無線傳感器網絡在食品冷鏈物流監(jiān)控中的應用研究

畢思遠　李金峰　徐臻　付輝　林季敏　朱海

摘要物聯(lián)網作為解決食品冷鏈物流監(jiān)管不嚴的有效手段，成為各國關注的焦點，但由于物聯(lián)網存在高功耗、可控距離短和價格昂貴等缺陷，限制了其在食品冷鏈物流中的推廣，隨著基于ZigBee技術的無線傳感器網絡成為物聯(lián)網的核心技術，很好地解決了這些問題。利用基于ZigBee技術的多頻段組網協(xié)調器和木質卡板監(jiān)控系統(tǒng)，使用價格較低且布置密集的傳感器，由無線傳感器作為多跳路由進行傳輸，并結合RFID、GPS和GPRS等技術達到多頻段密集采集數(shù)據(jù)，長、短距離傳輸自主切換，低功耗和低投入等目的，加快物聯(lián)網在食品冷鏈物流中的應用和食品安全監(jiān)管規(guī)范化的進程。

關鍵詞物聯(lián)網；無線傳感器網絡；食品冷鏈物流；多頻段組網協(xié)調器；木質卡板監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號S1269文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）22-07553-04

作者簡介畢思遠（1983- ），男，山東濟南人，講師，博士，從事食品安全檢測和毒物分析研究。

收稿日期20140630近年來，食品安全問題日益突出，從食品的生產、運輸?shù)讲妥?，每一步都十分緊要，尤其是一些需要低溫儲存的食品，在運輸和儲藏過程中發(fā)生變質的現(xiàn)象十分常見。低溫儲存的食品對儲運環(huán)境有較高的要求，而目前對于冷鏈物流環(huán)節(jié)的監(jiān)管力度相對薄弱，如何加強對食品在冷鏈物流過程中的實時控制成為保證食品質量的重要一環(huán)。目前的控制現(xiàn)狀主要是通過紙質證書、密封標識和車載車廂溫度記錄儀相結合的手段來保證冷鏈物流中溫度的控制和冷鏈物流過程中食品品質的監(jiān)控，而這些監(jiān)管手短均存在一定的缺陷，如證書內容與實物的一致性、食品在運輸途中的可置換性以及運輸途中溫度監(jiān)控的準確性等[1]。那么就需要一種更有效的和可實時的監(jiān)控手段來提高冷鏈物流食品的安全性。

冷鏈運輸?shù)呢浳锒嘁詣游镌葱允称泛凸哳愂称窞橹?，其品質、保鮮度受環(huán)境溫度影響極大，與消費者健康關系又非常密切，在消費者和各媒體對于食品安全高度關注的環(huán)境下，公眾的眼光已逐漸從食品源頭和加工安全等核心內容轉移到物流和儲存等相關的外圍領域[2]。無論是乳制品還是其他生鮮等產品在運輸和存儲過程中都需要冷鏈監(jiān)控系統(tǒng)作為保障，開發(fā)研制可靠性高、性價比高的冷鏈溫度監(jiān)控系統(tǒng)來監(jiān)控乳制品和生鮮產品在儲運過程中的溫度變化和微生物量的變化是現(xiàn)代冷鏈物流發(fā)展的關鍵所在。

現(xiàn)代物聯(lián)網（Internet of Things）技術的應用為解決食物冷鏈物流問題帶來新的希望，而無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSN）在物聯(lián)網中擔當者連接傳統(tǒng)網絡的重任，這就使得對WSN在食物冷鏈物流中的研究開始逐漸增多。

1無線傳感器網絡概述

從日本的“UJapan”計劃、韓國的“UKarea”、美國的“智慧地球”、歐盟的“物聯(lián)網行動計劃”以及我國的“感知中國計劃”可知，物聯(lián)網的應用已經受到世界各國的緊密關注，并且已經處于應用的初級階段[3]。

物聯(lián)網主要是指解決物品到物品、人到人和人到物之間， 可以讓能夠獨立尋址的普通物理對象實現(xiàn)互聯(lián)互通的網絡[4]，其核心技術是通過信息傳感設備，實時采集需要監(jiān)控、連接、互動的物體或者過程，對其光、聲、熱、電、化學、力學、生物和位置等各種信息進行采集，并結合互聯(lián)網達到信息實時傳輸、監(jiān)控的目的，尤其是應用于冷鏈食品安全中，就需要將無線傳感器網絡與RFID、GPS和GPRS等多種技術進行整合、優(yōu)化和升級，達到對食品冷鏈物流過程中各項指標的智能化監(jiān)控[5]。

