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基于定制WSN技术的智能集装箱监控：从商业案例到原型
摘 要
本文介绍了一个关于航运集装箱追踪和监控初步解决方案的研究成果。在工作环境中部署无线传感器网络（WSNs）仍然是一项具有挑战性的任务。我们坚信在未来，标准化方法和工具可以增强WSN部署，并加快原型机研制进程。因此，我们选择循序渐进的方法，每一步都让我们对手头的问题有了更多的了解，同时剔除了最终解决方案中的一些复杂因素。我们发现研究过程中最重要的是环境模拟，特别是无线条件恶劣的集装箱堆环境。这促使我们提高测试实验室的无线电线路仿真能力。在原型开发的每个阶段中，评估概念和设计选择的可行性也是很重要的。这使我们能够创造创新的无线传感器网络解决方案，包括一个多MAC框架和一个稳固的网关选择算法。
关键词：物联网；无线传感器网络；远程监控与配置；集装箱监控
第一章 简介
近几年来，人们对无线传感器网络（WSNs）的若干研究方向进行了探索。大多数出版物深入研究特定的协议、算法或结构。他们很少考虑覆盖协议栈的所有层，包括实际应用程序的需要在真实环境中部署的综合解决方案。创建一个需要在这样的环境，尤其是户外环境和特别定制的解决方案，仍然是一个巨大挑战。
在本文中，我们提出了一种开发这种原型的方法。该方法已应用于兼备GPS定位仪、GPRS调制解调器和IEEE-802.15.4收发器的智能集装箱监控方法的电池供电跟踪设装置设计中。我们从一个考虑对无线传感器网络软件的具体要求，重点在降低成本和能效上的清晰的商业案例开始研究和开发。一个主要要求是，跟踪设备能够使用WSN技术创建一个集装箱间网络，以降低漫游成本、降低数据连接并减少总体能耗。由于跟踪设备必须在无线通信不良的环境中工作，因此稳定性是一个关键因素。这项工作从一开始就不简单，直接使用现成的软件是无法完成的。
在两年的时间里，学术和工业合作伙伴结合了不同领域的专业知识，成功地进行了全面的合作，以建立一个能够同时满足商业和技术要求的集装箱原型[1]。最终的原型将作为工业级产品的基础。本文对该方法进行了反馈，并给出了具体的结果和经验教训。我们希望这项工作能够激励大家开发在充满挑战的环境下使用的集装箱原型，以填补研究和产品开发之间的空白。
在给出概要的其余部分之前，本文将介绍集装箱监视的商业案例。
对点对点运输的集装箱和货物进行监测是十分必要的。如今，集装箱在运输过程中经常会丢失，而追寻它们是一项耗时的工作。因为没有关于集装箱位置和行程的信息，许多空集装箱被转运往全球各地。有了更详细的信息，就可以避免这种情况的发生，并大大减少漂泊的集装箱数量。此外，如果对货物进行监控，就会更早发现问题，更容易追究责任。如果集装箱的跟踪和监控与入侵检测系统相结合，海关可以为这些集装箱分配更高的优先级，从而减少运输过程中的延误。这符合人们对点对点供应链可视化的兴趣和需求。可以预见智能跟踪设备将在未来的绿色贸易通道中发挥关键作用，并从根本上改变集装箱运输的世界。
然而为了实现这一点，初步方案必须被利润率非常低的保守行业所接受。因此，应尽量减少运营费用，其中包括更换电池和通讯费用。此外，更换电池的过程必须避免逆向物流，并应包括在集装箱定期维护中，计划每1至3年进行一次。初始投资也应该是合理的，允许逐步提供，如[2]所述。设备的安装和维护不应涉及熟练的劳动力，而且由于有许多用户和参与方，与设备的交互必须在保证安全的情况下尽可能地简单。关于这个商业案例的更详细的讨论可以在[3]上找到。
由于业务潜力巨大，已经提出了几种集装箱监控解决方案[4–9]。他们中的大多数只使用GPS定位仪与GPRS或卫星调制解调器的组合。其中一些还包括RFID、IEEE802.11或IEEE802.15.4。但是，与本文中提出的解决方案有一些不同之处，其中包括：
- 跟踪设备创建一个低功耗的集装箱间网络，并共享一个GPRS/GPS连接，以降低总体能耗，避免漫游成本，并使用较少的数据连接。
- 跟踪设备上运行的软件可根据应用程序和网络参数进行配置。这样可以实现更精细的控制。
- 使用专门定制的传感器通信方案以提高网络性能和延长电池寿命。
