立

(中國農業機械化科學研究院土壤植物機器系統技術國家重點實驗室，北京100083)

0 引言

隨著東北地區糧食生產能力的迅速提升、公鐵水綜合交通運輸網的構建及市場供求關系的變化，“北糧南運”格局已悄然而成，糧食跨省調運數量日趨龐大。在此背景下，集裝箱因安全、經濟和易于實現多模式聯運的特點，成為“北糧南運”的主要運輸工具，但在運輸過程中，集裝箱的信息化、智能化監控手段匱乏，無法實時感知集裝箱內糧食情況，儲糧的品質難以監測，存在運輸成本高、效率低等的問題。因此，針對公鐵水不同運輸環境下研究散糧集裝箱的遠程傳輸技術與裝備，實現糧食在運輸過程中的遠程全程監控，才能更好地發揮“北糧南運”散糧集裝箱的功效[1-2]。

本文設計了一種基于LoRa的散糧集裝箱監測系統，可實時監測集裝箱內溫濕度信息和所處的位置信息，并將數據通過無線數據傳輸終端傳送至遠程監測平臺，實現可視化精確監測。

1 系統組成

整個系統主要由數據采集節點、車載終端和遠程監測平臺3部分構成。系統布設在集裝箱內的各個數據采集節點以LoRa通訊技術為基礎，構成無線傳感網絡，可形成全方位、立體式監測體系，按照預先設定好的采集頻率獲取集裝箱內的環境信息，然后將數據發送至車載終端，最后通過DTU發送至遠程監測

平臺，從而實現對散糧集裝箱的實時監測。系統總體構架如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1數據采集節點設計

數據采集節點是散糧集裝箱監測系統的基本組成單元，主要實現對環境因子的采集、數據處理和數據發送等功能，集裝箱內環境的監測需要較長時間，并且不易更換，故需要選擇低功耗、低電壓工作的芯片，設計的數據采集節點硬件結構如圖2所示。

數據采集節點的微處理器選擇STM8L，功耗低、性能穩定可靠。LoRa無線通訊模塊是以擴頻無線射頻芯片SX1278為核心，功耗低、傳輸距離遠抗干擾性強，可實現一對多組網通訊，通過UART與MCU進行數據傳輸[3-5]。SHT85高精度數字型相對濕度傳感器，能耗4.8 μW，響應時間8 s，接口為I2C總線。MAX6675串行熱電偶溫度傳感器，高阻抗差動輸入，片內冷短補償，分辨率為0.25 ℃，輸出接口為SPI總線。電源模塊采用3.7 V耐高溫鋰電池，1 800 mAh[6]。

采集節點實物如圖3所示，為防止發生磨損破壞電路，將采集節點放置于ABS盒內進行封裝。

采集節點的采集頻率為10 s，數據上傳周期為60 s，為了較小誤差和干擾的影響，采用去極值平均濾波法對采集到的數據進行處理，假設上傳周期內采集到的數據分別為X1、X2、X3、X4、X5和X6，最大值

為Xmax，最小值為Xmin，則

Xmax=maxX1，X2，X3，X4，X5，X6

(1)

Xmin=minX1，X2，X3，X4，X5，X6

(2)

(3)

2.2車載終端設計

車載終端負責將各采集節點的數據進行匯集，將數據顯示在TFTLCD液晶顯示屏上，并將數據發送至DTU，可供遠程監測系統接收數據，車載終端的硬件結構如圖4所示。

車載終端的微處理器選擇STM32F407，資源豐富，可以充分滿足車載終端的設計需求。LoRa無線接收模塊采用YL-800T，設置為中心模式，可以接收各采集節點的數據[8]。電源模塊采用LM2596S可調節穩壓模塊，從車內的點煙器取電，經穩壓模塊可為車載終端提供持續穩定的電源。ATK-S1216北斗定位模塊，更新率為20Hz，通訊協議為NMEA-0183。TFT LCD液晶顯示屏，分辨率800×480，尺寸為4.3寸。DTU采用TAS-GPRS-350，接口為232接口，傳輸速率85 kbps[9]。

車載終端的流程如圖5所示。

車載終端實物如圖6所示。

3 上位機軟件設計

上位機軟件采用MATLAB圖形用戶界面設計工具GUIDE進行開發，實現將集裝箱狀態進行實時顯示：解析下位機上傳的數據，實時顯示各采集節點的溫濕度，繪制溫濕度變化曲線并保存，同時調用百度地圖API，可以實時顯示集裝箱所處的位置。通過對集裝箱進行遠程監控，可做出相應的分析與決策。上位機軟件結構如圖7所示。

