基于ZigBee技术的海运冷藏集装箱实时监测系统设计

第40卷第4期2018年8月武汉理工大学学报（信息与管理工程版）JOURNAL OF WUT(INFORMATION& MANAGEMENT ENGINEERING)V〇l.40No.4Aug.2018文章编号:2095-3852(2018)04-0396-05文献标志码:A 基于ZigBee技术的海运冷藏集装箱实时监测系统设计辜勇，胡泽旭，于蒙，郑澜波，周鹭莹(武汉理工大学物流工程学院，湖北武汉430063)摘要:冷藏集装箱作为药品、保鲜食品等冷冻冷藏货物的重要运输工具，在运输过程中内部环境易发生 变化而造成货物腐坏，给企业财产带来严重损失。

针对如何准确有效对在途冷藏集装箱内部温湿度进行实时监测的问题，利用多传感器数据融合理论对传输数据进行多级处理，并基于北斗卫星通讯技术构建远程监测系统，然后综合考虑了箱、船、岸等各个节点数据收集与传递的客观需求，构建了基于Zl g Bee技术的海运冷藏 集装箱实时监测系统。

该系统使得温湿度数据更具有科学性和可靠性，也提高了远程监测的及时性，对保障 远洋运输的安全可靠有重要意义。

关键词:Zl g Bee技术;远洋运输;数据融合;算法分析;远程监测中图分类号:U169.6随着经济全球化趋势的发展、国内外贸易的 快速增长及“一带一路”战略的提出，我国海上货运量快速增长，其中药品、血液制品、生鲜食品等 不易储存的高价值货物所占的比例也呈几何式增 长[1]。

海运冷藏集装箱作为技术性能先进的冷 藏运输工具，运价相对较低、运输质量较高，能实 现“国到国”直达运输，是药品、血液制品、保鲜食 品等冷冻冷藏货物的最佳运输方式。

但由于我国 对冷藏集装箱内部环境缺少有效监测，导致货物 损坏率(20h ~ 25%)远远高于发达国家（1% ~ 5h)，所以对在途冷藏箱内部环境的监测显得十 分重要。

目前，对于集装箱实时监测的研究有近十年 时间，取得了一定的研究成果。

如边童[2]利用 ZigBee技术实现集中控制器对压缩机、风机和加器的 制，内的 ，性较强，适用于港口堆场等区域。

许世博等[3]针对远洋烟花爆竹运输事故频发的现象，提出了一 种基于ZigBee的自动监测系统。

汪小愉等[4]提 出一种基于NRF905无线通信芯片的温湿度监测系统，与ZigBee模块相比，该装置传输速率较低，无法满足实时监测的要求。

路建永[5]针对货物 贮运环境设计了一种基于ZigBee的监测装置，详细分析了相关硬件的设计思路，与海运集装箱监DOI：10.3963/j.i s s n.2095-3852.2018.04.007测的应用环境有一定差异。

马帅等[6]提出了一 种基于 ZigBee技术集装 监系的 ，明确了 ZigBee网络各部分的功能。

ZigBee技术是一种基于IEEE802.15.4的近 距离、低复杂度、低功耗、大容量、可靠、延时短的 双向无线通信技术[7]，可工作在2.4G H f全球流 行）、868M H z(欧洲流行）和915M H z(美国流行）3个频段上，分别具有最快250kSit/s、20kbit/s 和40kbit/s的传输速率[8]，能在数千个微小的传感器之间相互协调并实现通信，可较好地满足冷 集装 时监系的技术需求。

同时ZigBee网络具有自适应组网功能，能 够满足冷藏箱在途中需要中转或临时装卸时自动 加入所在船舶的无线网络，保证无线网络的连续性&能够有效解决冷藏集装箱船在深船舱、高堆叠、高屏蔽环境下的无线自动组网及数据传输过程中 的信号屏蔽问题。

