基于物联网技术的港口物流碳排放管理系统

秦新生

（华南师范大学增城学院 经济系，广东 广州 511363）

1 概述

异常气候频繁和大气污染问题引起大众的广泛关注，针对物流业碳排放带来的环境污染问题，各国纷纷提出碳减排目标，不断推出强制性环境管理措施。根据国家“十二五”规划，到 2015 年要实现单位国内生产总值 CO2排放量比 2010 年降低 17%的碳减排目标。港口作为全球物流供应链上的重要节点，汇集了船舶、装卸机械、车辆等众多设备，港口在物流作业过程中排出大量温室气体，是影响城市空气质量的重要根源。针对港口物流运作过程中大气污染的现状，考虑结合无线射频识别技术( Radio Frequency Identi fi cation，RFID ) 与无线传感器网络 ( Wireless Sensor Network，WSN ) 技术，将其应用于港口物流设备碳排放管理，研究需要解决的关键技术问题和实现方法，对于提高港口物流企业碳排放管理水平、改善大气环境质量具有重要的现实意义。

RFID 具有快速的信息识别和采集能力，应用范围日趋广泛。它是一种非接触的自动识别技术，能够利用无线射频信号和电磁感应原理实现对物品信息的自动识别和采集。RFID 由电子标签、阅读器、中间件应用软件组成。虽然 RFID 技术具有双向通信、快速信息采集等优点，但存在安装成本高，有效通信距离短，读取范围有限，抗干扰能力较差[1]，不太适合大规模、远距离使用等不足。

WSN 能够实时监测、感知和采集环境信息，并且能够根据所处环境的变化自主完成感知和监控任务。它由分布在监测区域的传感器节点组成，是通过无线通信方式形成的多跳、自组织的网络系统。WSN 具有部署随机、通信距离远、低成本等优点，并且能够根据要求自主感知、采集处理网络范围内覆盖的信息，较适合于移动和固定目标的跟踪和感知，尤其是传感器的感知和传输信息能力避免了敏感环境下读写器无法工作的现象，具有较强的自适应性。但是，WSN 系统缺乏物品信息识别能力，而 RFID 弥补了这一不足。

RFID 与 WSN 融合可以实现远距离识别通信，同时能够解决 RFID 的信号碰撞问题[2]。2 种技术融合，不仅可以对物体目标信息快速准确采集，还可以掌握物体所处的状态，实现对目标所处环境的监测，大大扩展了两者的应用范围，这为港口物流碳排放管理提供了技术基础。RFID 与 WSN 融合的类型[3]可以分为以下 4 种：射频识别标签和传感器相融合，RFID 阅读器和WSN基站相融合，射频识别标签和无线传感器节点相融合，无线传感器节点和RFID 阅读器相融合。

2 基于物联网技术的港口物流碳排放管理系统设计

物联网是一种一体化的网络，它通过 RFID、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器、视频摄像头等信息传感技术与设备，将各类物品按照约定的协议与计算机网络相连接，进行信息交换和存储，以实现对物品的智能化识别、定位、监控和管理[4]，它非常适合于物体目标频繁移动和跟踪管理的场合。因此，可以将融合 RFID 与 WSN 的物联网技术应用于港口物流碳排放管理系统设计中。

2.1 系统功能需求

港口物流碳排放管理的范围较广，管理目标对象较多，信息量大，决策比较复杂。港口物流碳排放管理系统是集碳排放信息采集、监控、管理指挥于一体的综合管理平台，应具备的功能如下。

（1）自动采集、识别、传递碳排放信息功能。能够实时、准确、自动采集港口作业设备本身的信息和碳排放信息，并且通过各种通信网络及时、迅速传递给港口物流企业、环保、交通等管理部门，便于协同进行碳排放决策管理。

（2）对物流设备及人员实时调度管理功能。港口内各种运输车辆、物流设备移动频繁，物流作业环境复杂，管理部门必须实时掌握车辆的状态信息。因此，系统应能够及时准确地反映物流设备处于不同状态时的碳排放信息，能够显示集装箱堆存区、装卸区内物流设备和人员的状态分布情况，以及车辆的移动轨迹信息，满足动态管理的需求。

