基于BDS 的海上運輸監控系統設計

曹宇，劉昕，趙永旗，宋育澤，唐小波，張馨予

(1.上海海洋大學 工程學院,上海 201306；2.上海海洋可再生能源工程技術研究中心,上海 201306；3.中油管道物資裝備有限公司,河北 廊坊 065000)

0 引言

隨著全球經濟一體化的不斷推進，海上運輸以其低成本、高運量的優勢已成為推動物流發展的重要組成部分.目前海上運輸的信息化程度不斷增強，科技水平將成為航運企業之間競爭的關鍵因素[1-2].海上運輸具有運輸距離長、時間久、環境惡劣等特性，從而對貨物的運輸安全提出了挑戰.例如企業從國外進口的高精尖零件、儀器和設備，在運輸過程中可能受到碰撞、進水、爆炸、擱淺等不確定因素而發生損壞[3]，企業成本隨之增加，但由于海上信號匱乏，基站較少，無通信網絡，客戶無法及時獲得貨物運輸信息，貨物損壞也無法追根溯源.亟需研發具有實時監測、導航定位及通訊功能的海上運輸貨物通訊監控系統，以減少貨損成本，提高運輸管理效率.因此，為保證貴重和精密貨物的運輸安全，實現運輸過程的透明化和信息化溝通，本文結合物聯網技術[4-6]設計了一種基于北斗衛星導航系統(BDS)的海上運輸監控系統，使用BDS 的定位導航和獨有的通信數據傳輸功能使用戶(包括供應商、第三方物流和客戶等)對貨物的運輸位置和狀態實時可查，以實現導航、定位、跟蹤、監管等功能.

1 系統設計

1.1 系統結構

監控系統由監測終端、用戶終端、云計算平臺和BDS 組成.整個監控系統在工作過程中按功能分為感知層、網絡層及應用層三層，系統體系架構如圖1所示.感知層主要包括傳感器、北斗無線通信模塊和短距離無線雙向通信物聯網技術ZigBee[7-8]，傳感器模塊負責數據的采集，檢測數據通過轉換傳至北斗模塊；網絡層主要是通過BDS 集成工作模式通過衛星通信將感知層采集的數據加密處理后進行遠程傳輸至地面站，由地面站解碼后傳輸至應用層云計算平臺；應用層主要應用云計算平臺接收、整合感知層傳輸數據，結果可在用戶終端可視化展示，以實現對于運輸路線定位和貨物狀況的實時監測.

圖1 系統體系架構圖

1.2 系統硬件設計

監測終端結構如圖2 所示，是由數據采集模塊、北斗模塊、供電模塊三部分組成.數據采集模塊由不同類型的傳感器、ZigBee 短距離無線傳輸協議的節點組件、無線傳感器網絡節點及下位機構成，多種傳感器用來檢測箱內狀況以采集環境數據，環境參數以ZigBee 匯聚到下位機，下位機是實現數據整合的核心，由處理器、存儲器等構成；北斗模塊接收輸出數據采用RS232 串口實現短報文通信和定位功能；供電模塊為傳感器、上位機和北斗模塊提供電源以維持終端的正常運行.本監測系統根據海上運輸特點設置了以下傳感器類型，可以滿足不同貨物的運輸需求，如加速度傳感器用于測量貨物由于慣性力而產生加速度變化[9]；溫度傳感器用于監測環境溫度和系統溫度變化；濕度傳感器用于測量環境濕度，貨物進水等現象可及時獲知；鹽度傳感器用于監測環境鹽度變化，可及時監測有無海水灌入現象；多位點位移傳感器用于監測貨物的位置變化；壓力傳感器用于感測貨物壓力變化.在運輸過程中通過不同的傳感器監測，可以在貨物偏離標準范圍的情況下，通過BDS 通信功能將突發情況傳輸到用戶端.

圖2 系統硬件結構圖

海上運輸主要采用集裝箱方式，本設計將監測終端安裝在運輸集裝箱內，通過物聯網技術以及北斗模塊來實現監測和信息傳輸.圖3 為監測終端在集裝箱中的總體布局，將數據監測模塊、北斗模塊和供電模塊以機柜形式集成安裝在集裝箱一側，系統原理如圖4 所示.其中選用具備優質射頻性能的ZigBee 芯片CC2530 作為系統的處理器，CC2530 具有成本低廉和低功耗的優良特性，它集成了IEEE802.15.4RF收發器以及8051 微控制器，并且可根據需求選用容量分別為32/64/128/256 kB 的CC2530 芯片；通用異步收發器(UART)集成于微處理器中通過RS232 與BDS 模塊的RXD0 和TXD0 輸入輸出接口雙向通信，波特率為115 200 bit/s；同時配置UART、RS232和RS485 等多種通信方式，可根據需求與不同類型的傳感器連接.

