基于北斗短報文通信的林區(qū)漿果運輸環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

刁家旺，海靖，郭成波，閆薪宇，孫術(shù)發(fā)，張傲，胡海洋

（東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引言

野生漿果營養(yǎng)價值高，在市場上很受歡迎，黑龍江地區(qū)的野生漿果資源豐富、品質(zhì)優(yōu)，而如何將這些漿果保質(zhì)地運輸?shù)较M市場則是目前的研究重點。野生漿果的特征表現(xiàn)為皮薄肉軟，其存儲和運輸難度大，且受到地理因素影響，在運輸中很容易變質(zhì)腐爛，而對其食用價值產(chǎn)生一定影響。為此就需要強化運輸車輛及漿果的監(jiān)控，更好地滿足其品質(zhì)要求。

ZigBee技術(shù)在無線通信領(lǐng)域被廣泛的應(yīng)用，其優(yōu)勢表現(xiàn)為方便管理、損耗低，且對不同類型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)都可高效的支持，數(shù)據(jù)采集便捷，因而在無線通信領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注[1]。宋余君[2]開發(fā)了一種貨運監(jiān)控系統(tǒng)，在應(yīng)用過程中可以高效的采集環(huán)境參數(shù)、貨物振動信息、車輛位置參數(shù)，據(jù)此實現(xiàn)檢測功能。田肖，等[3]具體分析了疫苗運輸相關(guān)要求，結(jié)合GPRS技術(shù)建立起一種基于ZigBee的運輸監(jiān)測系統(tǒng)，在運行過程中可以對疫苗運輸車輛內(nèi)部狀態(tài)進行實時監(jiān)測。Carullo[4]設(shè)計的牛奶運輸冷鏈包括微處理器、電源以及傳感器等，在運輸過程中可以對溫度狀況有效監(jiān)控。Zhao[5]在研究過程中建立了MSP430F149框架，且基于應(yīng)用要求建立起粒子群優(yōu)化的無線傳感器聚類方法，以此來對傳感器節(jié)點進行優(yōu)化調(diào)度，從而有效提高傳感器資源利用水平。楊甜，等[6]基于ZigBee技術(shù)發(fā)送車廂內(nèi)溫度和狀態(tài)相關(guān)信息。張璐璐[7]在對農(nóng)田水質(zhì)進行研究時，應(yīng)用到DSP控制器、GPRS、Zigbee技術(shù)，且對其應(yīng)用性能進行檢測。吳琦，等[8]則在研究物流車故障檢測時引入這種技術(shù)，可以通過其高效的均衡傳感節(jié)點，提高網(wǎng)絡(luò)通信水平，避免其故障對救援的影響。董成君，等[9]進行商業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺研究時，引入了GPS模塊、RFID芯片，且據(jù)此建立起一種智能無線組網(wǎng)系統(tǒng)，在應(yīng)用過程中可以高效地進行用戶信息反饋。

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)在通信領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，可實現(xiàn)定位和短報文通信功能，其優(yōu)勢表現(xiàn)為抗干擾能力強、誤碼率低、可靠性高[10-11]。對比分析可知北斗短報文通信在通信盲區(qū)情況下性能優(yōu)勢更明顯[12-14]。目前各種自然災(zāi)害的搶險救災(zāi)領(lǐng)域已開始啟用這項技術(shù)[15-16]。其在運行過程中發(fā)送頻度為60Hz，單次最大發(fā)送字節(jié)為120Byte，容量相對低[17]。本文在研究過程中具體分析林區(qū)基站覆蓋率低、通信性能不高的現(xiàn)狀，而進入了ZigBee和北斗定位技術(shù)，以此來高效傳輸運輸車相關(guān)參數(shù)，提高運輸車的監(jiān)控水平。應(yīng)用ZigBee技術(shù)傳輸無線傳感網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)，并進行適當(dāng)編碼，實現(xiàn)車載終端和北斗移動終端雙向通信目的，以此檢測對車內(nèi)漿果環(huán)境信息進行監(jiān)控，為提高運輸水平提供支持。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本文建立的監(jiān)控系統(tǒng)包括ZigBee、北斗短報文通信系統(tǒng)，其系體結(jié)構(gòu)如圖1所示。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中包含各種節(jié)點，在應(yīng)用過程中可基于車載環(huán)境進行適當(dāng)?shù)慕M合優(yōu)化，通過外置傳感器采集終端節(jié)點和路由器節(jié)點信息，并將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器，后者可實現(xiàn)Zigbee組網(wǎng)功能，并對終端節(jié)點數(shù)據(jù)進行管理，最后通過北斗系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計方案

