基于ZigBee技术的海运烟花爆竹集装箱自动监测系统
基于ZigBee技术的海运烟花爆竹集装箱自动监测系统
作者：许世博 邓延洁 李继春 李清洲
观看烟花爆竹至少距离来源：《集装箱化》2012年第01期
        我国是烟花爆竹生产大国，2009年的产值约260亿元人民币，产量约占全球总产量的90%。据不完全统计，目前我国有烟花爆竹生产企业多家，超过2/3的企业集中在湘赣交界处的浏阳、醴陵、上栗、万载等4个县市，从业人员超过200万人。我国的烟花爆竹出口量位居世界第一。2009年，约6万TEU的烟花爆竹出口到全球160多个国家和地区，创汇约40亿美元。根据我国烟花爆竹产业的发展趋势及其外贸需求情况，未来烟花爆竹出口仍将保持增长态势。
        目前，烟花爆竹大部分采用集装箱运输。据预测，2015年和2020年我国烟花爆竹出口量将分别达到7万TEU和9万TEU，并且几乎全部通过港口装船出口，其中，小部分通过海港直接出口，大部分通过内河港口装船后转运至海港外运或直接出口。本文通过研究烟花爆竹集装箱的相关事故，分析监测烟花爆竹集装箱的难点，结合ZigBee技术的特点，提出海运烟花爆竹集装箱自动监测系统。
        1 海运烟花爆竹集装箱事故及其监测难点
        1.1 烟花爆竹集装箱事故时有发生
        烟花爆竹属于危险货物，当受到撞击、振动、摩擦或接触高温、火源时，有发生爆炸的危险。在港口进行烟花爆竹装卸、储存、运输、拆装箱等作业的过程中，一旦发生爆炸事故，往往会造成大量人员伤亡和财产损失。例如：2006年5月17日，位于湘江下游主航道右侧的长沙港霞凝新港区码头发生烟花爆竹集装箱爆炸事故，造成7人轻伤，财产损失严重；2006年3月22日，现代商船的1艘集装箱船在也门亚丁湾海面发生爆燃事故（见图1），造成船舶沉没，所幸27名船员全部获救；2008年2月14日，佛山港三水港区烟花爆竹仓库发生重大爆炸火灾事故，随后三水港区停止烟花爆竹集装箱作业，而此前该港区是我国烟花爆竹集装箱的主要出口港之一；2008年3月13日，广州港黄埔港区发生瞒报烟花爆竹集装箱爆炸事故，3月24日，广州市政府要求港口行业退出烟花爆竹运输市场，广州港随即停止烟花爆竹集装箱装卸作业。
       
