基于BDS 的海上运输监控系统设计

曹宇，刘昕，赵永旗，宋育泽，唐小波，张馨予

(1.上海海洋大学 工程学院,上海 201306；2.上海海洋可再生能源工程技术研究中心,上海 201306；3.中油管道物资装备有限公司,河北 廊坊 065000)

0 引言

随着全球经济一体化的不断推进，海上运输以其低成本、高运量的优势已成为推动物流发展的重要组成部分.目前海上运输的信息化程度不断增强，科技水平将成为航运企业之间竞争的关键因素[1-2].海上运输具有运输距离长、时间久、环境恶劣等特性，从而对货物的运输安全提出了挑战.例如企业从国外进口的高精尖零件、仪器和设备，在运输过程中可能受到碰撞、进水、爆炸、搁浅等不确定因素而发生损坏[3]，企业成本随之增加，但由于海上信号匮乏，基站较少，无通信网络，客户无法及时获得货物运输信息，货物损坏也无法追根溯源.亟需研发具有实时监测、导航定位及通讯功能的海上运输货物通讯监控系统，以减少货损成本，提高运输管理效率.因此，为保证贵重和精密货物的运输安全，实现运输过程的透明化和信息化沟通，本文结合物联网技术[4-6]设计了一种基于北斗卫星导航系统(BDS)的海上运输监控系统，使用BDS 的定位导航和独有的通信数据传输功能使用户(包括供应商、第三方物流和客户等)对货物的运输位置和状态实时可查，以实现导航、定位、跟踪、监管等功能.

1 系统设计

1.1 系统结构

监控系统由监测终端、用户终端、云计算平台和BDS 组成.整个监控系统在工作过程中按功能分为感知层、网络层及应用层三层，系统体系架构如图1所示.感知层主要包括传感器、北斗无线通信模块和短距离无线双向通信物联网技术ZigBee[7-8]，传感器模块负责数据的采集，检测数据通过转换传至北斗模块；网络层主要是通过BDS 集成工作模式通过卫星通信将感知层采集的数据加密处理后进行远程传输至地面站，由地面站解码后传输至应用层云计算平台；应用层主要应用云计算平台接收、整合感知层传输数据，结果可在用户终端可视化展示，以实现对于运输路线定位和货物状况的实时监测.

图1 系统体系架构图

1.2 系统硬件设计

监测终端结构如图2 所示，是由数据采集模块、北斗模块、供电模块三部分组成.数据采集模块由不同类型的传感器、ZigBee 短距离无线传输协议的节点组件、无线传感器网络节点及下位机构成，多种传感器用来检测箱内状况以采集环境数据，环境参数以ZigBee 汇聚到下位机，下位机是实现数据整合的核心，由处理器、存储器等构成；北斗模块接收输出数据采用RS232 串口实现短报文通信和定位功能；供电模块为传感器、上位机和北斗模块提供电源以维持终端的正常运行.本监测系统根据海上运输特点设置了以下传感器类型，可以满足不同货物的运输需求，如加速度传感器用于测量货物由于惯性力而产生加速度变化[9]；温度传感器用于监测环境温度和系统温度变化；湿度传感器用于测量环境湿度，货物进水等现象可及时获知；盐度传感器用于监测环境盐度变化，可及时监测有无海水灌入现象；多位点位移传感器用于监测货物的位置变化；压力传感器用于感测货物压力变化.在运输过程中通过不同的传感器监测，可以在货物偏离标准范围的情况下，通过BDS 通信功能将突发情况传输到用户端.

图2 系统硬件结构图

海上运输主要采用集装箱方式，本设计将监测终端安装在运输集装箱内，通过物联网技术以及北斗模块来实现监测和信息传输.图3 为监测终端在集装箱中的总体布局，将数据监测模块、北斗模块和供电模块以机柜形式集成安装在集装箱一侧，系统原理如图4 所示.其中选用具备优质射频性能的ZigBee 芯片CC2530 作为系统的处理器，CC2530 具有成本低廉和低功耗的优良特性，它集成了IEEE802.15.4RF收发器以及8051 微控制器，并且可根据需求选用容量分别为32/64/128/256 kB 的CC2530 芯片；通用异步收发器(UART)集成于微处理器中通过RS232 与BDS 模块的RXD0 和TXD0 输入输出接口双向通信，波特率为115 200 bit/s；同时配置UART、RS232和RS485 等多种通信方式，可根据需求与不同类型的传感器连接.

