马　帅，　杨柳涛

(上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室，上海 200135)

基于ZigBee技术的集装箱自动监测系统

马帅，杨柳涛

(上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室，上海 200135)

摘要:在经济全球化的浪潮中，集装箱运输凭借其快速、安全、成本低的优势，在全球货运中起着至关重要的作用。同时，对集装箱信息采集的自动化、智能化的相对落后，阻碍了集装箱运输业的进一步发展。ZigBee是近些年兴起的一种低功耗、低复杂度、低成本、短距离、易于嵌入的无线网络技术,通过分析ZigBee技术和集装箱运输的特点，提出一种基于ZigBee技术的集装箱自动监测系统。

关键词:ZigBee技术；物联网；集装箱自动监测系统

0引言

集装箱运输是运输大宗货物最为理想的方式，其标准化程度高、运输安全、装载密度大、包装不易破损、环境适应力强、堆垛规范且运输成本低，是现代化运输的重要形式，备受商家和客户的青睐。目前,全球货物的流转大部分需要靠集装箱来完成。

近年来，我国各大港口的集装箱吞吐量连创新高，集装箱载运具有燃烧、腐蚀、有毒、爆炸、放射性等危险特性物品的频率和数量也在逐年增加。此外,集装箱的运输过程较为复杂，从出发地到达目的地，一般要经过公路、铁路和海路的接力运输才能完成，持续时间较长;在此期间，集装箱还要在码头等货物集散点进行装卸和堆存，工作环境比较恶劣，温度高、温差大、酸碱腐蚀严重、振动冲击大。如果操作不当或监管不严,很可能造成集装箱载运危险货物事故发生而缺乏有效的预警监测系统也是造成事故发生不可忽视的原因。

1集装箱安全监测的发展现状

集装箱监测系统最早被用于公路运输中车辆的管理。欧洲国家很早就在公路交通控制、收费等领域采用射频识别(Radio Frequency IDentification,RFID)技术进行车辆识别；美国在20世纪90年代就开始采用全球定位系统(Global Positioning System,GPS)对车辆进行定位监控。911事件后，美国加强了安保措施，不仅要求输美集装箱货物必须先在出口方接受选择查验，还要求全程监控并记录集装箱箱门是否在中途打开、箱体是否遭受破坏。由于美国在国际贸易中处于主导地位，这一举措推动了集装箱监测研究的发展。随着计算机、通信技术及物联网的发展，RFID技术、GPS技术及GPRS技术被广泛地应用于集装箱的识别及追踪中，现已能够有效解决物流业中存在的货物欺诈及失窃问题。但是，这类系统关注的主要信息是集装箱货物信息、集装箱位置信息以及开关箱记录等物流信息，不涉及集装箱内的状态信息。因此，出于对运输可靠性、安全性实际需要的考虑，集装箱货物的状态监测逐渐成为研究热点。

秦玉等[3]开发了一种基于RFID技术的危险品集装箱物流状态监控系统，但该系统只适用于公路运输。这主要是因为在码头、货物集散地和船舶上，集装箱数量较多，受信号阻挡等因素影响，采用主动式的RFID技术也难以保证数据的可靠传输。许世博等[7]开发了一种基于ZigBee技术的海运烟花爆竹集装箱自动监测系统，具有较强的实用性，但使用环境较为单一。

2ZigBee技术概述

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低成本、大容量、可靠、延时短的双向无线通信技术，具备自组网、多跳传输等特性，能够较好地满足集装箱自动监测系统在复杂环境下的技术需求。ZigBee技术的基础是IEEE802.15.4。IEEE802.15.4处理低级的介质访问控制层(Medium Access Control,MAC)和物理层协议，ZigBee联盟对网络层协议和应用层协议进行了标准化。ZigBee可工作在2.4 GHz(全球流行)、868 MHz(欧洲流行)和915 MHz(美国流行)3个频段上，分别具有最高250 kbit/s、20 kbit/s和40 kbit/s的传输速率，传输距离在10～75 m。