3.1溫濕度實時顯示功能

集裝箱溫濕度實時顯示功能可以實時顯示集裝箱中各采集節點的信息，通過對下位機返回的數據包進行解析，根據解析結果顯示對應采集節點的數據。溫度檢測流程如圖8所示。

數據包的串口通訊協議如表1所示。

3.2位置實時顯示功能

集裝箱位置的可視化通過調用百度地圖API實現，利用百度地圖的AK密鑰訪問百度地圖web服務器，將下位機上傳的經緯度坐標，以及縮放比例、視野范圍等參數寫入應用程序接口，即可返回相應的地圖信息，從而實現實時監測。

表1 串口通訊協議

4 系統測試

為驗證系統的可靠性，在中國農業機械化科學研究院土壤植物機器系統技術國家重點實驗室對系統進行了測試。將12個數據采集節點分別放置于一輛廂式貨車內，采集節點的分布如圖9所示。

將車載終端放置于駕駛室，上位機放置于新辦公樓，分別對采集節點、車載終端和上位機進行測試。

4.1采集節點測試

4.1.1功耗測試

為實現長時間的有效監控，采集節點需要有足夠的存活時間，試驗測試了各采集節點的存活性能，測試結果如圖10所示。

從圖10中可以看出，在30 d后才有節點消亡，系統運行59 d后，全部節點才耗盡能量，因為系統中消亡節點達到一定數量時就不能有效完成數據監測任務，若設定節點存活率不足80%時監測無法正常工作，該系統有效生存時間為40 d，可滿足監測應用環境對長時間有效監測的需求。

4.1.2精度測試

為驗證檢測數據的精確性，通過對比的方式檢測集裝箱內的環境參數。利用溫濕度測量儀測量集裝箱內環境變化，對其進行12 h的檢測，以每隔1 h間隔對其測量，與采集節點所測的數據進行對比，對比結果顯示溫度偏差為±0.5 ℃，濕度偏差為±0.5%RH，數據一致性較好。表2列出了每個采集節點溫濕度測量結果的典型值。

表2 溫濕度測量結果

為驗證采集節點能夠在特殊條件下同樣有較好的精度，在高低溫箱中進行精度測試。高低溫箱溫度設置：下降率1 ℃h，直至降至-20 ℃為止，測試時間1 h，測試結果如圖11所示，由圖11可清晰地看出兩條曲線幾乎重合，誤差范圍在<1%。

4.2車載終端測試

為檢測車載終端系統是否能夠正常運行，是否能與各采集節點之間正常數據傳輸，需要進行車載終端檢測和上電測試。

車載終端的運行效果如圖12所示，軟件部分已經調通，可以實現需求功能。經過一段時間的運行測試，該系統可以穩定運行，實時性好。

系統通電后，其顯示如圖13所示，在相應節點編號后是每個采集節點的電量和采集到的溫濕度，最后是定位模塊測得的經緯度數值。系統設計了報警機制，在溫濕度大于設定閾值的時候，蜂鳴器會進行警報提示。

4.3上位機軟件測試

進行上位機、車載終端聯合調試，可以對遠程數據顯示、地圖顯示等功能進行測試，并與車載終端顯示的數據進行對比，來驗證上下位機通訊是否成功，數據的同步性與系統的實時性。

上位機監測軟件的運行結果(圖14)，其中左上角設置串口端號、波特率和校驗位等，點擊打開串口按鈕后，上位機軟件開始接收數據。左下角為數據接收顯示，在每接收到一條數據后，就會更新一條數據。中間為溫度變化曲線，接收到的數據經過解析后，繪制對應節點的溫度變化曲線。右側為車輛實時定位，車輛的位置可以實時顯示在地圖上。

對比車載端顯示屏數據，可以看出數值相同；按照車載端經緯度查詢，定位與實際相符。

5 結束語

針對公鐵水運輸環境下散糧集裝箱監測應用需求，通過對現有無線方案的分析比較，本文提出一種基于LoRa的散糧集裝箱多點無線監測系統設計，在散糧集裝箱環境監測中引入無線通信技術LoRa，實現低功耗數據匯聚和遠程傳輸。本系統具有運行穩定、抗干擾性強和功耗低等優點，可以及時準確掌握集裝箱散糧糧情動態、質量信息及運輸動態。