（3）碳排放数据统计分析功能。能够汇总碳排放信息，统计分析碳排放数据，对碳排放超标主动报告预警，这些功能有助于进行碳减排成本分析和碳排放量化报告，为港口物流企业碳减排提供参考依据，便于提出碳排放管理决策。

（4）与企业相关部门管理系统集成功能。除了能够及时采集碳排放信息以外，系统应能够与货运站、物流企业、环保、交通等机构部门的系统无缝衔接[5]，实现港口物流企业内外部信息共享。系统应能够对港口作业区内各种物流机械设备进行实时跟踪查询，以满足不同主体的碳管理需求。

2.2 系统基本原理

基于物联网技术的港口物流碳排放管理系统的基本原理如图 1 所示，港口物流设备外部设有射频电子标签，标签内含有物流设备信息，如车辆代码、燃油类型、耗油量、司机姓名等信息。将 RFID 阅读器与无线传感器节点融合组成智能节点，该节点兼具物流设备外部标签信息的识别和感知物流作业区内碳排放信息的功能。智能节点分布在港口的装卸搬运区、道路货运站设施等作业区域内，组成无线传感器网络。

当物流车辆等设备进入智能节点的读取范围内，该节点读取物流设备外部 RFID 标签的信息，自动识别、采集物流运输车辆的信息，感知搜集监控目标的碳排放信息，并且将监测到的碳排放信息和读取的 RFID 标签信息传递给网关节点处理后，再通过通用分组无线服务技术 ( General Packet Radio Service，GPRS ) 等无线通信技术和传输网络与监控中心通信。如果发现碳排放浓度异常，则网关节点将自动发出报警信号，提醒物流设备操作人员采取措施，并且向监控中心报告。监控中心也可以通过传输网络向网关节点和智能节点发出查询指令[6]。通过查询指令，监控中心、环保部门、交通部门、物流企业等相关部门能够及时掌握碳排放信息，进行实时监控管理；车辆司机等物流企业移动终端用户者可以随时查询车辆设备的碳排放信息，并且向物流企业报告碳排放情况。

2.3 系统结构

系统主要由智能节点、网关节点、传输网络、监控中心和碳排放管理系统用户共 5 个部分组成。

（1）智能节点：用于识别处理碳排放信息和其他信息，进行无线通信。为了测量监控区域内的设备碳排放量，将智能节点部署在物流设备工作现场附近，所获得的数据信息以无线通信方式经网关和传输网络发送到监控中心，供用户查询监控。

（2）网关节点：网关节点处于智能节点与用户监控终端之间，用于接收智能节点的传感器所采集的信息，并且通过 GPRS 通信模块与 Internet 连接，实现通信协议转换，将采集到的数据信息发送到与 Internet 网络相连的监控中心等相关主体。

（3）传输网络：由 Internet 和移动通信网络组成，负责接收与转发各网关节点发来的信息，配合网关节点之间的通信。

（4）监控中心：监控中心是港口物流碳排放管理系统的信息中心和决策机构，由路由器、防火墙、控制台计算机、监控管理程序和数据库等软、硬件组成。碳排放监控中心与环保、交通部门应实现信息共享[7]，监控中心负责监测管理命令的下达与执行情况，分析、处理、统计和评估所监测的数据等。当碳排放超标时，监控中心会及时报警提醒设备操作人员采取措施减少碳排放。

图1 基于物联网技术的港口物流碳排放管理系统的基本原理

（5）碳排放管理系统用户：分为远程终端用户和移动终端用户，包括物流企业、港口货运站、司机、环保和交通管理部门等，用户可以通过Internet 访问碳排放监控中心，也可以利用移动终端查询碳排放信息。