無線傳感器網絡作為物聯(lián)網中的關鍵技術，同時覆蓋物聯(lián)網構架的3個層次（感知域、網絡域和應用域），是由部署在監(jiān)測區(qū)域內大量微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信的方式形成一個多跳的自組織的網絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網絡覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。隨著無線通信、嵌入式計算和傳感器等相關技術的日益成熟，無線傳感器網絡的研究與應用也越來越廣泛。無線傳感器網絡體系包括分布式傳感器節(jié)點、目標節(jié)點（Sink）、Internet和用戶端。目標節(jié)點也就是數(shù)據(jù)中心，其處理能力、存儲能力和通信能力都相對較強，可同時連通傳感器網絡與外部網絡，從而實現(xiàn)協(xié)議棧之間的通信互換，用戶可以通過互聯(lián)網或者衛(wèi)星與目標節(jié)點進行通訊[5]。

1.1基于ZigBee技術的多頻段組網協(xié)調器技術ZigBee多頻段組網技術是一種部署無線傳感器網絡的新技術，是一種介于無線標記技術和Bluetooth之間的短距離、低速率和低功耗的無線通信技術。此技術利用ZigBee芯片與ARM芯片相連，并且分別工作于不同的頻段上，分別完成ZigBee網絡的組件，當收到來自不同網絡的信息后，分別在不同的ZigBee芯片上處理，最后將采集到的數(shù)據(jù)和命令發(fā)往ARM芯片處理，由于可在多個頻段同時工作，這就減小了相互之間的干擾，同時提高了工作效率[6]。

圖1中，ZigBee芯片和ARM芯片相連，而外部存儲器、液晶屏、電源模塊、時鐘、按鍵和LED與ARM芯片相連。ZigBee無線調制解調器（Modem）和一種低功耗的微處理器（MCU）構成ZigBee芯片，主要功能是負責ZigBee組網、無線通信和處理傳感器模塊數(shù)據(jù)等功能，然后和ARM芯片通過非同步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART ）連接[6]。

圖1基于ZigBee技術的多頻段組網結構1.2基于ZigBee技術的木質卡板監(jiān)控系統(tǒng)新研發(fā)的基于ZigBee技術的木質卡板監(jiān)控系統(tǒng)包括控制中心和多個帶有GPRS模塊的ZigBee路由器節(jié)點以及木質卡板終端監(jiān)控設備（圖2）。其中，ZigBee路由器節(jié)點通過GPRS與控制中心相連，而ZigBee路由器節(jié)點與木質卡板終端監(jiān)控設備無線連接。由于該卡板上加裝了傳感器節(jié)點，所以可以做到唯一標識，并且做到非接觸式讀取，同時可以對高溫消毒過程實現(xiàn)有效的監(jiān)管，還可以記錄每次通關時間，這就非常顯著地提高了對卡板地監(jiān)管力度，同時極大地提高了監(jiān)管效率[7]。

圖2基于ZigBee技術的木質卡板監(jiān)控系統(tǒng)2無線傳感器網絡特點

2.1節(jié)點眾多，分部密集在整個目標監(jiān)控區(qū)分部數(shù)量巨大的傳感器節(jié)點，這樣就可極大地提高了監(jiān)控區(qū)域的范圍和監(jiān)控的精度，以及減少監(jiān)控盲區(qū)的出現(xiàn)，同時利用傳感器之間的高度連接性來保證系統(tǒng)的容錯性[8]。

2.2自由組網網絡的布施和展開不依賴于任何網絡設施，各節(jié)點通過分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調各自的行為，自動地組成獨立網絡，進行自動管理和自動配置[9]。

2.3以數(shù)據(jù)為主由于節(jié)點設計的靈活性，就使得節(jié)點編號與傳感器網絡之間的關系是隨機動態(tài)的，因此，對于無線傳感器網絡通信來說，傳感器所采集的事件比確定編號節(jié)點更加重要，也就是以數(shù)據(jù)為中心[9]。

2.4無中心無線傳感器網絡中各個節(jié)點之間的地位是平等的，是一個對等式的網絡，節(jié)點可以隨時地加入或者離開網絡，節(jié)點的無中心性賦予整個網絡具有很強的抗毀性[5]。

2.5多跳路由由于網絡節(jié)點的通信距離有限，一般在幾十米到幾百米的范圍內，所以各節(jié)點間只能尋找短距離目標通信，這樣就需要中間節(jié)點進行路由。多跳路由使用網關和普通網絡節(jié)點來實現(xiàn)，這樣每個路由就同時充當了信息的發(fā)起者和轉發(fā)者[5]。