本系統(tǒng)主要組成單元包括傳輸模塊、微處理器、電源、傳感器、北斗模塊等，這些硬件單元存在密切關(guān)系，如圖2所示。最關(guān)鍵的部分為微處理器模塊，其在運行過程中可以對采集的數(shù)據(jù)進行接收和處理，并通過北斗短報文模塊發(fā)送到終端。電源可以實現(xiàn)能量分配和調(diào)節(jié)功能。北斗模塊主要是定位運輸車輛，為監(jiān)控功能實現(xiàn)提供支持。4G數(shù)據(jù)傳輸模塊在應(yīng)用過程中可以將采集的信息發(fā)送到遠程服務(wù)器，在不能進行移動通信條件下可通過北斗RDSS模塊進行信息傳輸。傳感器數(shù)據(jù)單元主要是各種輸入接口電路組成，可以實現(xiàn)一定數(shù)據(jù)接入功能。

圖2 系統(tǒng)硬件關(guān)系圖

2.1 ZigBee傳感節(jié)點和匯聚節(jié)點硬件設(shè)計

ZigBee模塊中設(shè)置了CC2530芯片和無線收發(fā)單元，根據(jù)相關(guān)資料可知，其運行過程中發(fā)射功率100mW，其中設(shè)置IPEX接口，其結(jié)構(gòu)組成相關(guān)情況如圖3所示。該模塊有較高的適應(yīng)性，對各種類型車型都適用，且布局方便，靈活性高。在應(yīng)用過程中可基于監(jiān)測需求，而設(shè)置路由節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點。在環(huán)境信息采集時主要用到CC2530節(jié)點。溫度、二氧化碳濃度、加速度等傳感器都可與CC2530的各引腳連接。

圖3 CC2530核心電路示意圖

本系統(tǒng)在運行過程中采集的數(shù)據(jù)都為模擬量，在數(shù)據(jù)處理過程中基于內(nèi)部ADC功能進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，為其后的處理分析提供支持。在設(shè)計時為提高傳感器節(jié)點布置靈活性，選擇了電池供電模式。設(shè)計過程中可根據(jù)車廂空間和貨物量適當(dāng)調(diào)節(jié)傳感器的個數(shù)。傳感器在運行時可采集車廂內(nèi)溫度、濕度、震動信息，且可實現(xiàn)一定交互控制功能，按照一定的頻率發(fā)送采集信息到匯聚節(jié)點，實現(xiàn)一定信息反饋功能，為信息查詢提供支持。

協(xié)調(diào)器節(jié)點在運行過程中可對各節(jié)點采集的數(shù)據(jù)進行匯集，通過LCD進行顯示，為交互控制提供支持。協(xié)調(diào)器節(jié)點的P0_2、P0_3端口進行數(shù)據(jù)交互，其中主控模塊可在轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)上滿足串口通信要求，一般設(shè)置在駕駛室，從而可以進行高效便捷實時的觀測，在設(shè)計過程中將其當(dāng)做為CC2530協(xié)調(diào)器節(jié)點的基本電路，為總體功能實現(xiàn)提供支持。

2.2 北斗模塊接口電路設(shè)計

RDSS接收鏈路的運行原理如下：接收北斗信號，對采集的信號進行一定濾波和放大處理后，發(fā)送到芯片DT-A6，接著在其中進行混頻和增益放大、轉(zhuǎn)換處理后輸出中頻。在運行過程中其中射頻芯片輸出一定的時鐘信號給RDSS芯片。TD1100A則基帶處理接收到的數(shù)字信號，主要是解調(diào)處理，且基于串口進行輸出。RDSS發(fā)射鏈路的運行原理如下：基帶芯片接受上位機的數(shù)據(jù)，接著對數(shù)據(jù)調(diào)制處理后，形成一定形式的基帶數(shù)據(jù)流，對處理后的數(shù)據(jù)繼續(xù)DT-A6整形、濾波處理后發(fā)送；在放大濾波處理而滿足要求后，通過發(fā)射天線將處理后信號發(fā)送到衛(wèi)星，據(jù)此滿足定位和通信相關(guān)要求。