图1概述了从商业案例到原型所需的不同步骤，对每一步的结果和贡献也作了总结。文章结构是相互对应的。首先，在设计系统架构和定制的跟踪设备软件（第4节）之前，有必要检查通信在集装箱环境中是否可行（第3节）。然后，我们验证了所设想的系统是否能够满足设备电池寿命方面的主要商业需求（第5节）。接下来，在实验室环境中对方案进行彻底评估（第6节）。最后，开发了一个原型跟踪装置，并在现场试验中进行了测试（第7节）。
图1 实现商业案例到成功原型的不同步骤概述
第二章 相关工作
由于本文报告的是方法，而不是对解决方案的广泛评估，所以我们将会集中讨论方案的实际部署。其他集装箱监视方案（在引言中讨论）没有描述正式方法。因此，我们将考虑其他部署方案。
在关于无线传感器网络部署失败或未达到预期结果的报告中，已经明确说明了采用系统方法的重要性。他们大多缺乏良好的初步可行性研究和进入现场前在试验室进行全面评估。例如，Langendoen等人。[10] 描述的是在土豆地进行为期一年的无线传感器网络试用后所吸取的经验教训。他们最强调的是实验室初始评估的重要性。
Ceriotti等人[11] 报道了一种基于无线传感器网络的公路隧道照明自适应闭环控制系统。他们遵循与我们相似的路线图，在设计系统之前，首先研究了隧道中的无线特性[12]。然后，他们在现场建造了一个测试装置。这与我们的方法不同，因为我们没有永久可用的集装箱堆场。此外，由于集装箱的流动性，这将只能模拟部分的场景。
巴伦特谢亚等人[13]报告了他们关于探测仪器的经历[14]，这是一个在某些部署中的环境监测无线传感器网络系统。它们为监视者 提供了部署室外WSN的指南。除了许多技巧和技巧之外，他们还讨论了现场试验的不同阶段：开发、测试和部署。他们还指出，仿真是测试阶段的一个关键方面。虽然暗含提及，但它们并未在其路线图中包括可行性研究（即，表征无线通信和计算预期能耗）。而对于我们，这是我们开始设计和开发阶段前的必要步骤。
第三章 集装箱运输可行性研究
我们从项目开始就提出了在集装箱之间建立通信网络的关键要求。由于堆叠的金属集装箱具有高反射性，因此无线通信将会受到多径衰弱的影响。因此，在开始设计、实现和评估阶段之前，调查与集装箱、集装箱之间和集装箱内部通信的可行性至关重要。在本节中，我们将讨论是否有可能：
- 在集装箱和蜂窝网络之间建立无线链路，即集装箱外通信
- 在堆叠的集装箱之间建立一个专属网络，即集装箱间通信
- 从集装箱外部到内部通信，反之亦然，即集装箱内部通信
计算每个集装箱通信类型（即外部、之间和内部）的路径损耗，以便分析可行性。它们将在下一小节中讨论。对于专用和集装箱间的通信类型，还创建了路径损耗模型，这些模型有助于在NS-3和Cooja等工具中模拟更真实的无线环境。然而，通过与同一环境下RSSI测量结果的比较，验证路径损耗模型是否能代表实际硬件是很重要的。最后一小节涵盖了这一方面。
3.1 测量设置和数据处理
路径损耗测量是在安特卫普港的一个集装箱维修点进行的。测量装置由发射和接收两部分组成。在发射器处，信号发生器产生一个连续波，该连续波被馈送至发射天线Tx。在接收端，频谱分析仪在接收天线Rx处采样功率。使用垂直极化半波偶极子天线作为Tx和Rx，。发射器天线的位置是追踪装置的预定位置，位于集装箱的侧面，靠近通风孔，。
在以下测量中，按公式1计算路径损耗（PL），单位为分贝：
PL = PTx minus; LTx minus; LRx minus; PRx (1)
在式1中，PTx是发射功率（20dbm），LTx和LRx是Tx和Rx天线馈线损耗，单位为dB，PRx是接收功率，单位为分贝毫瓦。需要注意的是，通常的路径损耗计算还包括（1）右侧的术语，这些术语不包括测量天线的增益。然而，这里没有这样做：由于金属集装箱表面接近，天线效应不能与无线传播损耗分离，因此，等式1中的路径损耗包括这两种现象。
3.2 集装箱外部通讯
集装箱外部链接通过GSM和/或UMTS实现。因此，我们研究了GSM/UMTS频率为900、1850和2100兆赫时，在一个40英尺集装箱的大堆栈外的路径损耗。图2包括集装箱配置图（左侧）和俯视图（右侧）。这些集装箱堆放到4到7米高，每一排集装箱之间的通道宽约1.5米。Tx安装在地面集装箱顶部的通风孔附近。Rx与Tx在同一高度连接到推车上的桅杆上，推车沿着堆栈外的多个轨道（图2中的条带区域）推动，而频谱分析仪连续采样接收功率。利用3m长的滑窗对集装箱外部通信路径损失样本进行平滑处理，以消除小尺度衰减。平均每个频率，可获得973个平滑路径损耗样本。这些路径损耗样本覆盖Tx和Rx之间从10到63 m的距离。