        图1 现代商船事故现场
        鉴于烟花爆竹集装箱事故的危害性较大，港口企业及部分地方政府的港口行政管理部门、安全生产监管部门等纷纷采取相应措施对烟花爆竹集装箱的水路运输加以严格限制。目前，部分港口严禁烟花爆竹集装箱在港口停留，实行即装即运、即运即走的措施；部分港口规定烟花爆竹集装箱最多只能在港口停留；另有部分港口则不断收缩甚至停止相关业务。由此可见，有效监测手段的缺乏极大地限制和影响烟花爆竹集装箱运输，从而影响相关产业链的发展，无形中造成巨大经济损失。
        1.2 烟花爆竹集装箱事故监测难点[1]
        1.2.1 运输上的特殊性
        （1）烟花爆竹集装箱的封闭性。由于烟花爆竹封闭在集装箱内，预防措施无法直接实施至箱内货物，船方及监管人员无法直观掌握箱内烟花爆竹的实际情况，预警效果大打折扣。
        （2）装载环境复杂。如果烟花爆竹集装箱装载于甲板上，积载在甲板上的集装箱有时高达五六层，集装箱之间的空间较小，若烟花爆竹集装箱位于船体中部，将给监管工作带来
很大困难；如果烟花爆竹集装箱装载于大舱内，同时甲板上也装载有集装箱，由于难以定位，其监管难度更大。
        （3）烟花爆竹集装箱的监测、处置设施缺乏。目前，烟花爆竹集装箱基本无监控设施，这给及时发现事故征兆和开展自救带来挑战。
        鉴于此，需要对烟花爆竹集装箱内的温度、湿度、振动或烟雾等物理参数进行监测，当发现某个参数超出正常范围时，立刻报警，以便争取时间，采取有效措施防患于未然，将事故消灭在萌芽状态。
        1.2.2 技术上的挑战性
        （1）烟花爆竹集装箱在运输途中可能需要中转或临时装卸，这就要求船上烟花爆竹集装箱监测网络具有自适应组网的功能，使之在换装后自动加入所在船舶的无线网络，保证无线网络的连续性；
        （2）由于内河船舶的船舱较深，加之装载在船舶最底层的集装箱被上层箱体积压，现有无线传输技术（包括Wi-Fi，通用分组无线服务和第三代移动通信技术网络等）的信号均会
出现被阻挡或屏蔽的现象。
        针对监测数据的无线传输受限问题，采用ZigBee技术能够有效解决烟花爆竹集装箱在内河船舶深船舱、高堆叠、高屏蔽环境下的无线自动组网以及数据传输过程中的信号屏蔽问题。
        2 海运烟花爆竹集装箱自动监测系统
        2.1 自动监测系统的ZigBee技术基础
        ZigBee是新兴的短距离、低速率、低复杂度的无线网络技术。ZigBee基于美国电气和电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）制定的IEEE 802.15.4无线标准开发而成，具有省电、简单、低成本的优点。此外，ZigBee还具有以下技术优势：（1）网络容量大；（2）功耗低；（3）成本低，ZigBee协议免收专利费；（4）采用完全确认的数据传输机制；（5）具有数据完整性检查功能，采用碰撞避免机制，避免发送数据时的竞争和冲突；（6）工作频段及有效覆盖范围灵活；（7）网络的自动组织、自愈能力强，网络节点能感知其他节点的存在，然后确定链接关系，组成结构化的网络，并能增加、删除或移动节点，在部分节点发生故障时，网络仍能正常工作。[2-3]
        ZigBee网络主要包括设备类型、拓扑结构和路由方式等3方面的内容。ZigBee标准规定ZigBee网络节点分为汇聚节点、路由器节点和终端设备节点。ZigBee网络的拓扑结构分为星形拓扑、树形拓扑和网状拓扑等3种形式。
        （1）星形拓扑 如图2所示，星形拓扑包含1个汇聚节点和多个路由器节点，是最简单的拓扑形式。每个路由器节点只能与汇聚节点通信，路由器节点之间的通信必须通过汇聚节点进行转发。星形拓扑结构的缺点是节点之间的数据路由只有唯一路径，汇聚节点可能成为整个网络发展的瓶颈。
       
        图2 星形拓扑
        （2）树形拓扑 如图3所示，树形拓扑的汇聚节点可以连接路由器节点和终端设备节点，其子节点的终端设备节点也可以连接路由器节点和终端设备节点。在多个层级的树形拓扑中，信息具有唯一路由通道，直接通信只能在父节点与子节点之间进行，非父子关系的节点须间接通信。
       
        图3 树形拓扑
        （3）网状拓扑 如图4所示，网状拓扑具有灵活路由选择方式，当某个路由路径出现问题，信息可自动沿其他路由路径进行传输。任意两个节点可相互传输数据，网络会自动按照ZigBee协议算法，选择较好的路由路径作为数据传输通道，从而使得网络更稳定，通信更有效。为实现多个烟花爆竹集装箱状态信息的相互传输，海运烟花爆竹集装箱自动监测系统选择网状拓扑结构。
       