本系統(tǒng)在設(shè)計過程中根據(jù)應(yīng)用要求而選擇了BDS/GPS雙模定位模塊，其可以很好的滿足車載終端相關(guān)要求，運行時的工作電壓+2.8~3.6VDC，且精度也達到較高水平。屬于高性能的國產(chǎn)BDS/GPS模塊，其有較高的支持性和應(yīng)用便利性。微處理器串口電壓15V，在應(yīng)用過程中為實現(xiàn)二者的通信功能，而設(shè)置了一個電平轉(zhuǎn)換模塊，圖4顯示出電平轉(zhuǎn)換芯片電路相關(guān)情況。圖5為北斗模塊接口電路圖。在通信時需要將UM220的TXD1、RX引腳分別和轉(zhuǎn)換模塊的RXD、TXD連接起來。

圖4 電平轉(zhuǎn)換芯片電路圖

圖5 北斗模塊接口電路圖

3 系統(tǒng)軟件整體設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件組成相對簡單，主要包括ZigBee網(wǎng)絡(luò)，STM32、北斗通信相關(guān)的程序。在進行上電后需要對系統(tǒng)各模塊初始化，主要如電源、GPIO、接口和通信單元初始化等。傳感器在運行過程中發(fā)送采集的信息到協(xié)調(diào)器節(jié)點，后者則發(fā)送數(shù)據(jù)到STM32芯片而將一定的解析處理，且根據(jù)要求存儲。當(dāng)微處理器將數(shù)據(jù)處理結(jié)束后基于4G數(shù)據(jù)傳輸模塊和北斗模塊進行發(fā)送。

3.1 ZigBee模塊程序設(shè)計

本系統(tǒng)在設(shè)計過程中具體分析應(yīng)用需求，對不同節(jié)點連接的傳感器設(shè)計對應(yīng)的程序來進行數(shù)據(jù)采集和處理，且依據(jù)相應(yīng)的通信協(xié)議對各種不同數(shù)據(jù)進行規(guī)范處理，且考慮到通信時容易產(chǎn)生的通信沖突，基于ZigBee協(xié)議棧而對其中的各節(jié)點進行組合而并網(wǎng)，出現(xiàn)碰撞沖突情況下，節(jié)點會處于等待狀態(tài)，在空閑條件下重新發(fā)送。

通過協(xié)調(diào)器發(fā)送指令而進行組網(wǎng)管理和地址分配，在符合要求情況下，則初始化終端節(jié)點，且基于傳感器進行環(huán)境信息的采集。而其中沒有入網(wǎng)的終端節(jié)點則保持休眠。其中已加入局域網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點則采集環(huán)境中的數(shù)據(jù)，且基于一定格式和協(xié)議發(fā)送到協(xié)調(diào)器，后者在接收到數(shù)據(jù)后進行匯總處理并存儲，最后則利用RDSS進行數(shù)據(jù)傳輸而發(fā)送到終端。

最后，還需要規(guī)劃ZigBee終端節(jié)點，主要是分析運輸貨物的種類、數(shù)量相關(guān)參數(shù)，且考慮到ZigBee網(wǎng)絡(luò)要求，而綜合分析確定出適宜的終端節(jié)點數(shù)量，然后對其合理布局。在此基礎(chǔ)上即可通過后臺管理系統(tǒng)監(jiān)控運輸環(huán)境參數(shù)，提高運輸安全性。同時也可以通過顯示器進行傳感器信息的顯示功能。且據(jù)此為終端節(jié)點的通信提供支持。

本系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器有重要的作用，其可以接收各傳感器節(jié)點發(fā)送過的信息，且進行一定匯總處理。ZigBee無線通信模塊在運行過程中可處于不同的狀態(tài)，如透傳、半透傳和協(xié)議。本文在設(shè)計時選擇第一種狀態(tài)，也就是基于這種模式發(fā)送路由器數(shù)據(jù)，到ZigBee單元。后者則通過接口接入到微處理器，微處理器對接收到的數(shù)據(jù)進行處理后通過RDSS通信模塊進行發(fā)送。相關(guān)處理流程情況如圖6所示。

