基于ZigBee+TD-LTE技術的危險品運輸智能監測系統

摘 要：危險品運輸具有高風險性、偶然性、不易控制性等特點，為避免危險品運輸事故發生，應當對危險品運輸進行適當的監管。設計了一款基于ZigBee+TD-LTE技術的危險品運輸智能監測系統，整個系統由危險品實時運輸狀態感知設備、TD-LTE通信模塊、阿里云物聯網云平臺、WeChat小程序組成。實時運輸狀態感知設備采用CC2530模塊作為主控芯片，結合危險品運輸環境溫濕度監測模塊、危險品振動狀態監測模塊、危險品氣體泄漏監測模塊、危險品位置監測模塊等實現了對危險品運輸信息的全面采集。通過TD-LTE模塊將危險品運輸信息數據實時傳輸至云平臺，借助微信小程序方便管理人員對危險品實時運輸狀態進行遠程監測。相比傳統的監管方式，本系統實現了危險品運輸信息現場實時采集和遠程可靠監測，有利于提高危險品運輸的安全性，保護從業人員生命財產安全和生態環境，具有較高的實際應用價值。

關鍵詞：危險品運輸；ZigBee；傳感器；TD-LTE；阿里云平臺；MQTT協議

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）06-00-04

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2025.06.009

0 引 言

根據我國交通運輸部規定，危險品即危險貨物，是指具有爆炸、易燃、毒害、感染、腐蝕等危險特性，在生產、經營、運輸、儲存、使用和處置過程中，容易造成人身傷亡、財產損毀或者環境污染而需要特別防護的物質和物品[1]。近年來，隨著我國經濟飛速發展，危險品的運輸量逐年提升，從事危險品運輸的相關企業和人員也逐年增加。據有關資料顯示，2020年，危險品物流運輸量達到17.4億噸，其中大約有30%的危險品是通過車輛運輸，而近年來國內外發生的危險品事故中，77%發生在運輸階段。因此有必要設計一套能夠監測危險品運輸實時狀態的智能系統，對危險品運輸過程進行有效監管，降低危險品運輸事故率。

隨著互聯網及通信技術的發展，國內外對危險品運輸監測系統進行了一些研究。美國、歐盟等國家和地區在20世紀末通過開發危險品檢測傳感器及其報警系統，實現了對危險品運輸和存儲的監控[2-3]，進入21世紀后，各國又推出基于GPS系統的危險品運輸智能監控系統[4]。近幾年，隨著我國通信技術、北斗定位技術、GIS技術等技術不斷發展，危險品運輸的監控系統有了新的發展，各高校與企業開始研究利用GIS技術、定位技術等對車輛進行監控，利用感知技術和Web技術對危險品進行監控的相關技術[5]。隨著大數據、物聯網、云平臺等技術的發展，危險品運輸智能監控系統可以獲得進一步的改進優化[6]。本系統基于物聯網技術和云平臺技術構建了一個集感知層、網絡層、應用層于一體的危險品運輸智能監控系統，憑借TD-LTE傳輸快、信號強的特點，實時將信息采集器采集到的危險品信息存入物聯網云平臺當中，管理人員利用微信小程序對危險品進行監管。

1 系統整體框架

所設計的基于ZigBee+TD-LTE的危險品運輸智能監測系統結構如圖1所示，主要包括三大部分，即設備終端、物聯網云平臺和微信小程序。設備終端是危險品運輸智能監測系統的核心部分，包括ZigBee數據采集處理模塊、溫濕度監測模塊、氣體泄漏監測模塊、車輛振動監測模塊、GPS+北斗定位模塊、TD-LTE通信模塊等，其主要作用是實時收集、記錄危險品運輸狀態信息，通過TD-LTE通信單元將數據實時上傳物聯網云平臺，并通過設定相關參數閾值，實現對危險品實時運輸狀態的報警功能。物聯網云平臺接收并保存設備終端上傳的感知數據，WeChat用戶應用端通過MQTT協議訂閱云平臺的危險品運輸狀態信息，實時監測危險品運輸狀態。WeChat小程序可以實現危險品數據的顯示和存儲、歷史數據追溯及預測，并在車輛運輸過程中，結合危險品實時運輸狀態信息繪制危險品狀態走勢圖，統計危險品各特性的平均值、最大值、最小值、方差等統計量，為管理人員提供可靠的數據分析，實現對危險品的有效監管。