图3 监测终端总体布置图

图4 系统原理图

2 基于BDS 的定位监测通信方案设计

BDS 是由我国自行研制、独立运行的全球卫星导航系统(GNSS)，其先进性与安全性对于国家发展具有重大意义[10].BDS 独有的卫星无线电导航业务(RNSS)和卫星无线电定位业务(RDSS)，具有短报文通信功能[11-13].随着北斗三号卫星导航系统(BDS-3)的第55 颗卫星成功发射，2020 年7 月31 日BDS-3实现了正式开通，北斗短报文通信功能得到了进一步的提升，区域短报文通信服务的单次通信长度增加到1 000 个汉字(14 000 bit)，全球短报文通信服务单次通信能力提升到40 个汉字(560 bit)[14-16].

在海上货物运输过程中，由于通信网络未实现全覆盖，系统获得的监测数据远程传输困难，通过北斗短报文通信功能可以解决运输信息获取问题，实现在线自主监测.基于北斗RDSS 的远程监测通信方案如图5 所示.

图5 远程监测通信方案示意图

将集装箱内置的传感器采集数据汇聚到上位机，基于北斗RDSS 模块将加密后的报文信息由BDS 传输至地面站，地面站接收报文信息并将解码后的原始数据传输到云计算平台，处理完成后通过RS232 串口转USB 通讯串口发送至用户端；同时，用户可以给予控制反馈，进行报文回执，实现双向通信；用户端可实时查看货物运输轨迹和健康状态，历史数据可进行存储及查询.

3 系统通信协议设计

通讯协议的性能参数如表1～2 所示，在不超过通信容量的同时确保通讯质量，使得用户端可以接收到完整的数据，根据使用需求满足不低于2 min/次的数据传输频率即可.本通信系统选用民用通信标准，波特率设计为115 200 bit/s，通过ASCII 码完成信息传递，短报文通信的传输延迟为1～5 s.目前，民用通信设备可实现的最高更新率为60 s，满足通信协议设计要求，对本系统的应用效果没有影响.BDS 数据传输协议设计如表3 所示，在每组的传输数据中包含北斗监测系统的ID，从而使用户端可以确定信息的来源，并且全球短报文通信服务能力最大为560 bit，本系统的最大传输数据为255 bit，在允许通信的容量范围内还有多余的扩展空间，可按照需求增加其他环境参数；BDS 可提供双向通信功能，用户端接收到数据后向云计算平台反馈已接收指令，若云计算平台没有获得反馈信息，北斗监测系统再次发送共循环5 次.

表1 北斗RDSS 模块性能参数表

表2 北斗RNSS 模块性能参数表

表3 BDS 数据传输协议

4 多相流量计海上运输案例

4.1 案例介绍

本案例为中国D 公司从加拿大购买的多相流量计(MPFM)，该撬块配有流量计算机和仪表，MPFM造价昂贵、制造精密，组装复杂且易损坏，其进口采购运输现场如图6 所示.这批MPFM 及其分流器在加拿大生产和包装，通过集装箱进行运输，经过公路运输、远洋运输和铁路运输三种运输方式，最终到达客户方，其运输路线如图7 所示.

图6 MFPM 的采购运输现场

图7 货物运输路线图

但由于复杂的运输环境，MPFM 的单能伽马传感器和文丘里流量计受损，整套无法使用，造成了重大的经济损失.由于损坏时间、地点、原因都无法溯源，缺少佐证导致客户索赔困难，同时供应商企业和第三方物流互相推卸责任，责任方难以界定，也因证据不足赔偿数额无法裁量.基于以上案例，本文设计了一种基于BDS 的海上运输监控系统，以解决在海外采购运输中遇到的此类问题.该系统仍处于设计阶段，目前还未应用在实际的运输中.

