基于低功耗蓝牙的军用物资运输环境实时监控系统研究

魏建宇 马文彬 卢爱臣

陆军军事交通学院 天津 300161

引言

随着我国军事综合实力的不断增强，我军职能、使命与备战任务呈多样化拓展趋势，军用危险品的使用范围、使用频率、使用性能要求都日益增加，同时，军用危险品的交通运输保障任务也日益加剧[1]。公路运输作为军事交通运输的重要组成部分，在危险品运输中发挥着重要作用，而公路运输由于其机动灵活、速度快、及时、适应性强等优点，成为军用危险品最常用的运输方式。

军用危险品主要包括军用雷管、点火管、爆破药块、硝化纤维无烟药、各种炸弹、毒剂等，受到热、明火、摩擦、震动、撒漏、湿度以及辐射等影响，容易引起燃烧、爆炸、腐蚀、中毒、放射性沾染等危险，进而造成物资财产损失或危及人身安全。

本文对军用危险品公路运输安全监控技术进行研究，集成低功耗蓝牙BLE、窄带物联网NB-IoT、树莓派串行通信等技术，并根据军用危险物资运输要求以及运输环境条件，开展应用创新，突破军用危险品公路运输安全监控的关键性技术问题。

1 系统总体方案设计

本研究对军用危险货物的运输环境参数进行获取与分析，研究如何构成一个基于物联网的军用物资运输环境实时监控系统。

系统使用树莓派计算机作为处理核心，BLE模块将采集到的数据通过低功耗蓝牙协议传送到树莓派管理平台，由管理平台进行数据分析，发出报警或预警信息，树莓派平台通过串口将数据传送至NBIOT模块，NBIOT模块将数据传送至云端[2]。管理人员可以通过互联网对军用物资进行实时监控和跟踪，整个系统功耗低、使用寿命长、数据准确有效，可有效地降低运输风险、减少运输事故、确保运输安全。系统的主要功能有：实跟踪军用物资状态、运输车辆内环境、管理平台与车载设备的信息交互、环境分析与预警提示等。

①数据采集终端配置物资温度、环境温度、湿度、磁、光、陀螺仪、加速度计、压力等多个传感器，用于读取在运物资的实时理化参数和姿态参数，通过BLE低功耗蓝牙协议将数据无线传送给树莓派车载终端。②树莓派车载终端通过BLE无线蓝牙协议获取采集终端的实时数据，根据协议格式进行解析，将数据经串口传送至NBIOT模块。③NBIOT模块通过AT指令将所获取的实时数据以一定的频率上传至云端保存。④云端管理平台完成数据整合与呈现。

3 系统硬件设计

3.1 数据采集模块

数据采集模块主要负责数据的终端采集与预处理，在运物资的状态参数主要包括理化参数和姿态参数，理化参数主要包括物体温度、环境温度、温度磁场强度、光照强度，姿态参数主要包括倾斜角度、运动速度、运动加速度、压力，如图1所示。以上数据分别通过集成的各类传感器按照设定的采集周期进行数据采集，并传输至数据采集模块的核心CPU——CC2650/CC2640R2F，采用蓝牙5.1协议，核心CPU按照BLE协议将按照蓝牙数据格式将获取的数据打包，传输至树莓派车载终端。

图1 在运物资状态参数

3.2 车载模块

车载模块通过BLE低功耗蓝牙技术，对采集模块传送的数据包进行实时解析，并具备一定的本地存储与分析能力，能够根据设定的相关阈值进行预警及报警处理。车载模块还是数据采集模块与NBIOT模块的桥梁，一方面能够实现数据的精准接收，另一方面通过USART串口将数据发送给NBIOT模块。

3.3 传输模块

传输模块选用NBIOT模块，它集通信与定位功能于一体，一方面通过UDP/TCP/CoAP/LWM2M/MQTT等协议将树莓派终端解析出的数据传输至物联网云平台，另一方面实时精准定位，支持多种卫星系统解调算法，管理平台能够获取在运物资的精确位置，能够很好地满足功耗、数据准确性和定位精度的需求。

3.4 管理模块

管理平台模块基于Java Web进行搭建，集成了Struts、Hibernate和Spring框架。该平台用于处理若干个车载终端和NBIOT传输的数据。它不仅要与军用物资运输车上的树莓派模块进行通信，还要对监测到接收到的信息进行存储和处理，如图2所示。

图2 管理平台结构框图

管理平台通过互联网接收数据采集终端采集的物资实时理化参数和姿态参数信息，将数据存储于数据库中，同时以图像的形式呈现出来，管理员可直观地了解到物资的环境状态变化，并可方便地进行数据的比对、分析。