2 ZigBee感知模塊設計

綜合考慮危險品運輸的特殊性，所設計設備硬件終端主要包括ZigBee數據采集處理模塊、環境溫濕度監測模塊、氣體泄漏監測模塊、車輛振動監測模塊、GPS+北斗定位模塊及TD-LTE通信模塊等。其中ZigBee數據采集處理模塊通過所連接的環境溫濕度監測模塊、氣體泄漏監測模塊和車輛振動監測模塊對危險品運輸狀態進行數據采集，ZigBee感知節點采集處理后將數據無線傳輸至匯聚節點，由匯聚節點將感知數據通過TD-LTE通信模塊上傳至云平臺進行儲存、顯示等，GPS+北斗定位模塊直接與TD-LTE模塊相連接上傳危險品的實時位置。

2.1 ZigBee數據采集處理模塊

ZigBee數據采集處理模塊采用CC2530作為本系統硬件端的射頻通信模塊，其使用的8051 CPU內核是一個單周期的8051兼容內核，具有三個不同的存儲器訪問總線（SFR、DATA和CODE/XDATA），以及周期訪問的SFR、DATA和主SRAM[7-8]。基于CC2530的ZigBee模塊具備開發工具完整、經濟成本較低、投入成本較低以及能進行高性能計算和控制等優點[9-10]，其設計有21個數字輸入/輸出引腳，可以配置為通用數字I/O或外設I/O信號，連接到ADC、定時器或USART外設，為連接足夠多的外接設備提供了基礎。ZigBee憑借時延短、自組網、容量大的優勢，實現了無線實時傳輸數據、網絡重組與通信、收集存儲危險品信息等功能，能夠有效防止出現某個節點設備發生故障而導致整個系統崩潰的現象。ZigBee數據采集處理模塊框架如圖2所示，該模塊是整個硬件終端的核心，其中協調器節點除了可采集感知設備發送的感知數據外，還可以通過串口將數據傳輸給TD-LTE模塊，由TD-LTE模塊將數據上傳至阿里云物聯網平臺。

2.2 溫濕度檢測模塊

溫濕度的測量可以分為兩類，一類是通過溫濕度傳感器直接進行測量與采集，另一類通過主控芯片外圍電路接口采集溫濕度。危險品的溫濕度檢測應具備高精度、低延時、穩定性高等特點，本模塊設計使用溫濕度傳感器直接對危險品進行測量。在眾多溫濕度傳感器中，DHT11溫濕度傳感器憑借低價格高性能的特點脫穎而出。DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器[11]，包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接，共有3個引腳，分別為VDD、GND、DATA，供電電壓為3.3 V，硬件端中DATA引腳連接MCU P0_7端口。用戶MCU發送一次開始信號后，DHT11從低功耗模式轉換到高速模式，等待主機開始信號結束后，DHT11發送響應信號，發送40 bit的數據，并觸發一次采集信號。

2.3 氣體泄漏檢測模塊

針對危險品運輸過程中可能泄漏的液化氣、丁烷、甲烷、氫氣、丙烷等危險氣體，采用MQ-2氣體感知設備對危險品是否發生泄漏進行檢測。MQ-2傳感器采用二氧化錫半導體氣敏材料作為敏感元件，對上述危險氣體十分敏感，其工作原理是，當危險氣體體積分數未超過閾值時，模擬接口A0的電壓基本為0 V；當危險氣體體積分數超過閾值時，模擬接口A0輸出的電壓會隨著氣體體積分數的增加而增大。MQ-2傳感器共有四種引腳，即A0、D0、GND、VCC，其中A0接CC2530的P0_6端口，VCC供電電壓為5 V，GND接地。

2.4 車輛振動傳感模塊

采用磁吸式振動傳感器RS-WZ3-N01-1-CX監測危險品運輸過程中的實時振動情況，其使用高性能MEMS芯片，具有測量精度高、抗干擾能力強、可測量X、Y、Z三軸振動速度和振動位移數據等優點。其中，振動速度顯示分辨率達0.1 mm/s，加速度顯示分辨率達0.1 mm/s2，能夠高精度地返回車輛運行速度及顛簸情況。傳感器采用磁吸的方式直接安裝于運輸車輛底盤上方，采用485串口將振動感知數據傳輸至ZigBee協調器模塊，并通過協調器連接4G-LTE通信模塊實現數據上傳。