圖3 監測終端總體布置圖

圖4 系統原理圖

2 基于BDS 的定位監測通信方案設計

BDS 是由我國自行研制、獨立運行的全球衛星導航系統(GNSS)，其先進性與安全性對于國家發展具有重大意義[10].BDS 獨有的衛星無線電導航業務(RNSS)和衛星無線電定位業務(RDSS)，具有短報文通信功能[11-13].隨著北斗三號衛星導航系統(BDS-3)的第55 顆衛星成功發射，2020 年7 月31 日BDS-3實現了正式開通，北斗短報文通信功能得到了進一步的提升，區域短報文通信服務的單次通信長度增加到1 000 個漢字(14 000 bit)，全球短報文通信服務單次通信能力提升到40 個漢字(560 bit)[14-16].

在海上貨物運輸過程中，由于通信網絡未實現全覆蓋，系統獲得的監測數據遠程傳輸困難，通過北斗短報文通信功能可以解決運輸信息獲取問題，實現在線自主監測.基于北斗RDSS 的遠程監測通信方案如圖5 所示.

圖5 遠程監測通信方案示意圖

將集裝箱內置的傳感器采集數據匯聚到上位機，基于北斗RDSS 模塊將加密后的報文信息由BDS 傳輸至地面站，地面站接收報文信息并將解碼后的原始數據傳輸到云計算平臺，處理完成后通過RS232 串口轉USB 通訊串口發送至用戶端；同時，用戶可以給予控制反饋，進行報文回執，實現雙向通信；用戶端可實時查看貨物運輸軌跡和健康狀態，歷史數據可進行存儲及查詢.

3 系統通信協議設計

通訊協議的性能參數如表1～2 所示，在不超過通信容量的同時確保通訊質量，使得用戶端可以接收到完整的數據，根據使用需求滿足不低于2 min/次的數據傳輸頻率即可.本通信系統選用民用通信標準，波特率設計為115 200 bit/s，通過ASCII 碼完成信息傳遞，短報文通信的傳輸延遲為1～5 s.目前，民用通信設備可實現的最高更新率為60 s，滿足通信協議設計要求，對本系統的應用效果沒有影響.BDS 數據傳輸協議設計如表3 所示，在每組的傳輸數據中包含北斗監測系統的ID，從而使用戶端可以確定信息的來源，并且全球短報文通信服務能力最大為560 bit，本系統的最大傳輸數據為255 bit，在允許通信的容量范圍內還有多余的擴展空間，可按照需求增加其他環境參數；BDS 可提供雙向通信功能，用戶端接收到數據后向云計算平臺反饋已接收指令，若云計算平臺沒有獲得反饋信息，北斗監測系統再次發送共循環5 次.

表1 北斗RDSS 模塊性能參數表

表2 北斗RNSS 模塊性能參數表

表3 BDS 數據傳輸協議

4 多相流量計海上運輸案例

4.1 案例介紹

本案例為中國D 公司從加拿大購買的多相流量計(MPFM)，該撬塊配有流量計算機和儀表，MPFM造價昂貴、制造精密，組裝復雜且易損壞，其進口采購運輸現場如圖6 所示.這批MPFM 及其分流器在加拿大生產和包裝，通過集裝箱進行運輸，經過公路運輸、遠洋運輸和鐵路運輸三種運輸方式，最終到達客戶方，其運輸路線如圖7 所示.

圖6 MFPM 的采購運輸現場

圖7 貨物運輸路線圖

但由于復雜的運輸環境，MPFM 的單能伽馬傳感器和文丘里流量計受損，整套無法使用，造成了重大的經濟損失.由于損壞時間、地點、原因都無法溯源，缺少佐證導致客戶索賠困難，同時供應商企業和第三方物流互相推卸責任，責任方難以界定，也因證據不足賠償數額無法裁量.基于以上案例，本文設計了一種基于BDS 的海上運輸監控系統，以解決在海外采購運輸中遇到的此類問題.該系統仍處于設計階段，目前還未應用在實際的運輸中.