ZigBee网络由协调器设备、路由器设备和终端设备组成。其中：协调器设备是整个ZigBee网络的中心，其功能包括建立、维持和管理网络，分配网络地址等；路由器设备主要负责路由发现、消息传输、允许其他节点通过其接入到网络；终端设备通过协调器设备或路由器设备接入到网络中，主要负责数据采集或功能控制，但不允许其他设备通过其加入到网络中。ZigBee网络支持3种拓扑结构：星型、树型和网状型结构。

1.星型拓扑(见图1):包含1个协调器设备和多个终端设备，是最简单的拓扑形式;所有的终端设备只和协调器设备进行通信;星型拓扑结构的缺点是设备之间的数据路由只有唯一路径，协调器设备可能成为整个网络发展的瓶颈。

2.树型拓扑(见图2):由一个协调器设备和多个星型结构连接而成，节点除了能与自己的父设备或子设备互相通信以外，还能通过网络中的树型路由完成通信。

图1　星型拓扑

图2　树型拓扑

3.网状拓扑(见图3):在树型拓扑的基础上实现,与树型拓扑不同的是，其允许网络中所有具有路由功能的设备互相通信，由路由表完成路由查寻过程。

3系统方案的总体框架

集装箱自动监测系统的总体框架见图4。提前在货运汽车、火车、船舶、货站和码头上安装协调器设备和若干路由器设备，各节点适当分部，组成ZigBee网络;在货物装入集装箱后，安装终端设备。在集装箱的运输过程中，通过运输管理人员的操作，终端设备会先后加入、离开各个ZigBee网络。在每个ZigBee网络下，终端设备均可将监测到的集装箱内的状态信息发送给协调器设备，协调器设备与监控终端连接，从而实现运输过程中对集装箱状态的全程监测;如发现情况异常，监控终端将自动报警，从而方便管理人员和运输人员及时采取措施。同时,监控终端可将采集到的集装箱状态信息以及基于全球定位系统的位置信息通过因特网、全球移动通信网或卫星通信的方式发送至远程信息监控中心，从而实现对集装箱状态的远程、全程自动监测。

图3　网状拓扑

图4　集装箱监测系统总体框架图

4集装箱自动监测系统的实现研究

集装箱自动监测系统的原理图见图5。系统由ZigBee网络设备、监控终端以及远程信息监控平台构成。

图5　集装箱监测系统原理图

4.1ZigBee设备的设计

ZigBee设备的设计包括协调器设备、路由设备和终端设备的设计。CC253X系列芯片是TI推出的用来实现嵌入式ZigBee应用的片上系统，其单个芯片整合了射频前端、内存和微控制器，可完全支持IEEE802.15.4/ZigBee协议。同时，TI公司开发了半开源的ZigBee协议栈Zstack，使得ZigBee系统的开发更为简单、快捷。

1) 协调器设备的主要功能为：建立、维持和管理网络，分配网络地址等。协调器设备的硬件系统(见图6)由数据处理单元、无线射频通信单元和串口通信单元组成。串口通信单元完成协调器与监控台的通信过程，无线射频单元完成ZigBee网络的通信过程。

2) 路由设备的主要功能为：路由发现，消息传输，允许其他节点通过它接入到网络。路由设备的硬件系统(见图7)由数据处理单元和无线射频通信单元组成。在ZigBee协议基础上进行数据的接收与发送，完成路由功能。

3) 终端设备的主要功能为：采集集装箱内的温度、湿度、振动及烟雾等物理数据，将其进行简单处理后发送出去。终端设备的硬件系统(见图8)由传感器单元、数据处理单元和无线射频通信单元组成。首先，微控制器将传感器采集到的集装箱内的状态信息存储在存储器中；然后，在ZigBee协议的基础上将监测到的信息通过无线射频单元发送。

图6协调器设备功能框图

图7路由设备功能框图

4.2监控终端设计

监控终端的主要功能为：接收ZigBee网络采集到的集装箱内的状态信息，并通过LCD屏予以显示；当某些监测到的物理参数超出预设范围时，会向管理人员和运输人员发出报警；同时，还可以将这些ZigBee网络采集到的信息以及基于GPS的位置信息通过因特网、全球移动通信网或卫星通信的方式发送至远程信息监控中心。监控终端的硬件系统(见图9)由数据处理单元、全球定位系统单元、串口通信单元、LCD显示报警单元和广域网通信单元构成。数据处理单元完成命令的发布和数据的处理，GPS单元用于获得位置信息，串口通信单元用于和ZigBee网络连接，LCD显示报警单元用于显示信息和报警，广域网通信单元用于和远程信息监控平台通信。