因此，应用ZigBee技术对海运 集装 时监系是 的。

1系统总体设计对冷藏箱监测的需求可概括为:①能准确检测冷藏箱内部温度场和部分气体浓度信息;②能 在短时间内不断发送实时温湿度、气体浓度等数据至船载监测系统;③能在采集的信息中自动选收稿日期=2018-02-06.作者简介:辜勇（1975-),男，湖南湘乡人，武汉理工大学物流工程学院副教授，博士，主要研究方向为物流系统分析优化与规划仿真.基金项目：国家自然科学基金面上项目（71672137)&国家自然科学基金青年项目（71501152).第40卷第4期辜勇，等%基于Z ig B e e技术的海运冷藏集装箱实时监测系统设计397出异常数值，船上工作人员;④能一段时间内集装 、气体 等数据和变化 ，时传送 上的远程监测中心;⑤能同时满足货主、集装箱船公司、司等不同用户的监$基于ZigBee技术的海运 集装箱实时监测系统，数据采集与处理部分、远程数据通信部分和 监测中 ，有若 .传感器 的系统、Zig­Bee无线通信系统、具有异常报警功能的船载监系统和面 同终端 的远程监测系统等。

系统的总体框架如图1所。

内部装传感器，在集装箱船上安装 器、器等ZigBee!，适分布，尽证节点间平均通信距离最短，ZigBee网络;在集装船和岸上安装 通信 及数据计算机等。

海运 集装 时监测系 体流程为:① 系统通过分 监测技术采集 内部信息;②运 传感器数据融合技术对数据 处理，并通过ZigBee无线通技术将数据上传至船载监测系统;③船载监测系统对数据 集、压缩、判断等，若有异常数据则报异常数据来源;④船载监测系统通过海事 将信息和集装箱船信息等实时传递到岸上的远程监测系统，给同。

图1系统总体框架2系统模块设计2.1温湿度检测模块模块负责获取冷藏箱内部的温度 数据 数据的准确性。

传的方法是口和出风口 装一个传感器。

但于箱体太大，制冷设备的送风口与其对角线上的回风口 有一 ，有时4°c，采用单方法不能准确真实地反映集装内'9(。

要 分，20为例给出一种多传感器布置方[10]，如图$所。

证制冷系 ：、压缩机与风口方位 且箱内装满货物的前，后截面的左上 与 、中间截面的 ，共D传感器放置。

图2传感器放置点要 的是，在货物数量与箱体结构变化的，该结具有普遍性，需要新实置方案。

同时，针对气体浓等其他信息的监置方案，要通过相。

2.2船载监测模块船载监模块主要 船上工 人员监测、故障报修等工作。

船载监测系 程如图3所。

数据处理计算机接 自主 的数据 ，分将包中的信息和采集数据 同的数组中;然后将采集数据 列表和绘图;若发现异常数据，则报，弹出具体的位置、箱号等;若异常数据，则对数据新，实现动态监测。

(开始)★|界面初始化及参数设t|接收并拆解数据包^|获取节点信息| |采集传感器数据|I I|计算机进行数据处理|报警提示态刷新数据|~~t~~(结束)图3船载监测系统流程船载监测模块面向的 是船上工作人员，考虑到 ，其基本功能 如下：398武汉理工大学学报(信息与管理工程版)2018年8月(1) 冷藏箱识别：通过不同节点与货物的对 应关系，冷减箱在连入系统后，系统可以通过节点 信息获得对应冷藏箱的种类、位置、箱号、连入离 开时间等信息。

