基于窄带物联网的散粮集装箱监测系统设计

孙国庆，苑严伟，刘阳春，汪凤珠，王 猛，李卓立

(中国农业机械化科学研究院土壤植物机器系统技术国家重点实验室，北京100083)

0 引言

随着东北地区粮食生产能力的迅速提升、公铁水综合交通运输网的构建及市场供求关系的变化，“北粮南运”格局已悄然而成，粮食跨省调运数量日趋庞大。在此背景下，集装箱因安全、经济和易于实现多模式联运的特点，成为“北粮南运”的主要运输工具，但在运输过程中，集装箱的信息化、智能化监控手段匮乏，无法实时感知集装箱内粮食情况，储粮的品质难以监测，存在运输成本高、效率低等的问题。因此，针对公铁水不同运输环境下研究散粮集装箱的远程传输技术与装备，实现粮食在运输过程中的远程全程监控，才能更好地发挥“北粮南运”散粮集装箱的功效[1-2]。

本文设计了一种基于LoRa的散粮集装箱监测系统，可实时监测集装箱内温湿度信息和所处的位置信息，并将数据通过无线数据传输终端传送至远程监测平台，实现可视化精确监测。

1 系统组成

整个系统主要由数据采集节点、车载终端和远程监测平台3部分构成。系统布设在集装箱内的各个数据采集节点以LoRa通讯技术为基础，构成无线传感网络，可形成全方位、立体式监测体系，按照预先设定好的采集频率获取集装箱内的环境信息，然后将数据发送至车载终端，最后通过DTU发送至远程监测

平台，从而实现对散粮集装箱的实时监测。系统总体构架如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1数据采集节点设计

数据采集节点是散粮集装箱监测系统的基本组成单元，主要实现对环境因子的采集、数据处理和数据发送等功能，集装箱内环境的监测需要较长时间，并且不易更换，故需要选择低功耗、低电压工作的芯片，设计的数据采集节点硬件结构如图2所示。

数据采集节点的微处理器选择STM8L，功耗低、性能稳定可靠。LoRa无线通讯模块是以扩频无线射频芯片SX1278为核心，功耗低、传输距离远抗干扰性强，可实现一对多组网通讯，通过UART与MCU进行数据传输[3-5]。SHT85高精度数字型相对湿度传感器，能耗4.8 μW，响应时间8 s，接口为I2C总线。MAX6675串行热电偶温度传感器，高阻抗差动输入，片内冷短补偿，分辨率为0.25 ℃，输出接口为SPI总线。电源模块采用3.7 V耐高温锂电池，1 800 mAh[6]。

采集节点实物如图3所示，为防止发生磨损破坏电路，将采集节点放置于ABS盒内进行封装。

采集节点的采集频率为10 s，数据上传周期为60 s，为了较小误差和干扰的影响，采用去极值平均滤波法对采集到的数据进行处理，假设上传周期内采集到的数据分别为X1、X2、X3、X4、X5和X6，最大值

为Xmax，最小值为Xmin，则

Xmax=maxX1，X2，X3，X4，X5，X6

(1)

Xmin=minX1，X2，X3，X4，X5，X6

(2)

(3)

2.2车载终端设计

车载终端负责将各采集节点的数据进行汇集，将数据显示在TFTLCD液晶显示屏上，并将数据发送至DTU，可供远程监测系统接收数据，车载终端的硬件结构如图4所示。

车载终端的微处理器选择STM32F407，资源丰富，可以充分满足车载终端的设计需求。LoRa无线接收模块采用YL-800T，设置为中心模式，可以接收各采集节点的数据[8]。电源模块采用LM2596S可调节稳压模块，从车内的点烟器取电，经稳压模块可为车载终端提供持续稳定的电源。ATK-S1216北斗定位模块，更新率为20Hz，通讯协议为NMEA-0183。TFT LCD液晶显示屏，分辨率800×480，尺寸为4.3寸。DTU采用TAS-GPRS-350，接口为232接口，传输速率85 kbps[9]。

车载终端的流程如图5所示。

车载终端实物如图6所示。

3 上位机软件设计

上位机软件采用MATLAB图形用户界面设计工具GUIDE进行开发，实现将集装箱状态进行实时显示：解析下位机上传的数据，实时显示各采集节点的温湿度，绘制温湿度变化曲线并保存，同时调用百度地图API，可以实时显示集装箱所处的位置。通过对集装箱进行远程监控，可做出相应的分析与决策。上位机软件结构如图7所示。