以下為相關設計的選型介紹.此案例對于運輸環境要求較高，需要保證可監測運輸溫度約在-10 ℃～+50 ℃；相對濕度(RH) 0%～50%，精度不超過±10% RH；加速度精度不超過±5 mg；檢測鹽度范圍至少為0.1%～20%；海上運輸時間較長，對于供電性能要求較高，電池容量不小于10 Ah.因此，為滿足此運輸條件選用的主要傳感器類型、北斗模塊和供電模塊如下：

1)傳感器類型

主要選用的加速度傳感器、鹽度傳感器及溫濕度傳感器如圖8～9 所示.

圖8 三軸加速度傳感器、鹽度傳感器

圖9 LH-TH20 溫濕度傳感器模塊

三軸加速度傳感器模塊選用型號ACC385，重量輕、體積小，具有優異的偏差穩定性和高環境適應性(沖擊和溫度)且易于安裝；加速度和鹽度傳感器具體參數如表4 所示.

表4 加速度傳感器和鹽度傳感器參數

溫濕度傳感器模塊選用型號為LH-TH20，傳感器內輸入電源、感應探頭和信號輸出三部分完全隔離，安全可靠，具體參數如表5 所示.

表5 溫度和濕度傳感器參數

2)北斗模塊

選用GNM2A12 型北斗模塊，如圖10 所示.

圖10 GNM2A12 型BDS 模塊

GNM2A12 型是一種支持北斗RDSS/RNSS 雙功能的北斗模塊，可實現RDSS 通信功能和RNSS 導航定位等功能，體積較小，模塊集成度高、功耗低，可兼容不同接口，使用方便，具體參數如表6 所示.

表6 GNM2A12 型BDS 模塊參數表

3)供電模塊

北斗監測終端的供電裝置選用三元鋰電池，如圖11 所示.

圖11 三元鋰電池

三元鋰電池安全性能高，可在無鋰電保護板下使用；三元鋰電池容量20 Ah，續航能力強，可以適應長時間的通訊，適用于監測系統；鋰電池荷電保持能力強，允許工作的溫度范圍寬，可以在-35 ℃～+75 ℃工作，適用于地域跨度大的長距離運輸；鋰電池綠色環保，不含鎘、鉛、汞這類有害物質；同時，它體積小、重量輕，易于攜帶和安裝.

將本系統加裝于運輸集裝箱中，發生碰撞、觸礁和擱淺等能通過軟件得到加速度的變化，發生進水、爆炸等會有溫濕度和壓力的變化，參數的變化曲線都可由客戶端軟件查看.發生運輸事故時，通過本系統提供的數據，上位機可發出運輸異常提醒，同時顯示和存儲貨物發生異常的時間和地理坐標，以便用于后續事故成因的分析與追溯.

4.2 系統的應用

通過使用Visual Studio Code+QT Designer 編寫程序，創建終端APP 客戶端軟件，由云計算平臺處理過的數據傳輸到軟件中，系統客戶端登陸界面如圖12所示.通過軟件，用戶可以完整的看到貨物的運輸位置(BDS 定位)和貨物狀態如加速度、溫度、濕度、鹽度等變化曲線.本系統也可根據客戶需求定制其他功能傳感器，同時軟件中還保存有歷史數據供用戶隨時調用和查看.系統可實現對運輸貨物狀態實時監控的功能，若云計算平臺分析的傳輸回的疑似為異常數據，將及時把情況推送給用戶.本文對于數據采集模塊進行了一定的測試，測試中使得加速度發生一定的變化，可通過APP 客戶端軟件查看加速度曲線變化，數據可視化界面如圖13 所示.

圖12 系統客戶端登陸界面

圖13 數據可視化界面

5 結束語

本文基于BDS 設計了一種海上運輸監控系統，將BDS 應用在物流運輸領域中，極大地保障了易損貴重貨物的運輸安全.在初始的監測階段，基于物聯網技術，通過多種傳感器和ZigBee 無線通信實現運輸環境的數據采集和傳輸，最后通過云計算平臺的處理呈現出可視化曲線；基于BDS 獨有的通信數傳功能，用戶可以使用由Visual Studio Code+QT Designer設計的客戶端軟件隨時查詢運輸導航定位和貨物狀態，并作出控制反饋.在海上運輸中使用這一監控系統，若物流作業發生事故時，能實時獲取運輸信息和貨物狀態，以便取證.這無論是對供應商、第三方物流還是客戶，都極大的保障了每一方的利益.