基于LoRa无线技术的散粮集装箱温湿度监测系统

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(航天信息股份有限公司，北京 100195)

引 言

集装箱运输[1]是简单、安全、快速、经济、易于实现的多模式联运方式。它可以真正实现门对门的运输，从而被越来越多的国家和地区接受。在发达国家，大批量的粮食存储和运输已经完全实现机械化和自动化。加拿大、美国和澳大利亚已率先在世界上采用散粮集装箱式运输，且谷物集装箱的流通量迅速增加。与国外发达国家的散粮集装箱流通技术相比，中国的现代粮食流通技术仍处于发展中阶段，其运输量处于相对较低的水平。近年来，随着散粮集装箱运输应用技术的研究和发展，中国的集装箱运输技术在继续快速推进。目前，中国在交通基础建设、车站设施、技术装备、信息网络和业务范围都达到了一定的规模，已经有一定规模的散粮集装箱运输。

本文根据集装箱监测系统的功能要求，设计与开发了基于LoRa、3G/4G实时参数(温度、湿度)监测系统，选择主控芯片、收发芯片，并对高频、低频通信链路的技术指标和可靠性进行分析，在此基础上提出有源电子标签与读写器的硬件电路设计，制订有源电子标签与读写器设计的总体方案。本项目依照自上而下的设计理念，采用模块化的设计方法，先勾画出有源电子标签与读写器总体的架构，然后按各个功能模块一一进行分析设计，并结合3G/4G技术与GPS/北斗定位技术相结合，实现对散粮集装箱状态数据的远程传输及状态监控。

整个系统如图1所示，智能传感器通过板载的传感器芯片获取集装箱内的温度、湿度等信息，然后通过LoRa网络传递到网关。网关通过3G/4G(也可通过LoRa直接传送到海洋通信系统)将传感器信息和GPS位置信息一并传递到服务器。同时在各个检查站，检查员可以通过手持的读卡设备对过往的集装箱进行抽查，并将信息发往服务器，从而后台管理人员可以通过管理终端对全局状况进行跟踪。

图1 系统架构图

为了实现上述系统，设计和开发了一个智能传感器。此智能传感器可以监测颗粒温度和湿度。其体积类似于乒乓球大小，并且设备的平均耗电量小，平均电流最低为1 mA。采用IP66标准制作外壳并支持宽广的温度范围，能够工作在 -35～100 ℃。同时，为了解决散装粮食集装箱容器引起的无线信号高隔离和衰减的问题，使用超高灵敏度低功耗短距离LoRa无线采集技术，研究并实现在高强度隔离和衰减金属环境中的无线通信技术。

1 智能传感器

智能传感器的设计包括硬件和软件。硬件系统如图2所示，包含三部分：传感器、MCU和LoRa通信系统。

图2 智能传感器

图2的第一部分是传感器，使用BME280[6]进行温度和湿度信息采集，其是一个非常小巧的低功耗、高精度的温度、湿度和压力三合一传感器，广泛应用于很多应用，如室温变化检测、家庭自动化控制、GPS增强、天气预报等。BME280体积小，只有2.5×2.5×0.93 mm3，拥有8个引脚，不仅具有低噪声和高分辨率的特点，而且非常适合于低功率应用，其以1 Hz的采样率工作只需要消耗3.6 μA。

第二和第三部分是MCU+LoRa通信系统集成模块CMWX1ZZABZ-091[7](如图3所示)。 CMWX1ZZABZ-091集成了一个超低功耗的STM32L072CZ系列芯片。STM32L072CZ为采用ARM Cortex-M0+[8]架构的微控制器，包含192 KB闪存器用来存储程序，以及一个供应用程序使用的20 KB内存，支持高速USB 2.0，拥有4通道12位ADC、2通道DAC和一个6位的定时器，集成UART、I2C和SPI接口。本文使用STM32L072CZ上的I2C接口连接BME280传感器。

LoRa通信系统使用的是一个Sigfox兼容的SX1276收发器[9]。它支持FSK、GFSK、MSK、GMSK和OOK调制，同时可以选择+14 dBm或+20 dBm的输出功率，其收发比特率可达300 kbps。此外，其灵敏度达-137 dBm，链路预算能够到157 dB。SX1276收发器也具有超低功耗特性，接收电流仅为10 mA。

图3 CMWX1ZZABZ-091

STM32L072CZ的固件每分钟自动触发一次，定期读取温湿度传感器并发送到空中，当发送完数据后，整个系统进入睡眠模式。

2 智能网关

与智能传感器相比，智能网关(见图4)包括更多的外围设备，放入集装箱内采集多个智能传感器发出的温度、湿度等信息，其比智能传感器更耗电。智能网关包含4部分：GPS、MCU、3G/4G和作为智能传感器一部分的LoRa模块，其中GPS和3G/4G模块来自μ-blox。。

图4 智能网关

智能网关的GPS模块同时支持GPS、Galileo、GLONASS和Beidou，从而提供了最大的可用性。另一方面，它支持-167 dBm的导航灵敏度。在智能网关中，使用恩智浦LPC1768[12]来控制整个系统。LPC1768包含512 KB的片上FLASH和32 KB片上SRAM供网关应用使用。

图5 智能传感器、智能网关和服务器工作流程

整个数据收集系统工作模式如图5所示。智能传感器每分钟读取温度和湿度，并将读数发送到空中。智能网关通过无线方式接收数据，并通过3G/4G网络将收集到数据连同GPS信息一起发送到服务器。云端的服务器接收数据并存储到数据库服务器中。

3 手持设备

图6 手持设备

图7 手持设备界面

无线手持终端由应用处理器、LoRa无线传输模块、SD卡存储模块、LCD显示模块和App组成。手持终端的系统结构如图6所示。包含一个高性能的应用处理器MSM 8939，最高可以运行到1.5 GHz[13]，同时支持多种连接性，如WiFi 802.11b/g/n、BT4.0、NFC、GPS/AGPS、北斗、RFID HF等。软件上支持Android 5.0，能够运行许多应用程序。

主管人员可以通过App软件有选择地显示特定集装箱内的散粮温湿度状态，同时也可以观察临近的所有集装箱内的散粮状态。一旦散装谷物的温湿度超过正常范围，无线手持终端将发出警报信息，以提醒检查人员查看温度异常。手持终端的界面如图7所示。

4 测 试

使用LoRa作为最基本的本地通信协议，更适合低功耗应用。我们对系统进行了改进，使其链路预算达到160 dB，这样可以有效克服集装箱对无线信号的衰减和阻挡。为了测试LoRa系统的性能，在北京通州某粮仓内进行了测试，其中包含室内室外测试和集装箱内部测试。

实验结果(见表1～表3)表明，在室内、室外和集装箱内部等实际使用环境中，系统表现了非常好的连通性，接收端信号在各段测试距离上都很稳定。在各种距离下的10分钟测试项目中获得了平均98%的包正确率。实验证明，设计的系统非常适用于散粮集装箱运输项目。

表1 粮库内测试

表2 粮库室外测试

表3 集装箱内测试

为了验证传感器的湿温度的准确性，在粮仓内选了三个位置(靠近墙壁和在粮食内部)，将其与温湿度测量仪器进行了对比测试。 结果表明(见表4)，智能传感器能够达到目标要求的精度，湿度小于3%，温度小于1 ℃。

表4 粮仓内温湿度测试

结 语