基于LoRa無線技術(shù)的散糧集裝箱溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

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(航天信息股份有限公司，北京 100195)

引 言

集裝箱運(yùn)輸[1]是簡(jiǎn)單、安全、快速、經(jīng)濟(jì)、易于實(shí)現(xiàn)的多模式聯(lián)運(yùn)方式。它可以真正實(shí)現(xiàn)門對(duì)門的運(yùn)輸，從而被越來越多的國(guó)家和地區(qū)接受。在發(fā)達(dá)國(guó)家，大批量的糧食存儲(chǔ)和運(yùn)輸已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。加拿大、美國(guó)和澳大利亞已率先在世界上采用散糧集裝箱式運(yùn)輸，且谷物集裝箱的流通量迅速增加。與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的散糧集裝箱流通技術(shù)相比，中國(guó)的現(xiàn)代糧食流通技術(shù)仍處于發(fā)展中階段，其運(yùn)輸量處于相對(duì)較低的水平。近年來，隨著散糧集裝箱運(yùn)輸應(yīng)用技術(shù)的研究和發(fā)展，中國(guó)的集裝箱運(yùn)輸技術(shù)在繼續(xù)快速推進(jìn)。目前，中國(guó)在交通基礎(chǔ)建設(shè)、車站設(shè)施、技術(shù)裝備、信息網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)范圍都達(dá)到了一定的規(guī)模，已經(jīng)有一定規(guī)模的散糧集裝箱運(yùn)輸。

本文根據(jù)集裝箱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能要求，設(shè)計(jì)與開發(fā)了基于LoRa、3G/4G實(shí)時(shí)參數(shù)(溫度、濕度)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，選擇主控芯片、收發(fā)芯片，并對(duì)高頻、低頻通信鏈路的技術(shù)指標(biāo)和可靠性進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上提出有源電子標(biāo)簽與讀寫器的硬件電路設(shè)計(jì)，制訂有源電子標(biāo)簽與讀寫器設(shè)計(jì)的總體方案。本項(xiàng)目依照自上而下的設(shè)計(jì)理念，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，先勾畫出有源電子標(biāo)簽與讀寫器總體的架構(gòu)，然后按各個(gè)功能模塊一一進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，并結(jié)合3G/4G技術(shù)與GPS/北斗定位技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)散糧集裝箱狀態(tài)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸及狀態(tài)監(jiān)控。

整個(gè)系統(tǒng)如圖1所示，智能傳感器通過板載的傳感器芯片獲取集裝箱內(nèi)的溫度、濕度等信息，然后通過LoRa網(wǎng)絡(luò)傳遞到網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)通過3G/4G(也可通過LoRa直接傳送到海洋通信系統(tǒng))將傳感器信息和GPS位置信息一并傳遞到服務(wù)器。同時(shí)在各個(gè)檢查站，檢查員可以通過手持的讀卡設(shè)備對(duì)過往的集裝箱進(jìn)行抽查，并將信息發(fā)往服務(wù)器，從而后臺(tái)管理人員可以通過管理終端對(duì)全局狀況進(jìn)行跟蹤。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

為了實(shí)現(xiàn)上述系統(tǒng)，設(shè)計(jì)和開發(fā)了一個(gè)智能傳感器。此智能傳感器可以監(jiān)測(cè)顆粒溫度和濕度。其體積類似于乒乓球大小，并且設(shè)備的平均耗電量小，平均電流最低為1 mA。采用IP66標(biāo)準(zhǔn)制作外殼并支持寬廣的溫度范圍，能夠工作在 -35～100 ℃。同時(shí)，為了解決散裝糧食集裝箱容器引起的無線信號(hào)高隔離和衰減的問題，使用超高靈敏度低功耗短距離LoRa無線采集技術(shù)，研究并實(shí)現(xiàn)在高強(qiáng)度隔離和衰減金屬環(huán)境中的無線通信技術(shù)。

1 智能傳感器

智能傳感器的設(shè)計(jì)包括硬件和軟件。硬件系統(tǒng)如圖2所示，包含三部分：傳感器、MCU和LoRa通信系統(tǒng)。

圖2 智能傳感器

圖2的第一部分是傳感器，使用BME280[6]進(jìn)行溫度和濕度信息采集，其是一個(gè)非常小巧的低功耗、高精度的溫度、濕度和壓力三合一傳感器，廣泛應(yīng)用于很多應(yīng)用，如室溫變化檢測(cè)、家庭自動(dòng)化控制、GPS增強(qiáng)、天氣預(yù)報(bào)等。BME280體積小，只有2.5×2.5×0.93 mm3，擁有8個(gè)引腳，不僅具有低噪聲和高分辨率的特點(diǎn)，而且非常適合于低功率應(yīng)用，其以1 Hz的采樣率工作只需要消耗3.6 μA。

第二和第三部分是MCU+LoRa通信系統(tǒng)集成模塊CMWX1ZZABZ-091[7](如圖3所示)。 CMWX1ZZABZ-091集成了一個(gè)超低功耗的STM32L072CZ系列芯片。STM32L072CZ為采用ARM Cortex-M0+[8]架構(gòu)的微控制器，包含192 KB閃存器用來存儲(chǔ)程序，以及一個(gè)供應(yīng)用程序使用的20 KB內(nèi)存，支持高速USB 2.0，擁有4通道12位ADC、2通道DAC和一個(gè)6位的定時(shí)器，集成UART、I2C和SPI接口。本文使用STM32L072CZ上的I2C接口連接BME280傳感器。