圖6 Zigbee網(wǎng)絡(luò)控制流程圖

3.2 北斗通信模塊程序設(shè)計

北斗通信在無線通信領(lǐng)域有較高的應(yīng)用價值，在不能進行移動通信情況下也可以滿足應(yīng)用要求，而發(fā)送傳感器采集的數(shù)據(jù)到后臺管理系統(tǒng)。此通信模塊和微處理器串口基于一定的規(guī)范和協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信。對應(yīng)的通信語句中，以$開始，以*為分隔符，結(jié)束符為 結(jié)束。發(fā)送的字節(jié)長度為78Byte，基于環(huán)境參數(shù)信息而定義電文內(nèi)容的格式，具體情況見表1。

表1 短報文編碼格式

具體分析表1可知，節(jié)點編號范圍為0-9，節(jié)點信息主要包括溫濕度、速度、震動強度、位置信息等。此外報文系統(tǒng)有較高的支持性，對中文、英文、數(shù)字相關(guān)的數(shù)據(jù)都支持。同時根據(jù)表1的電文內(nèi)容而設(shè)定適宜的傳輸編碼。表2顯示出一個信息編碼的事例情況，在應(yīng)用過程中可結(jié)合表1進行解碼處理而獲得原始信息。

表2 環(huán)境數(shù)據(jù)編碼事例

4 實驗及結(jié)果分析

在設(shè)計結(jié)束后接著應(yīng)該測試，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性等都滿足要求。在設(shè)計時引入不同的節(jié)點而組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)、設(shè)在運行過程中長期每5s發(fā)送一次采集的數(shù)據(jù)。在最大功率條件下，協(xié)調(diào)器節(jié)點位置保持固定，而設(shè)置不同的地點放置終端節(jié)點，將單片機通過USB轉(zhuǎn)RS232與計算機。連接結(jié)束后，打開相應(yīng)的北斗短報文測試軟件，定期進行數(shù)據(jù)發(fā)送，且模擬ZigBee到微處理器的數(shù)據(jù)通信功能。在發(fā)送時應(yīng)用短報文模塊發(fā)送，對收包率數(shù)據(jù)進行分析，所得結(jié)果見表3。分析可知這種系統(tǒng)的收包率高于97%，有較高的實時性，符合相關(guān)應(yīng)用需求。

表3 北斗短報文收包率

5 結(jié)語

本文對目前漿果冷鏈運輸相關(guān)問題進行分析，在考慮通信場景限制的前提下，引入北斗短報文與ZigBee通信單元，建立了運輸信息實時采集系統(tǒng)，并對其性能進行了測試。所得結(jié)果表明其可以高效采集各種生態(tài)環(huán)境參數(shù)，且基于不同的模式進行數(shù)據(jù)傳輸，在運行過程中可以和后臺進行雙向數(shù)據(jù)傳輸，通信可靠性高。根據(jù)測試結(jié)果北斗短報文模塊收包率高于97%，在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)條件下可以高效的傳輸數(shù)據(jù)。在應(yīng)用過程中，通過采集經(jīng)緯度信息對車輛位置進行監(jiān)控，同時傳感器采集車內(nèi)溫濕度和二氧化碳濃度等信息，從而對漿果品質(zhì)變化進行監(jiān)管，以此來提高漿果運輸管理水平，可對運輸環(huán)節(jié)漿果品質(zhì)進行實時監(jiān)控，具有較高的應(yīng)用價值。漿果產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，運輸環(huán)節(jié)的制約作用很明顯，該系統(tǒng)可以提高漿果運輸監(jiān)管水平，為保障漿果品質(zhì)提供支持，同時也為漿果產(chǎn)業(yè)和市場發(fā)展起到促進作用。為更好的滿足各種環(huán)境信息監(jiān)控要求，還需要系統(tǒng)有一定擴展性，在應(yīng)用過程中可以根據(jù)需求而適當(dāng)?shù)囊肫渌麄鞲衅鳌＿@種系統(tǒng)對擴展北斗導(dǎo)航應(yīng)用范圍也有一定支持作用，同時提高了物流行業(yè)監(jiān)控水平，符合物流行業(yè)未來發(fā)展趨勢，有利于促進漿果行業(yè)發(fā)展以及當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展。