以下为相关设计的选型介绍.此案例对于运输环境要求较高，需要保证可监测运输温度约在-10 ℃～+50 ℃；相对湿度(RH) 0%～50%，精度不超过±10% RH；加速度精度不超过±5 mg；检测盐度范围至少为0.1%～20%；海上运输时间较长，对于供电性能要求较高，电池容量不小于10 Ah.因此，为满足此运输条件选用的主要传感器类型、北斗模块和供电模块如下：

1)传感器类型

主要选用的加速度传感器、盐度传感器及温湿度传感器如图8～9 所示.

图8 三轴加速度传感器、盐度传感器

图9 LH-TH20 温湿度传感器模块

三轴加速度传感器模块选用型号ACC385，重量轻、体积小，具有优异的偏差稳定性和高环境适应性(冲击和温度)且易于安装；加速度和盐度传感器具体参数如表4 所示.

表4 加速度传感器和盐度传感器参数

温湿度传感器模块选用型号为LH-TH20，传感器内输入电源、感应探头和信号输出三部分完全隔离，安全可靠，具体参数如表5 所示.

表5 温度和湿度传感器参数

2)北斗模块

选用GNM2A12 型北斗模块，如图10 所示.

图10 GNM2A12 型BDS 模块

GNM2A12 型是一种支持北斗RDSS/RNSS 双功能的北斗模块，可实现RDSS 通信功能和RNSS 导航定位等功能，体积较小，模块集成度高、功耗低，可兼容不同接口，使用方便，具体参数如表6 所示.

表6 GNM2A12 型BDS 模块参数表

3)供电模块

北斗监测终端的供电装置选用三元锂电池，如图11 所示.

图11 三元锂电池

三元锂电池安全性能高，可在无锂电保护板下使用；三元锂电池容量20 Ah，续航能力强，可以适应长时间的通讯，适用于监测系统；锂电池荷电保持能力强，允许工作的温度范围宽，可以在-35 ℃～+75 ℃工作，适用于地域跨度大的长距离运输；锂电池绿色环保，不含镉、铅、汞这类有害物质；同时，它体积小、重量轻，易于携带和安装.

将本系统加装于运输集装箱中，发生碰撞、触礁和搁浅等能通过软件得到加速度的变化，发生进水、爆炸等会有温湿度和压力的变化，参数的变化曲线都可由客户端软件查看.发生运输事故时，通过本系统提供的数据，上位机可发出运输异常提醒，同时显示和存储货物发生异常的时间和地理坐标，以便用于后续事故成因的分析与追溯.

4.2 系统的应用

通过使用Visual Studio Code+QT Designer 编写程序，创建终端APP 客户端软件，由云计算平台处理过的数据传输到软件中，系统客户端登陆界面如图12所示.通过软件，用户可以完整的看到货物的运输位置(BDS 定位)和货物状态如加速度、温度、湿度、盐度等变化曲线.本系统也可根据客户需求定制其他功能传感器，同时软件中还保存有历史数据供用户随时调用和查看.系统可实现对运输货物状态实时监控的功能，若云计算平台分析的传输回的疑似为异常数据，将及时把情况推送给用户.本文对于数据采集模块进行了一定的测试，测试中使得加速度发生一定的变化，可通过APP 客户端软件查看加速度曲线变化，数据可视化界面如图13 所示.

图12 系统客户端登陆界面

图13 数据可视化界面

5 结束语

本文基于BDS 设计了一种海上运输监控系统，将BDS 应用在物流运输领域中，极大地保障了易损贵重货物的运输安全.在初始的监测阶段，基于物联网技术，通过多种传感器和ZigBee 无线通信实现运输环境的数据采集和传输，最后通过云计算平台的处理呈现出可视化曲线；基于BDS 独有的通信数传功能，用户可以使用由Visual Studio Code+QT Designer设计的客户端软件随时查询运输导航定位和货物状态，并作出控制反馈.在海上运输中使用这一监控系统，若物流作业发生事故时，能实时获取运输信息和货物状态，以便取证.这无论是对供应商、第三方物流还是客户，都极大的保障了每一方的利益.