基于低功耗藍牙的軍用物資運輸環境實時監控系統研究

魏建宇 馬文彬 盧愛臣

陸軍軍事交通學院 天津 300161

引言

隨著我國軍事綜合實力的不斷增強，我軍職能、使命與備戰任務呈多樣化拓展趨勢，軍用危險品的使用范圍、使用頻率、使用性能要求都日益增加，同時，軍用危險品的交通運輸保障任務也日益加劇[1]。公路運輸作為軍事交通運輸的重要組成部分，在危險品運輸中發揮著重要作用，而公路運輸由于其機動靈活、速度快、及時、適應性強等優點，成為軍用危險品最常用的運輸方式。

軍用危險品主要包括軍用雷管、點火管、爆破藥塊、硝化纖維無煙藥、各種炸彈、毒劑等，受到熱、明火、摩擦、震動、撒漏、濕度以及輻射等影響，容易引起燃燒、爆炸、腐蝕、中毒、放射性沾染等危險，進而造成物資財產損失或危及人身安全。

本文對軍用危險品公路運輸安全監控技術進行研究，集成低功耗藍牙BLE、窄帶物聯網NB-IoT、樹莓派串行通信等技術，并根據軍用危險物資運輸要求以及運輸環境條件，開展應用創新，突破軍用危險品公路運輸安全監控的關鍵性技術問題。

1 系統總體方案設計

本研究對軍用危險貨物的運輸環境參數進行獲取與分析，研究如何構成一個基于物聯網的軍用物資運輸環境實時監控系統。

系統使用樹莓派計算機作為處理核心，BLE模塊將采集到的數據通過低功耗藍牙協議傳送到樹莓派管理平臺，由管理平臺進行數據分析，發出報警或預警信息，樹莓派平臺通過串口將數據傳送至NBIOT模塊，NBIOT模塊將數據傳送至云端[2]。管理人員可以通過互聯網對軍用物資進行實時監控和跟蹤，整個系統功耗低、使用壽命長、數據準確有效，可有效地降低運輸風險、減少運輸事故、確保運輸安全。系統的主要功能有：實跟蹤軍用物資狀態、運輸車輛內環境、管理平臺與車載設備的信息交互、環境分析與預警提示等。

①數據采集終端配置物資溫度、環境溫度、濕度、磁、光、陀螺儀、加速度計、壓力等多個傳感器，用于讀取在運物資的實時理化參數和姿態參數，通過BLE低功耗藍牙協議將數據無線傳送給樹莓派車載終端。②樹莓派車載終端通過BLE無線藍牙協議獲取采集終端的實時數據，根據協議格式進行解析，將數據經串口傳送至NBIOT模塊。③NBIOT模塊通過AT指令將所獲取的實時數據以一定的頻率上傳至云端保存。④云端管理平臺完成數據整合與呈現。

3 系統硬件設計

3.1 數據采集模塊

數據采集模塊主要負責數據的終端采集與預處理，在運物資的狀態參數主要包括理化參數和姿態參數，理化參數主要包括物體溫度、環境溫度、溫度磁場強度、光照強度，姿態參數主要包括傾斜角度、運動速度、運動加速度、壓力，如圖1所示。以上數據分別通過集成的各類傳感器按照設定的采集周期進行數據采集，并傳輸至數據采集模塊的核心CPU——CC2650/CC2640R2F，采用藍牙5.1協議，核心CPU按照BLE協議將按照藍牙數據格式將獲取的數據打包，傳輸至樹莓派車載終端。

圖1 在運物資狀態參數

3.2 車載模塊

車載模塊通過BLE低功耗藍牙技術，對采集模塊傳送的數據包進行實時解析，并具備一定的本地存儲與分析能力，能夠根據設定的相關閾值進行預警及報警處理。車載模塊還是數據采集模塊與NBIOT模塊的橋梁，一方面能夠實現數據的精準接收，另一方面通過USART串口將數據發送給NBIOT模塊。

3.3 傳輸模塊

傳輸模塊選用NBIOT模塊，它集通信與定位功能于一體，一方面通過UDP/TCP/CoAP/LWM2M/MQTT等協議將樹莓派終端解析出的數據傳輸至物聯網云平臺，另一方面實時精準定位，支持多種衛星系統解調算法，管理平臺能夠獲取在運物資的精確位置，能夠很好地滿足功耗、數據準確性和定位精度的需求。

3.4 管理模塊

管理平臺模塊基于Java Web進行搭建，集成了Struts、Hibernate和Spring框架。該平臺用于處理若干個車載終端和NBIOT傳輸的數據。它不僅要與軍用物資運輸車上的樹莓派模塊進行通信，還要對監測到接收到的信息進行存儲和處理，如圖2所示。

圖2 管理平臺結構框圖

管理平臺通過互聯網接收數據采集終端采集的物資實時理化參數和姿態參數信息，將數據存儲于數據庫中，同時以圖像的形式呈現出來，管理員可直觀地了解到物資的環境狀態變化，并可方便地進行數據的比對、分析。