(2)实时监测：能够实时监测到冷藏箱各传感器的温湿度数据及其变化曲线。

(3"报警提示:若冷藏箱某一个传感器温度 值不在阈值内，则系统发出报警声，并弹出报警窗 口显示对应箱号、位置等。

(4"信息查询及报表生成:在数据处理计算 机中，可根据时间或箱号等信息，查询具体某个冷 藏箱的状态信息并生成报表。

(="数据备份:结束一次运载后将冷藏箱的 温湿度、时间、承载货物等信息备份到硬盘，以便 日后核查。

2.3远程监测模块远程数据通信采用北斗卫星通信技术，实现 远程监测中心与船载监测中心之间的数据传输。

该技术具有双向通信、卫星定位和授时等功能，完 全能够满足监测信息的传递需求[11]。

通过北斗 卫星通信系统，数据信息以特定的发送频率传送 至地面站，再通过Internet 传输至各类终端设备。

由于集装箱船与冷藏箱之间的动态结合关 系，为万便货主对分布在不同集装箱船上的多个 冷藏箱进行集中查询，远程监测中心需要管理对 接多个船载监测中心。

另外，针对岸上用户的实 际需求，在传输冷藏箱实时状态数据的同时，将船 名、航次、位置、预计到港时间等信息一并上传至 远程监 中 。

远程监测系统采用B/S ( Browser /Server )体 系结构。

远端用户通过客户端或浏览器均可以实 现动态数据或图表的浏览、提取、下载等操作。

与 船上工作人员不同的是，岸上用户还要关注集装 箱船与冷藏箱的整体状态，如集装箱船位置信息、 冷藏箱状态等，而不仅仅是传感器的实时温湿度 数据。

因此在设计远程监测系统时，需要针对不 同用户提供更加符合其实际需求的信息。

远程监 测系统功能如图4所示。

[远程监测中心1图4远程监测系统模块(1"船公司（船代"：需要所属全部集装箱船的航次、位置、货物等—息来完成历史记录、资料等工 。

(2)货主（货代"：需要运单内所有承载集箱船的航次、位置、到港时间及货物所在冷藏箱的 整体状态信息等。

(3) 保险公司：需要保险责任范围内的货所在冷藏箱的整体状态以评估货物状态，进而明 确理赔情况等。

3系统数据处理数据信息的处理是整个监测系统中最重要的部分，前端数据采集的准确性和可靠性直接影响 后端的监测结果显示。

在当前研究中，监测设备 在进行数据采集时，通常仅通过单一传感器完成， 即使采用多个传感器或者多种类型传感器，也只 是分开孤立地反映某一点的信息。

同时，由于箱 内环境复杂多变，通信容易受到干扰，节点失效的 可能性很高;且传感器所处方位不同、传感器自身 质量差异及实际环境中一些无法控制的随机因 素，难以避免出现较大误差，使各传感器的测量数 据不能完全反映箱内的真实情况。

因此需要引入 一种新的数据处理方式来降低误差，实现该过程 的有效性和准确性。

研究发现，通过建立基于自 适应加权算法和B P 神经网络的二级数据融合， 可以明显降低误差对监测结果的影响，提高数据 的 准 性和 性。

3.1二级数据融合模型将多传感器数据融合技术引入到冷藏集装箱 实时监测系统中，建立二级数据融合模型，实现对 传感器数据的综合处理，具体如图=所示，可看出 第一级是局部融合中心，应用自适应加权融合算 法完成像素级融合，主要是把来自多个传感器的 多源数据融合，排除单个传感器测量结果的不准 确性和局限性，得出对各个传感器数据的一致性 描述。

最后汇总到全局融合中心，即决策性融合， 采用B P 神经网络算法对同源融合后的结果进行 融合，从而提高了冷藏箱监测数据的准确性和可 靠性。

数据融合过程可以辅助人们进行态势/环 境判定、规划、探测、验证、诊断，以提高状态监测和故障诊断的准确性和可靠性[12]。

3.2融合算法分析以各传感器某一时刻的测量值为前提条件， 运算得到总均方误差最小的测量值，且总均方误 差小于单个传感器的均方误差，可以在一定程度息信船集1报表生成到港时间 _L _位置信息丄基本信息报表生成信藏冷故障信息位置信息 监测信息基本信息第40卷第4期辜勇，等%基于Z ig B e e技术的海运冷藏集装箱实时监测系统设计399图5多传感器数据融合模型上提高数据的精度。