基于ZigBee技術的果蔬冷鏈物流實時監測系統

馮賀平++吳梅梅++楊敬娜

摘要：新鮮果蔬在運輸過程中，因溫度、相對濕度等原因而影響果蔬的新鮮程度，甚至會出現果蔬腐爛問題，從而造成巨大的經濟損失。為了減少果蔬運輸過程中的損耗，提高果蔬冷鏈物流信息化程度，提出以ZigBee協議為基礎的無線傳感器網路的果蔬冷鏈物流實時在線監控系統。系統采用CC2530片上系統構建ZigBee網絡，實現對冷藏庫溫度、濕度的實時在線監控，路由器節點和協調器均采用CC2530。組網測試表明，該系統硬件結構簡單，能夠對溫度、濕度進行可靠檢測，從而最大限度地降低果蔬運輸中的損失。

關鍵詞：果蔬；冷鏈物流；無線傳感器網絡WSN；ZigBee；溫度；濕度；可靠檢測；物流損失減控

中圖分類號： TP274；F252文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）06-0219-03

我國果蔬生產、消費及出口量均居世界前列，而且國內居民日均消費量數萬噸，如果果蔬在流通過程中溫度、濕度控制不當，極易腐爛、變質，從而帶來很大的損失。為了降低果蔬物流過程中的損失，確保其質量安全，目前多采用冷鏈物流（cold chain logistics）。冷鏈物流指將易腐的生鮮產品在生產、貯藏運輸、銷售到消費前的各個環節中始終處于規定的低溫環境下，以保證食品質量、減少食品損耗的一項系統工程[1-2]。在冷鏈物流中，對貨物存儲時間、實時溫度、濕度及運輸時間等參數都要進行實時監控，傳統的人工采集和書面記錄方法已經不能滿足要求。目前，冷鏈溫度的監測多為射頻識別技術（RFID）、安全數碼卡（SD）溫度記錄系統，也不能實時監測冷鏈中的溫度[3-5]。文獻[6-9]對冷鏈物流進行了一系列研究，本研究在此基礎上，設計基于ZigBee技術的果蔬冷鏈物流實時監控系統，以期對冷鏈物流中溫度、濕度進行實時在線監控，對解決冷鏈物流現存問題具有一定意義。

1監控系統基本結構

1.1基于ZigBee的監控系統的總體結構

基于ZigBee技術的果蔬冷鏈物流實時監控系統是由數據采集模塊、數據匯集模塊和服務器模塊3個部分組成的。數據采集模塊即路由節點，為無線濕度、溫度采集節點，主要負責采集冷藏室或冷庫內的實時濕度、溫度數據；數據匯集模塊即協調節點，負責匯集、處理和實時發送數據；服務器即監控中心，負責接收數據、存儲數據、發送命令和報警信息，實時監控系統結構如圖1所示。

1.2ZigBee技術

ZigBee是IEEE 802.15.4協議的代名詞，由這個協議規定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。IEEE 802.15.4 負責開發ZigBee網絡層次中的下2層，即媒質訪問控制層、物理層；ZigBee聯盟負責網絡層以上的協議開發。ZigBee因具有低成本、低速率、短延時、高安全性、免執照頻段等技術優勢，被廣泛應用于智能家居、農業自動化、智能交通等領域。ZigBee協議結構如圖2所示。

2監測系統的硬件設計

2.1路由器節點設計

路由器節點的作用是將無線溫濕度傳感器采集到的濕度、溫度通過ZigBee網絡發送給協調器節點。該實時監測系統的路由器節點由美國TI公司推出的CC2530構成，CC2530具有完整的2.4GHz射頻片上系統解決方案。溫濕度傳感器為瑞士Sensirion公司推出的基于CMOSensTM技術的新型溫濕度傳感器SHT11。CC2530集成了高性能、低功耗的8051微控制器及符合IEEE802.15.4標準的2.4 GHz高性能射頻收發器。SHT11將互補金屬氧化物半導體（CMOS）芯片技術與傳感器技術結合起來，發揮出它們強大的優勢互補作用。路由器節點硬件結構如圖3所示。

2.2協調器硬件設計

網絡協調器節點是無線傳感器網絡（WSN）的關鍵，用于建立和維護ZigBee網絡。它的功能是接收路由器節點的濕度、溫度數據信息再將信息匯總后上傳到上位機，再將接收到的上位機采集命令發送給路由器，同時還須接收上位機的輪詢命令。在系統協調器節點中，微處理器、射頻發射模塊仍采用CC2530片上系統，為實現與上位機通信以及實現遠程監控，監控系統采用通用分組無線業務（GPRS）模塊和RS-232串行接口。協調器節點硬件結構如圖4所示。

3監控系統軟件設計

本研究路由器節點、協調器節點軟件系統采用的是IAR Embedded Workbench for 8051嵌入式集成開發環境，軟件使用TI公司開發的ZigBee協議棧Z-Stack。Z-Stack協議棧裝載在1個基于IAR公司開發環境的工程中，開發語言為C語音。它采用事件輪循機制，從而降級系統的功耗。系統上位機監測軟件采用美國IN公司開發的圖形化軟件 LabView8.6 進行開發設計。

3.1路由器節點的軟件設計

路由器節點應用程序只須對Z-Stack協議棧的應用層進行開發。在路由器節點上電后，先進行系統初始化操作，初始化完成后，Z-Stack系統開始輪詢任務。如果應用層定義的濕度、溫度采集任務已準備就緒，則觸發該事件的處理函數；若沒有事件發生，系統進入低功耗工作模式。路由器節點的軟件流程如圖5所示。

3.2協調器節點軟件設計

協調器節點和路由器節點類似，協調器節點在啟動后也是先對硬件進行初始化，主要包括Soc片上系統的硬件初始化、串口初始化。串口初始化主要是對串口進行配置，設置奇偶校驗位、數據速率及停止位等。初始化完成后，協調器建立ZigBee網絡并等待路由節點發送入網請求，路由節點入網后，協調器開始監聽信道，如有路由器濕度、溫度數據送達，則發送ACK應答信號確認收到信號，將數據和路由器節點建立關聯并將數據上傳，在數據上傳成功后或數據3次上傳失敗后開始下一次循環。協調器軟件流程如圖5所示。

3.3系統測試

系統測試時，冷鏈溫度環境使用海爾冷柜來模擬，將3個路由器節點分別放置于冷柜的右側、左側和中間位置，溫濕度傳感器每隔20min采集1次數據，協調器節點把匯總的溫濕度傳感器采集到的數據通過GPRS模塊上傳到遠程上位機監測軟件上，并由監測軟件實時向數據庫存儲數據，測試數據見表1。從表1、圖6可以看出：（1）本測試系統能穩定、準確地監測環境濕度、溫度的實時變化情況且沒有丟包現象；（2）冷鏈系統中路由器節點位置不同，濕度、溫度略有不同，四壁溫濕度低于中間溫濕度。

4結論

本研究提出的基于ZigBee技術的果蔬溫濕度實時監測系統采用Z-Stark協議棧為開發軟件，適用于果蔬冷鏈物流系統。它能夠穩定、可靠、準確地實時監測冷鏈物流環境下濕度、溫度參數的變化情況，減少冷鏈物流環節的經濟損失。本系統硬件結構設計簡單，成本和功耗都比較低，對其他系統濕度、溫度等參數監測具有一定的參考價值。

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doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2017.06.058