图8终端设备功能框图

图9　监控终端功能框图

4.3远程信息监控平台功能设计

集装箱远程监控平台的功能包括基于浏览器—服务器模式的系统管理、在线状态监测、历时数据查询、事故应急反应以及事后数据分析。

1) 系统管理主要包括用户注册登录管理、集装箱相关信息管理、本地数据维护、通信参数设置以及报警管理等。

2) 在线状态监测的主要功能包括显示集装箱内的温度、湿度、烟雾和振动等物理量以及集装箱的位置信息等。在线监测的方式一般分为2种：主动监测和被动监测。主动监测即终端节点设备定间隔向监控台发送集装箱的状态信息；被动监测是指由监控台发出查询指令，终端节点设备收到查询指令后向监控台发送集装箱的状态信息。

3) 历时数据查询功能是指对集装箱在运输过程中的状态信息和位置信息等过往数据的查询。

4) 事故应急反应主要包括报警、事故应急响应、联系事故处理人等。

5) 事后数据分析主要是指对发生事故的集装箱的状态信息进行数据分析，以优化运输环节，避免类似事故再次发生。

5结语

在分析集装箱运输的特点和集装箱安全监测的发展现状、查阅大量相关产品和文献的基础上，提出了一种基于ZigBee技术的集装箱自动监测系统的设计思路，这对加强危险品集装箱运输的监管具有十分重要的意义。此外，还可以根据客户的需要，将该系统应用于其他货物运输过程中集装箱的自动监测，具有一定的市场前景。

参考文献：

[1]莫振栋, 赵中华. 物联网RFID和ZigBee技术在高铁列控系统的应用研究[J]. 中国测试, 2014, 40(1):97-100.

[2]马传本, 夏理元. 基于ZigBee技术的船舶实时报警监控管理系统的可行性研究[J]. 电子技术与软件工程, 2013(8):27.

[3]秦玉, 姚振强. 危险品集装箱状态实时监测系统设计[J]. 机械设计与研究, 2008, 24(6):98-101.

[4]张凌寒. 船载危险品集装箱安全监测系统设计[D]. 大连:大连理工大学, 2013.

[5]吴瑜. 基于物联网的海关集装箱监管系统的设计与实现[D]. 杭州:浙江工业大学, 2012.

[6]王嵩. 基于ZigBee技术的铁路集装箱信息采集系统的研究与设计[D]. 杭州:西南交通大学, 2008.

[7]许世博, 邓延洁, 李继春,等. 基于ZigBee技术的海运烟花爆竹集装箱自动监测系统[J]. 集装箱化, 2012, 23(1):22-25.

收稿日期：2014-11-21

作者简介：马帅(1990—)，男，内蒙古鄂尔多斯人,硕士生,主要从事嵌入式开发设计工作。

文章编号：1674-5949(2015)01-069-04

中图分类号：U695.2+2文献标志码：A

An Automatic Container Monitoring System Based on ZigBee Technology

MaShuai，YangLiutao

(Shanghai Ship and Shipping Research Institute, State Key Laboratory of Navigation and

Safety Technology, Shanghai 200135, China)

Abstract:Against the background of globalization，container transport，with its advantage in speed，security，and cost，is playing a pivotal role in global generalcargo transport. However，automation and intelligence in collection of container information are relatively backward， which hinders further development of this industry. Rising in recent years，ZigBee is a type of Wireless network technology operating in short distance. ZigBee features low power consumption，low complexity and low cost. Besides, It can be easily embedded in other equipment. Through analyzing the characters of ZigBee and container transport， an automatic container monitoring system based on ZigBee is proposed in this paper.

Key words:ZigBee technology; internet of things; automatic container monitoring system