4 系统软件设计及实现

系统软件主要功能为终端数据采集、蓝牙通信、NB-IoT数据传输、管理终端设计。

4.1 数据采集

CC2640R2F是基于低功耗蓝牙5.1协议栈的无线数据传输芯片，通信双方共同按照统一的通信标准进行数据收发。协议栈是协议的具体代码实现，即用代码封装起来的库函数，以便开发人员调用[3]。蓝牙5.1协议栈包含了低功耗蓝牙通信协议和设备配置的所有功能，系统需要对任务列表中的任务进行注册和初始化，主要包括协议本中各协议层的系统任务和用户的自定义任务，程序中通过一个for循环不断查看事件表，并循环查看事件表中是否有事件发生。

系统根据温度传感器、湿度传感器、加速度传感器、电子罗盘、气压传感器和陀螺仪等传感器采集到的原始数据，进行数据格式转换以及数据平均处理，且按照预先设定好的频率进行数据更新。所有传感器的服务和特征均根据128位的UUID来区分，每种传感器拥有1个服务、1个数据特征、1个配置特征和1个读取周期设置特征。

4.2 树莓派蓝牙通信

蓝牙CC2640R2F节点设备上电后完成设备的初始化，而后向外发送广告信息，使设备处于可发现状态，广告信息中包含蓝牙节点设备的名称、通信地址等设备信息。然后，树莓派向外发送设备扫描信息，扫描信息中包含节点设备的身份信息和特定的UUID，如果扫描到了附近有正在向外发送广告信息且未配对的节点设备，则将两设备GAP服务的UUID进行匹配，匹配成功之后即可进行连接。

在建立蓝牙连接之后，树莓派会发送想要访问的GATT服务的UUID，节点设备在收到树莓派的请求信息后会把收到的UUID与自己的主服务UUID相匹配，只有相匹配的UUID设备才能获得GATT数据服务。当树莓派成功获得GATT服务之后，还需要得到需要的“特征”的句柄，这样才能找到属于“特性”的服务然后用来读写特征值，而获取“特性”的句柄则需要通过调用GATT的特性发现函数加上这个“特性”的UUID。当蓝牙节点设备收到树莓派发来的需要“特性”的请求后，会将此句柄返回给树莓派，树莓派得到句柄后会再次调用GATT特性发现函数来处理并返回GATT信息，应用这个句柄来进行数据的读写，从而完成树莓派与节点设备的一次数据交互，具体数据传输过程如图3所示。

图3 树莓派蓝牙通信数据传输流程

4.3 NB-Iot数据传输

NB-IoT模块作为监测控制的通信中枢，在系统中占据十分重要的地位。系统通信模块选型是BC95模块，通过AT指令来实现数据的同步控制与传输。软件设计上主要包含NB-IoT模块初始化、NB-IoT模块入网、NB-IoT模块数据传输3个方面[4]。当BC95模块上电复位后，系统先检查SIM卡是否连接成功，连接成功后，分别对数据传输格式、云端服务器信息进行配置，并检测数据是否能够按照云平台的指令进行实时上传，检测通信是否能够正常接受指令和发送采集信息，这些检测主要使用AT命令来实现。随后，NB-IoT模块通过MQTT协议，将数据传输到云平台，云平台在接收到信息后将封装的数据进行解析，解析成云平台可读取的格式进行存储，以备管理终端进行数据呈现。

4.4 管理终端软件设计

为了实现对物资监测终端数据实时呈现和智能化管理，开发终端管理平台软件，软件基于JAVA语言、B/S体系结构开发，在对整体逻辑和需求进行分析后，管理平台设计以下功能：

4.4.1 用户登录。实现用户登录功能以实现用户登录的正规性，防止不法人员进入系统查看、盗用数据信息，登录时只有用户输入相关参数比对无差别时才会进入系统界面，保证系统的数据安全。

4.4.2 数据实时展示。将节点设备采集到的各状态数据呈现在管理平台界面，使管理人员能够实时掌握物资的各项参数，并具备图像展示和对比功能，以便及时发现物资中隐藏的安全隐患。

4.4.3 历史数据查询。以图、表等形式展示在运物资运输途中的参数历史变化趋势，为工作人员分析物资在运输途中的状态变化提供数据支撑。

4.4.4 报警管理。当物资状态参数出现异常，超出相应参数正常阈值时，系统及时对发生的危险情况做出提醒，并将报警事件记录到安全日志当中。

5 结束语

本文通过采集压力、温度、湿度、罗盘、加速度计、陀螺仪等6种传感器的实时数据，实现对军用运输物资的环境温度、环境湿度、目标温度、气压、当前方位、目标角度和直线变化等数据进行显示和监控，对于公路危险货物运输与管理的实时智能监控，提高物资运输的安全性具有一定的现实意义。