基于WSN的冷鏈物流監控系統設計*

王紹卜

(浙江萬里學院 現代物流學院,浙江 寧波 315100)

經濟全球化的浪潮已經把世界融為一體，很多情況下某件產品從原材料的采購、加工、制造和組裝到銷售都分布在全球的各個角落，社會分工的不同使各個國家在其中扮演不同的角色，加速了物流業的發展。物流業在經濟發展乃至整個國民經濟中的地位與作用越來越重要，是企業降低能耗、提高勞動生產率以外的第三利潤來源。冷鏈物流是一種特殊的供應鏈系統，主要用來運輸對溫度要求較苛刻的、容易變質的生鮮食品，并且倉儲和作業環境也必須限制在適宜的低溫環境下，即冷鏈物流對運送過程、時間掌控、運輸形態有著特別的要求。

為了保證冷鏈物流的質量，使用ZigBee、RFID和GPRS技術，對冷藏車的運輸進行全面的動態監控，構建實時的監控和預警機制，減少貨物在流通及儲存中的變質損耗，方便信息追溯，并有助于質量事故的責任認定；同時可提高冷鏈食品的安全性，增強消費者信心，進而增加企業經濟效益[1-2]。

1 系統總體結構

系統總體結構如圖1所示。在運輸物品包裝箱上貼上特制的RFID電子標簽，安裝在運輸車輛冷藏箱內的溫度傳感器實時采集溫度數據;ZigBee節點上的腳本程序將溫度數據寫入RFID電子標簽，同時傳送到控制器進行處理；處理好的數據通過GPRS上傳到應用層上位機系統，后端處理系統將生成溫度變化圖表，完成對供應鏈的溫度變化監管[3]。

冷鏈物流監控一般有兩種應用模式：(1)在每個物流節點上傳溫度數據，物流管理平臺整合所有上傳數據，分環節監控物品質量；(2)在運輸車輛、船舶上安裝無線通信傳輸設備(如WSN、GPRS等)，物流管理平臺對目標物品進行實時監測。這兩種模式的唯一區別在于，后一種(即實時模式)能夠起到搶救部分貴重物品的作用，而不僅僅是像前一種模式只能鑒定物品是否遭到損壞[4]。本設計在進行溫度實時寫入電子標簽的同時，又通過網絡進行了數據傳輸，能同時滿足兩種應用模式的需求。

2 感知層

2.1 ZigBee節點設計

ZigBee節點是整個冷鏈物流監控系統的重要部件，采用微型嵌入式系統設計，負責在冷鏈物流活動過程中獲取實時溫度數據，并通過內置的傳輸功能實現節點間通信。

ZigBee節點能否穩定、準確地運行決定了整個監控系統的性能。整個節點由內置溫度傳感器的溫度采集模塊、數據處理(MCU)模塊、數據傳輸(ZigBee)模塊和電源管理模塊4部分組成，如圖2所示。

圖2 ZigBee節點結構圖

在節點的硬件開發過程中，選用TI公司的CC2530芯片。CC2530結合了領先的RF收發器的優良性能，是一個優良的SoC(片上系統)解決方案。CC2530外圍電路如圖3所示。其主要完成的功能有：(1)通過A/D轉換控制傳感器模塊完成實時溫度采集；(2)通過芯片內置的RF功能模塊進行數據收發；(3)通過節點的I/O口接收主機指令。

傳感器采集到數據后，由本地集成的微處理器進行處理，可使用串口通信方式完成節點與PC機的通信。

TI的CC2530芯片內集成了許多特色功能模塊，用戶只需進行簡單的外部電路設計就能實現所需要的功能。采用32 MHz無源晶振作為主時鐘晶振；無線RF模塊外圍電路采用無巴倫的阻抗匹配網絡,使用50 Ω鞭狀負極性天線，溫度傳感器采用DS18B20[5]。

2.2 電子標簽設計

射頻識別技術 (RFID)是一種非接觸的自動識別技術，其基本原理是利用射頻信號及其空間耦合、傳輸特性，實現對靜止的或移動中的待識別物體的自動識別。

一般的射頻識別系統由兩部分組成，即電子標簽(Tag)和讀頭(Reader)。電子標簽內可存放電子數據，作為待識別物品的標識性信息，其結構如圖4所示。在實際應用時，電子標簽安裝在被識別物體上，當被識別物體通過讀頭的讀取范圍時，將會以無接觸方式自動將電子標簽中儲存的信息讀取出來，完成信息的自動識別和收集。

圖4 電子標簽結構圖

溫度傳感標簽除具有識別與定位的功能外，感溫電子標簽還可通過感溫裝置獲取實時的溫度數據。在運輸過程中，若溫度發生改將會自動預警，并完成該過程中的溫度值實時記錄。當需要對冷鏈物流活動過程進行追溯時，通過分析電子標簽內自動采集的溫度數據(高性能電子標簽還可采集地理信息)、時間信息，推算出事故的原因、時間，有助于責任認定[6]。

在硬件結構上，帶有溫度傳感器的有源電子標簽由天線、無線射頻模塊、電源模塊、微控制器和傳感器組成。

當電子標簽處在工作狀態時，首先初始化無線射頻模塊及傳感器，對射頻收發器的收發地址、無線傳輸速率、頻率、發射功率、無線收發模式等信息完成初始設置；然后把傳感器定時采集到的數據通過通信接口發送給射頻芯片，射頻芯片再通過發射模式發送出去。