3.1温湿度实时显示功能

集装箱温湿度实时显示功能可以实时显示集装箱中各采集节点的信息，通过对下位机返回的数据包进行解析，根据解析结果显示对应采集节点的数据。温度检测流程如图8所示。

数据包的串口通讯协议如表1所示。

3.2位置实时显示功能

集装箱位置的可视化通过调用百度地图API实现，利用百度地图的AK密钥访问百度地图web服务器，将下位机上传的经纬度坐标，以及缩放比例、视野范围等参数写入应用程序接口，即可返回相应的地图信息，从而实现实时监测。

表1 串口通讯协议

4 系统测试

为验证系统的可靠性，在中国农业机械化科学研究院土壤植物机器系统技术国家重点实验室对系统进行了测试。将12个数据采集节点分别放置于一辆厢式货车内，采集节点的分布如图9所示。

将车载终端放置于驾驶室，上位机放置于新办公楼，分别对采集节点、车载终端和上位机进行测试。

4.1采集节点测试

4.1.1功耗测试

为实现长时间的有效监控，采集节点需要有足够的存活时间，试验测试了各采集节点的存活性能，测试结果如图10所示。

从图10中可以看出，在30 d后才有节点消亡，系统运行59 d后，全部节点才耗尽能量，因为系统中消亡节点达到一定数量时就不能有效完成数据监测任务，若设定节点存活率不足80%时监测无法正常工作，该系统有效生存时间为40 d，可满足监测应用环境对长时间有效监测的需求。

4.1.2精度测试

为验证检测数据的精确性，通过对比的方式检测集装箱内的环境参数。利用温湿度测量仪测量集装箱内环境变化，对其进行12 h的检测，以每隔1 h间隔对其测量，与采集节点所测的数据进行对比，对比结果显示温度偏差为±0.5 ℃，湿度偏差为±0.5%RH，数据一致性较好。表2列出了每个采集节点温湿度测量结果的典型值。

表2 温湿度测量结果

为验证采集节点能够在特殊条件下同样有较好的精度，在高低温箱中进行精度测试。高低温箱温度设置：下降率1 ℃h，直至降至-20 ℃为止，测试时间1 h，测试结果如图11所示，由图11可清晰地看出两条曲线几乎重合，误差范围在<1%。

4.2车载终端测试

为检测车载终端系统是否能够正常运行，是否能与各采集节点之间正常数据传输，需要进行车载终端检测和上电测试。

车载终端的运行效果如图12所示，软件部分已经调通，可以实现需求功能。经过一段时间的运行测试，该系统可以稳定运行，实时性好。

系统通电后，其显示如图13所示，在相应节点编号后是每个采集节点的电量和采集到的温湿度，最后是定位模块测得的经纬度数值。系统设计了报警机制，在温湿度大于设定阈值的时候，蜂鸣器会进行警报提示。

4.3上位机软件测试

进行上位机、车载终端联合调试，可以对远程数据显示、地图显示等功能进行测试，并与车载终端显示的数据进行对比，来验证上下位机通讯是否成功，数据的同步性与系统的实时性。

上位机监测软件的运行结果(图14)，其中左上角设置串口端号、波特率和校验位等，点击打开串口按钮后，上位机软件开始接收数据。左下角为数据接收显示，在每接收到一条数据后，就会更新一条数据。中间为温度变化曲线，接收到的数据经过解析后，绘制对应节点的温度变化曲线。右侧为车辆实时定位，车辆的位置可以实时显示在地图上。

对比车载端显示屏数据，可以看出数值相同；按照车载端经纬度查询，定位与实际相符。

5 结束语

针对公铁水运输环境下散粮集装箱监测应用需求，通过对现有无线方案的分析比较，本文提出一种基于LoRa的散粮集装箱多点无线监测系统设计，在散粮集装箱环境监测中引入无线通信技术LoRa，实现低功耗数据汇聚和远程传输。本系统具有运行稳定、抗干扰性强和功耗低等优点，可以及时准确掌握集装箱散粮粮情动态、质量信息及运输动态。