图2 集装箱修理厂的测量环境
我们发现路径损耗（PL）（单位：dB）与对数距离（频率平均相关系数0.86）有很好的相关性，因此将其作为Tx和Rx之间距离d（单位：m）的函数拟合到等式2中的模型：
PL(d) = b0 b1 · 10 log10(d) chi;s (2)
在（2）中，b0和b1是回归参数（b1是路径损耗指数），chi;s是一个零均值随机变量，用于解释细微衰减。假设chi;s正态分布，标准差sigma;s。表1列出了等式2的估计参数。三种频率的路径损耗指数b1均小于2，这可能是叠层集装箱环境中存在的导波效应的结果。
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表1：集装箱外部通信路径损耗模型参数 |
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频率（MHz） |
（dB） |
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(dB) |
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900 |
70.19 |
1.82 |
3.22 |
|
1850 |
85.34 |
1.27 |
3.17 |
|
2000 |
85.88 |
1.22 |
3.30 |
基于上述路径损耗模型，并使用最大允许路径损耗140dB，集装箱外通信频率的估计无线范围为plusmn;3km。由于该距离是在推算收集到的高达63m的路径损耗数据之后获得的，因此它仅用作通信范围的指示。在下面，我们假设
假设1可以在堆叠的集装箱环境中使用蜂窝网络进行集装箱外部通信。
图3 集装箱修理厂的测量环境
3.3 集装箱间通信
对于集装箱间的通信，研究了两种常见的环形集装箱堆垛：（a）单排堆垛和（b）方块堆垛。图3显示了单排堆叠（左侧）和方块堆叠（右侧）的测量环境。图的上部给出了俯视图，并指示了Tx（正方形）和Rx（圆形）的位置。在433，868和2400mhz上分别测量。
3.3.1 行堆叠
沿一排4个40英尺集装箱（总长度42.7米）进行测量。如图3所示，Tx被放置在第一集装箱的通风孔附近。然后，Rx在与Tx相同的高度沿集装箱行以0.5 m的步进移动，产生83个Rx位置，其中记录200个接收功率样本的中值。测量的路径损耗（分贝）与对数距离（三个频率的平均相关性为0.78）有很好的相关性。因此，路径损耗（PL）（单位：dB）与公式2中的模型相吻合。
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表2：单行堆叠集装箱间通信路径损耗模型 |
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频率 /MHz |
/dB |
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/dB |
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433 |
47.38 |
2.24 |
5.49 |
|
868 |
47.64 |
2.09 |
6.56 |
|
2400 |
54.58 |
1.48 |
6.19 |
表2列出了使用我们的测量结果通过最小二乘法拟合获得的（2）参数的估计值。回归线垂直位置的95%置信区间在所有频率和距离上最多为plusmn;2.80db。考虑到这种不确定性，从图4可以得出结论，对于远距离的所有频率，路径损耗几乎相同。在近距离，433和868mhz的路径损耗相似，但2400mhz的路径损耗更高。这可归因于集装箱表面的等间距槽形舱壁结构（间距=27 cm，图3）。在较短距离处，表面波沿集装箱传播占主导地位。与433和868mhz相比，2400mhz处的波长小于槽形舱壁的周期，这意味着该频率更容易在舱壁边缘发生衍射损耗。
图
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