        图4 网状拓扑
        2.2 自动监测系统的总体框架
        海运烟花爆竹集装箱自动监测系统框架如图5所示。在烟花爆竹集装箱上安装基于ZigBee通信模块的自动监测设备终端，设备与设备之间通过自组网方式形成无线网络，相互
间可以通信；包围在集装箱中间的集装箱，其监测信号可以通过跳频的方式，将信息传递给与之相邻的节点；各个监测设备终端将烟花爆竹集装箱的状态信息发送至船舶的汇聚节点终端，汇聚节点终端与船舶监控台链接；在船舶监控台安装本地船舶监控软件，实现对烟花爆竹集装箱状态的实时监测，如发现情况异常，自动报警显示异常集装箱的位置，从而方便船员及时采取措施。在监测本地集装箱的同时，集装箱状态监测汇聚节点还可将采集到的集装箱状态以及基于全球定位系统的船舶位置信息，通过通用分组无线服务或者卫星通信的方式发送至远程信息监控中心，从而实现对船上烟花爆竹集装箱状态的远程自动监测。
       
       
        图5 海运烟花爆竹集装箱自动监测系统框架
        2.3 自动监测系统的硬件设计
        针对烟花爆竹集装箱的特点，需要对烟花爆竹集装箱内的温度、湿度、振动及烟雾等物理参数进行监测。如图6所示，监测终端的硬件系统由数据采集单元、数据处理单元和数据
传输单元组成。首先，微控制器将传感器模块采集到的集装箱状态信息存储在存储器中；然后，在ZigBee协议栈基础上将监测到的集装箱状态信息通过JN5148模块传送至状态监测汇聚节点进行处理；最后，通过通用分组无线服务或海事卫星将处理后的监测信息以及基于全球定位系统的船舶位置信息传送至远程监控中心。
       
        图6 监测终端硬件系统结构
        自动监测系统中传感器模块的硬件结构如图7所示。温度、湿度、加速度、光敏、烟雾等传感器通过8位模数转换器，将模拟信号转换为数字信号存储，并采用IEEE 1451.4 标准，定义通过模拟信号接口，向传感器加载自定义操作的机制，实现传感器设备的即插即用。这个混合模式的信号接口将传统的模拟传感器信号与低成本的串行数字结合，以实现对传感器内嵌的传感器电子数据表的访问。传感器电子数据表能以电子文档形式提供传感器电子数据，传感器可以借此在与其链接的数据采集系统中进行自我识别。
       
        图7 传感器模块的硬件结构
        2.4 远程监控平台的功能设计
        烟花爆竹集装箱远程监控平台的功能包括基于浏览器€柗 衿髂Ｊ降南低彻芾怼⑹ 萃ㄐ殴芾怼⒃谙咦刺 嗖夤芾怼⒗ 肥 莨芾怼⒈ň 芾硪约笆鹿视 狈从Φ取?
        （1）系统管理主要包括用户注册登录管理、本地数据库维护、船舶及烟花爆竹集装箱相关信息管理等。
        （2）数据通信管理主要包括通信参数设置以及通信服务器与各船舶终端之间的实时通信（启动、停止）。
        （3）在线状态监测管理主要包括烟花爆竹集装箱在地图上的位置显示，箱内的温度、湿度状态，箱门开关状态，集装箱振动及集装箱船航向的在线监测。在线监测的方式分为主动监测和被动监测：主动监测即设定硬件系统向监控后台发送监测信息的间隔时间；被动监测指由监控平台发出指令来主动查询集装箱的监测信息。
        （4）历史数据管理包括历史轨迹查询，开关箱门的历史记录，温度、湿度及振动等状态历史数据记录等。例如，在查询历史轨迹时，只需输入某个时间段，就可以在地图上标注出该集装箱在这个时间段的运动轨迹。
        （5）报警管理通过设定监控的阈值，在烟花爆竹集装箱运输路线改变或非法打开箱门时，以及集装箱内部的温度、湿度、振动等超过预设的阈值时，一旦产生烟雾，系统便会发出报警信号。报警方式主要采用短信报警和弹出网页报警两种方式。

版权声明：本站内容均来自互联网，仅供演示用，请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系QQ:729038198，我们将在24小时内删除。