4 系統軟件設計及實現

系統軟件主要功能為終端數據采集、藍牙通信、NB-IoT數據傳輸、管理終端設計。

4.1 數據采集

CC2640R2F是基于低功耗藍牙5.1協議棧的無線數據傳輸芯片，通信雙方共同按照統一的通信標準進行數據收發。協議棧是協議的具體代碼實現，即用代碼封裝起來的庫函數，以便開發人員調用[3]。藍牙5.1協議棧包含了低功耗藍牙通信協議和設備配置的所有功能，系統需要對任務列表中的任務進行注冊和初始化，主要包括協議本中各協議層的系統任務和用戶的自定義任務，程序中通過一個for循環不斷查看事件表，并循環查看事件表中是否有事件發生。

系統根據溫度傳感器、濕度傳感器、加速度傳感器、電子羅盤、氣壓傳感器和陀螺儀等傳感器采集到的原始數據，進行數據格式轉換以及數據平均處理，且按照預先設定好的頻率進行數據更新。所有傳感器的服務和特征均根據128位的UUID來區分，每種傳感器擁有1個服務、1個數據特征、1個配置特征和1個讀取周期設置特征。

4.2 樹莓派藍牙通信

藍牙CC2640R2F節點設備上電后完成設備的初始化，而后向外發送廣告信息，使設備處于可發現狀態，廣告信息中包含藍牙節點設備的名稱、通信地址等設備信息。然后，樹莓派向外發送設備掃描信息，掃描信息中包含節點設備的身份信息和特定的UUID，如果掃描到了附近有正在向外發送廣告信息且未配對的節點設備，則將兩設備GAP服務的UUID進行匹配，匹配成功之后即可進行連接。

在建立藍牙連接之后，樹莓派會發送想要訪問的GATT服務的UUID，節點設備在收到樹莓派的請求信息后會把收到的UUID與自己的主服務UUID相匹配，只有相匹配的UUID設備才能獲得GATT數據服務。當樹莓派成功獲得GATT服務之后，還需要得到需要的“特征”的句柄，這樣才能找到屬于“特性”的服務然后用來讀寫特征值，而獲取“特性”的句柄則需要通過調用GATT的特性發現函數加上這個“特性”的UUID。當藍牙節點設備收到樹莓派發來的需要“特性”的請求后，會將此句柄返回給樹莓派，樹莓派得到句柄后會再次調用GATT特性發現函數來處理并返回GATT信息，應用這個句柄來進行數據的讀寫，從而完成樹莓派與節點設備的一次數據交互，具體數據傳輸過程如圖3所示。

圖3 樹莓派藍牙通信數據傳輸流程

4.3 NB-Iot數據傳輸

NB-IoT模塊作為監測控制的通信中樞，在系統中占據十分重要的地位。系統通信模塊選型是BC95模塊，通過AT指令來實現數據的同步控制與傳輸。軟件設計上主要包含NB-IoT模塊初始化、NB-IoT模塊入網、NB-IoT模塊數據傳輸3個方面[4]。當BC95模塊上電復位后，系統先檢查SIM卡是否連接成功，連接成功后，分別對數據傳輸格式、云端服務器信息進行配置，并檢測數據是否能夠按照云平臺的指令進行實時上傳，檢測通信是否能夠正常接受指令和發送采集信息，這些檢測主要使用AT命令來實現。隨后，NB-IoT模塊通過MQTT協議，將數據傳輸到云平臺，云平臺在接收到信息后將封裝的數據進行解析，解析成云平臺可讀取的格式進行存儲，以備管理終端進行數據呈現。

4.4 管理終端軟件設計

為了實現對物資監測終端數據實時呈現和智能化管理，開發終端管理平臺軟件，軟件基于JAVA語言、B/S體系結構開發，在對整體邏輯和需求進行分析后，管理平臺設計以下功能：

4.4.1 用戶登錄。實現用戶登錄功能以實現用戶登錄的正規性，防止不法人員進入系統查看、盜用數據信息，登錄時只有用戶輸入相關參數比對無差別時才會進入系統界面，保證系統的數據安全。

4.4.2 數據實時展示。將節點設備采集到的各狀態數據呈現在管理平臺界面，使管理人員能夠實時掌握物資的各項參數，并具備圖像展示和對比功能，以便及時發現物資中隱藏的安全隱患。

4.4.3 歷史數據查詢。以圖、表等形式展示在運物資運輸途中的參數歷史變化趨勢，為工作人員分析物資在運輸途中的狀態變化提供數據支撐。

4.4.4 報警管理。當物資狀態參數出現異常，超出相應參數正常閾值時，系統及時對發生的危險情況做出提醒，并將報警事件記錄到安全日志當中。

5 結束語

本文通過采集壓力、溫度、濕度、羅盤、加速度計、陀螺儀等6種傳感器的實時數據，實現對軍用運輸物資的環境溫度、環境濕度、目標溫度、氣壓、當前方位、目標角度和直線變化等數據進行顯示和監控，對于公路危險貨物運輸與管理的實時智能監控，提高物資運輸的安全性具有一定的現實意義。