LoRa通信系統(tǒng)使用的是一個(gè)Sigfox兼容的SX1276收發(fā)器[9]。它支持FSK、GFSK、MSK、GMSK和OOK調(diào)制，同時(shí)可以選擇+14 dBm或+20 dBm的輸出功率，其收發(fā)比特率可達(dá)300 kbps。此外，其靈敏度達(dá)-137 dBm，鏈路預(yù)算能夠到157 dB。SX1276收發(fā)器也具有超低功耗特性，接收電流僅為10 mA。

圖3 CMWX1ZZABZ-091

STM32L072CZ的固件每分鐘自動(dòng)觸發(fā)一次，定期讀取溫濕度傳感器并發(fā)送到空中，當(dāng)發(fā)送完數(shù)據(jù)后，整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入睡眠模式。

2 智能網(wǎng)關(guān)

與智能傳感器相比，智能網(wǎng)關(guān)(見圖4)包括更多的外圍設(shè)備，放入集裝箱內(nèi)采集多個(gè)智能傳感器發(fā)出的溫度、濕度等信息，其比智能傳感器更耗電。智能網(wǎng)關(guān)包含4部分：GPS、MCU、3G/4G和作為智能傳感器一部分的LoRa模塊，其中GPS和3G/4G模塊來自μ-blox。。

圖4 智能網(wǎng)關(guān)

智能網(wǎng)關(guān)的GPS模塊同時(shí)支持GPS、Galileo、GLONASS和Beidou，從而提供了最大的可用性。另一方面，它支持-167 dBm的導(dǎo)航靈敏度。在智能網(wǎng)關(guān)中，使用恩智浦LPC1768[12]來控制整個(gè)系統(tǒng)。LPC1768包含512 KB的片上FLASH和32 KB片上SRAM供網(wǎng)關(guān)應(yīng)用使用。

圖5 智能傳感器、智能網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器工作流程

整個(gè)數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)工作模式如圖5所示。智能傳感器每分鐘讀取溫度和濕度，并將讀數(shù)發(fā)送到空中。智能網(wǎng)關(guān)通過無線方式接收數(shù)據(jù)，并通過3G/4G網(wǎng)絡(luò)將收集到數(shù)據(jù)連同GPS信息一起發(fā)送到服務(wù)器。云端的服務(wù)器接收數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中。

3 手持設(shè)備

圖6 手持設(shè)備

圖7 手持設(shè)備界面

無線手持終端由應(yīng)用處理器、LoRa無線傳輸模塊、SD卡存儲(chǔ)模塊、LCD顯示模塊和App組成。手持終端的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。包含一個(gè)高性能的應(yīng)用處理器MSM 8939，最高可以運(yùn)行到1.5 GHz[13]，同時(shí)支持多種連接性，如WiFi 802.11b/g/n、BT4.0、NFC、GPS/AGPS、北斗、RFID HF等。軟件上支持Android 5.0，能夠運(yùn)行許多應(yīng)用程序。

主管人員可以通過App軟件有選擇地顯示特定集裝箱內(nèi)的散糧溫濕度狀態(tài)，同時(shí)也可以觀察臨近的所有集裝箱內(nèi)的散糧狀態(tài)。一旦散裝谷物的溫濕度超過正常范圍，無線手持終端將發(fā)出警報(bào)信息，以提醒檢查人員查看溫度異常。手持終端的界面如圖7所示。

4 測(cè) 試

使用LoRa作為最基本的本地通信協(xié)議，更適合低功耗應(yīng)用。我們對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，使其鏈路預(yù)算達(dá)到160 dB，這樣可以有效克服集裝箱對(duì)無線信號(hào)的衰減和阻擋。為了測(cè)試LoRa系統(tǒng)的性能，在北京通州某糧倉(cāng)內(nèi)進(jìn)行了測(cè)試，其中包含室內(nèi)室外測(cè)試和集裝箱內(nèi)部測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果(見表1～表3)表明，在室內(nèi)、室外和集裝箱內(nèi)部等實(shí)際使用環(huán)境中，系統(tǒng)表現(xiàn)了非常好的連通性，接收端信號(hào)在各段測(cè)試距離上都很穩(wěn)定。在各種距離下的10分鐘測(cè)試項(xiàng)目中獲得了平均98%的包正確率。實(shí)驗(yàn)證明，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)非常適用于散糧集裝箱運(yùn)輸項(xiàng)目。

表1 糧庫內(nèi)測(cè)試

表2 糧庫室外測(cè)試

表3 集裝箱內(nèi)測(cè)試

為了驗(yàn)證傳感器的濕溫度的準(zhǔn)確性，在糧倉(cāng)內(nèi)選了三個(gè)位置(靠近墻壁和在糧食內(nèi)部)，將其與溫濕度測(cè)量?jī)x器進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試。 結(jié)果表明(見表4)，智能傳感器能夠達(dá)到目標(biāo)要求的精度，濕度小于3%，溫度小于1 ℃。

表4 糧倉(cāng)內(nèi)溫濕度測(cè)試

結(jié) 語