3 網絡層

在冷藏運輸車的車廂空間里根據ZigBee網絡的傳輸距離安裝ZigBee節點，并在節點的空間中心安裝網絡協調器(或路由器)。系統運行后，根據系統的初始設置，節點上的程序定時讀取溫度傳感標簽上的溫度數據，并通過ZigBee網絡傳送到駕駛室前臺的終端控制器。冷藏運輸車內的網絡圖如圖5所示。

終端控制器接收到溫度數據后，按如下步驟執行：

(1)將溫度數據寫入運輸車上的RFID標簽(或終端的Flash)。

(2)通過網絡(ZigBee、GPRS、WIFI)將溫度數據傳送到系統控制中心，控制中心上位機的監控系統進行動態的分析、跟蹤、決策。

(3)在未接到控制中心的指令前，終端控制器自動將采集的溫度值與預設定的農產品保鮮溫度進行比較，若超過設定的值差范圍，可自動控制制冷設備，以構建恒定的冷藏環境[7]。若接收到控制中心的指令，則按需求啟動控制程序。

本模塊主要完成信息的采集、傳輸和顯示終端的設計，通過嵌入式設計，將 GPRS模塊、RFID模塊、顯示接口模塊、客戶信息查詢接口模塊、溫度控制器模塊、電源管理模塊集成于ARM處理器上，構建一個實時、高效、性價比高的終端控制器，安裝于運輸車輛的駕駛室中，系統結構圖如圖6所示。

圖6 信息采集、顯示與控制結構圖

在ARM處理器的控制下，RFID模塊定時讀取溫度傳感標簽內存中動態的溫度數據，并轉存到處理器的專用存儲中；GPRS模塊負責將專用儲存中的溫度數據通過無線網絡送回后臺處理系統中；顯示接口模塊提供本地顯示信息，可供司乘人員實時查看相關信息；客戶信息查詢模塊可供客戶動態查詢所托運輸物品的冷藏環境信息；溫度控制模塊能在管理人員的控制下，實時調整冷藏溫度。

通過終端控制器，在運輸車行駛過程中，包裝箱上的RFID溫度標簽實時地記錄車內溫度的變化，同時通過GPRS網絡將這些溫度數據實時傳送到信息管理系統中[8]。

4 應用層

應用層主要實現對運輸車輛的行車路線、車內溫度的監控，同時提供客戶查詢端口，能按要求動態控制車內的溫度。應用層管理系統圖如圖7所示。

(1)系統初始化：能根據所承擔運輸的不同冷藏物品設置不同的環境溫度，完成溫度標簽初始數據(物品信息、溫度自動采樣頻率等)的設置。

圖7 應用層管理系統圖

(2)行車路線管理：能根據客戶的運輸要求，結合GIS系統完成最優行車路線的構建。在運輸過程中，通過GPS實時定位行駛中的車輛，動態地進行管理。

(3)冷藏溫度管理：通過GPRS傳輸的數據進入系統后，能根據設定的算法進行溫度曲線的計算。若觸發了臨界溫度開關，系統將自動報警，提醒管理人員或司機進行干預操作，進而實時調整冷藏溫度。

(4)客戶信息接口：能直接接收用戶設置的所托物品的產品信息和必須的冷藏溫度信息，同時也允許客戶在物品運輸過程中借助管理系統動態進行跟蹤和監督[9]。

5 監控系統性能實驗測試

為了驗證本冷鏈物流監控系統運行時的狀態，構建了一個仿真測試實驗，在一個冷藏運輸車中安裝了ZigBee節點、路由器、電子標簽、終端控制器。ZigBee節點均勻地分布于車廂內，確保能夠準確地監測溫度分布的信息。

啟動終端控制器上的初始化功能，預設車廂內環境溫度。待系統運行一段時間后，物理檢測車廂內的溫度，預設值與物理檢測值列表如表1所示。

表1 設定值與檢查溫度值對照表

分析檢測結果可知，物理檢查的溫度與預設定的閾值相近。當然，本仿真實驗是在理想狀態(車輛靜止、空廂狀態)下進行測試,實際冷鏈物流活動過程中存在許多不確定的因素。因此，在應用過程中，可以通過適當降低溫度閾值來保證冷鏈物流的環境要求[10]。

隨著社會的發展、生活水平的提高，對冷凍食品的質量要求越來越高，冷鏈物流已在生鮮食品的倉儲、運輸過程中廣泛應用。傳統的溫度控制系統通常采用有線傳輸信號的方式，布線費用較高并且維修不便。ZigBee作為一種新興無線通信技術，具有短距離、低復雜度、低功耗、低成本的優勢；GPRS是基于GSM系統一種新的分組數據承載業務，在間斷的、突發性的或頻繁的、少量的數據傳輸中有獨特的優勢。將ZigBee、GPRS和RFID引入溫度控制系統中，既能實現溫度的在線監控和智能控制，又能實時記錄數據以便溯源。

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[7]郎為民.射頻識別技術原理與應用[M].北京：機械工業出版社,2006.

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[10]王紹卜.基于物聯網技術的農產品冷鏈物流監控系統設計[J].中國物流與采購,2012(8)：60-61.