2.5 采集設備整體布局

ZigBee采集終端硬件設備布置示意圖如圖3所示，采用了兩個ZigBee數據采集節點和一個ZigBee協調器節點，其中，ZigBee數據采集節點主要負責安裝位置的溫濕度和氣體體積分數感知數據的采集和處理，并將感知數據無線傳輸給協調器節點，協調器節點除了采集溫濕度和氣體體積分數數據外，還采集了運輸過程中的車輛實時振動情況，同時還負責匯聚采集節點1和2的感知數據，并通過串口與TD-LTE通信模塊連接，將所有感知數據上傳至阿里云平臺。北斗+GPS模塊直接連接TD-LTE通信模塊，實時上傳危險品位置信息。

3 通信模塊

應用層與感知層的通信連接如圖4所示。網絡層通信模塊分為兩部分：一部分利用TD-LTE通信技術實現了ZigBee感知模塊與物聯網云平臺之間的通信；另一部分則通過MQTT協議實現了物聯網云平臺與微信小程序之間的通信。

3.1 TD-LTE通信模塊

TD-LTE通信模塊采用EC600S-CN無線通信模組，這是一款由我國自主研發的移動通信系統，支持MQTT通信協議，具有設備成本較低、設備開發簡單、信號強、時延短等優點。ZigBee協調器節點通過USART接口與EC600S-CN相連，借助CC2350主控芯片，利用設備端阿里云三元組信息（Product-Key、Device-Name、Device-Secret）實現了ZigBee感知數據設備終端與阿里云物聯網云平臺間的通信[12]。

3.2 微信通信模塊

微信與物聯網平臺之間采用MQTT協議進行數據通信。MQTT協議是一種基于客戶端-服務器的傳輸協議[13]，采用訂閱、發布機制，訂閱者只能接收所訂閱的數據，以極少的代碼和有限的帶寬實現了實時可靠的數據通信。利用微信開發者工具開發微信小程序時，引入MQTT協議文件，并在主函數引入微信端阿里云三元組信息和訂閱發布路徑（pub-Topic、sub-Topic），實現了物聯網云平臺與微信小程序的通信。

4 系統軟件設計

系統軟件設計包括危險品運輸信息采集軟件設計和用戶終端軟件設計兩部分。

4.1 數據采集軟件設計

采用IAR Embedded Workbench for 8051開發環境對CC2530的控制邏輯進行了開發，借助SmartRF4EB驅動程序、Setup_SmartRF_Programmer代碼燒寫工具與Z-Stack-CC2530協議棧完成對CC2530的程序開發[14]。

數據采集軟件設計包括DHT11溫濕度傳感數據采集、MQ-2氣體傳感數據采集、振動傳感數據采集，并設定各參數預警閾值，感知設備運行流程如圖5所示。

4.2 用戶終端軟件設計

用戶終端負責采用微信小程序實現人機交互，包括顯示功能、查詢功能、存儲功能等。微信小程序基于微信開發者工具與UniAPP開發設計[15]，根據MQTT協議訂閱獲得物聯網云平臺的危險品運輸狀態信息數據，以如圖6所示的流程實現微信訂閱云平臺消息。

由于數據格式要求不同，微信小程序無法直接顯示獲得的數據，通過JSON格式解析才能獲得可供顯示的數據，將微信小程序與終端相連。物聯網云平臺及微信客戶端界面如圖7所示。

5 結 語

針對物流、化工、交通等行業涉及危險品運輸監測不到位的問題，設計了基于物聯網技術的危險品運輸智能監測系統，該系統涉及物聯網技術、TD-LTE通信技術、傳感器技術、嵌入式技術、云平臺技術以及計算機技術，包括設備終端、阿里云物聯網云平臺、WeChat小程序，實現了對車輛載體所承運的危險品實時數據的采集、收錄、監測與管理，能夠起到降低事故風險、提高管理效率的作用，對危險品運輸行業具有較高的實際應用價值。

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作者簡介：李興濤（2003—），男，就讀于東北林業大學土木與交通學院，研究方向為物流工程。

張若宛（2004—），女，就讀于東北林業大學土木與交通學院，研究方向為物流工程。

寇家華（2000—），男，東北林業大學土木與交通學院在讀碩士研究生，研究方向為智慧物流。

郭成波（1987—），男，東北林業大學土木與交通學院講師，研究方向為物聯網技術。

收稿日期：2024-04-26 修回日期：2024-05-30

基金項目：黑龍江省大學生創新創業訓練計劃項目（S20231022 5243）；黑龍江省高等教育學會高等教育研究課題項目（23GJYBF003）