2.4 系统硬件设计

（1）智能节点设计。智能节点具有 RFID 阅读功能和温室气体浓度感知功能。它由数据采集单元、处理与控制单元、WSN 无线通信单元、RFID无线通信单元和供电单元等部分组成[8]，其结构如图 2 所示。其中，数据采集单元由气体传感器组和模数转换部分构成，它负责将感知到的碳排放信息转换为模拟信号。采用一氧化碳传感器 CO-BF、MS5100 气体传感器、氧化氮电化学气体传感器NO2-A1 构成气体传感器组。采用 ATmega128L 芯片作为处理和控制单元，负责将监测到的碳排放信息与碳排放控制指标相比较，如果碳排放超标，则触发无线传感器网络的无线通信模块，自动向网关节点发送报警信号。ATmega128L 芯片还负责接收管理人员的读取指令，将其发送给 RFID 阅读器，以读取物流设备标签和碳排放信息。WSN 无线通信单元采用 CC2420 无线通信模块，供电部分采用2 节1.5 V 微型电池。

（2）网关节点设计。主要由射频收发模块、中央处理器、存储器、GPRS 通信模块 4 个部分组成[9]，用于接收和处理来自智能节点的碳排放数据，将其发送到碳排放监控中心；同时，接收碳排放监控中心的指令，确认智能节点的工作状态。网关节点仍然采用 CC2420 无线通信模块接收数据[10]，同样采用 ATmega128L 芯片作为中央处理器。由于监控中心距离监测点较远，系统采用 MC55 GPRS模块实现远程数据传送。

（3）操作系统设计。采用 Tiny OS 系统作为操作系统，该系统是专门为WSN而设计的操作系统[11]，拥有开放的源代码。Tiny OS 系统是基于组件的、事件驱动的 WSN 操作系统，其组件库包括网络协议、分布式服务、传感器驱动和数据获取工具等，用户可以根据所采集气体类型的需要加以扩展。

3 港口物流碳排放管理系统应用分析

以国内某港口集装箱堆存区为例，将港口物流碳排放管理系统应用于其中，测试叉车、起重机、集装箱吊车等物流设备处于运输、装卸、搬运等不同运行状态下的 CO、HC 和 NOx温室气体排放浓度。随着燃油种类和设备运行状态的不同，所排放污染气体浓度也不同。港口物流碳排放管理系统通过快速识别车辆设备信息，可以实现对港口物流设备碳排放信息的实时采集，对港口物流设备的精确定位[12]，从而加快港口货物处理速度。从实际应用效果看，该系统能够满足港口物流碳排放管理的监控需要，各智能节点能够及时准确地采集和传输碳排放数据信息，系统能够较好地反映碳排放变化情况，与一般化学仪器监测分析法相比，节省人力和物力成本，时效性强，准确度高，为港口实时进行碳排放管理提供了决策和控制依据，测试结果如表 1 所示。

图2 智能节点结构图

表1 港口物流设备碳排放测试结果

由表 1 可知，使用不同燃油类型的物流设备在不同运行速度下的温室气体排放浓度不同。加速状态下，以柴油为动力的叉车 CO 排放浓度小于0.5%；慢速状态下，以汽油为动力的起重机 CO 排放浓度较高，达到 6%。慢速状态下，以汽油为动力的集装箱吊车 HC 排放浓度最高，达到 1 200 mg/L。因此，对于港口物流企业和交通管理部门来说，不能忽略慢速状态下物流设备的温室气体排放，对物流设备进行实时地监控管理尤为必要。

4 结束语

针对我国港口物流运作中大气污染的现状，分析当前港口物流碳排放管理中存在的问题，结合 RFID 和 WSN 技术各自的优缺点分析，构建RFID 与 WSN 技术融合的港口物流设备碳排放管理系统，实现了对港口物流设备碳排放信息的自动、精确采集。该系统开发运营成本低，覆盖范围广，便于对港口物流设备进行实时碳排放监控管理，有助于港口物流企业进行碳排放决策，实现节能降耗目标，提高港口的绿色竞争力。

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