2.6動態(tài)拓撲由于網絡節(jié)點加入整個網絡的隨機性，使得整個網絡的拓撲結構隨時地在發(fā)生變化，因此，無線傳感器網絡應該具有動態(tài)拓撲組織的能力[10]。

2.7多頻段、非接觸式讀取由于該設計使用了基于ZigBee的多頻段組網協(xié)調器技術和木質卡板監(jiān)控系統(tǒng)，所以達到可以多頻段、非接觸式讀取標識的效果。這就大大提高了整個無線傳感器網絡的工作效率，并彌補了功耗大的缺點[6-7]。

3無線傳感器網絡在冷鏈物流中的組織結構

由于無線傳感器網絡采用微型傳感器節(jié)點組成的傳感器網絡，且采用對等式節(jié)點拓撲布置傳感器網絡，在較集中的監(jiān)測區(qū)域內布置傳感器網絡，然后通過網關與控制中心進行通信，是一個以數(shù)據(jù)為中心的傳感器網絡，網關節(jié)點融合的數(shù)據(jù)相當于來自一個分布式的數(shù)據(jù)庫。

圖3所示是一個層次型網絡機構，最底層為部署在實際監(jiān)測環(huán)境中的傳感器節(jié)點，向上依次為傳輸網絡、基站，最終連接到Internet。此系統(tǒng)構架可分為3個部分：感知域、網絡域和應用域。其中，圖3食品物流冷鏈控制監(jiān)測中的系統(tǒng)體系結構感知域主要是實現(xiàn)對興趣信息的采集和處理，采用的主要技術手為無線傳感器網絡技術，主要節(jié)點包括傳感節(jié)點、匯聚（Sink）節(jié)點；網絡域主要是實現(xiàn)傳感器網絡信息的承載和傳送，如Internet網、移動通信網絡、衛(wèi)星通信網等；應用域主要是實現(xiàn)對獲取到的信息的表示及分析應用，主要是信息管理節(jié)點。

4移動節(jié)點的構成

4.1低成本節(jié)點布置方案在貨柜或集裝箱上安裝無線傳感器網絡節(jié)點，RFID讀卡器、傳感器、GPS以及GPRS等模塊作為外掛模塊與其連接，無線節(jié)點采用路由器設計，當貨柜或集裝箱處于監(jiān)管區(qū)域時，無線節(jié)點加入監(jiān)管區(qū)域的無線傳感器網絡并傳輸數(shù)據(jù)，被監(jiān)管物品由RFID標簽標識，監(jiān)管人員可以通過無線傳感器網絡發(fā)送命令，啟動RFID讀卡器，讀取內容物的信息，同時無線節(jié)點定期喚醒傳感器和GPS，記錄環(huán)境信息、位置和速度等信息，存儲于內部數(shù)據(jù)庫中。當環(huán)境參數(shù)超標和運載工具未按預定路線行駛時，無線節(jié)點啟動突發(fā)傳送，上傳警報信息，一旦集裝箱或貨柜脫離無線傳感器網絡時，所有的警報信息傳輸由GPRS負責（圖4）。

圖4低成本節(jié)點布置結構42卷22期畢思遠等無線傳感器網絡在食品冷鏈物流監(jiān)控中的應用研究這一節(jié)點的布置方式成本低廉、結構簡單、功能可滿足現(xiàn)有需求，但存在一定的監(jiān)控盲區(qū)。以冷凍食品為例，在產品生產完到進入冷庫之前，冷凍食品有一段時間處于受控環(huán)境外，可能因受到污染或環(huán)境溫度超標引起的品質變化，而系統(tǒng)無法得知；作為一種折衷的處理方法可以在食品生產商信息裝載完成，且脫離受控環(huán)境后，在食品生產商信息的RFID中記錄時間，回到受控環(huán)境后再次讀取時間，得到脫離受控環(huán)境的時間長度，從而間接推斷其承載貨品受影響的程度。同時，此布置方式對食品生產商信息的監(jiān)控力度較弱，不能自動記錄食品生產商信息。

4.2全功能的布置方案在食品生產完成后在食品生產商信息上加裝無線傳感器節(jié)點，實時記錄食品生產商信息及其承載物的周邊環(huán)境信息，貨柜或集裝箱上的無線節(jié)點只完成路由功能，路由節(jié)點定期喚醒傳感器節(jié)點讀取數(shù)據(jù)，在無線傳感器網絡覆蓋的區(qū)域，食品生產商信息上的節(jié)點可以通過路由器節(jié)點獨自加入網絡實現(xiàn)通訊，處在網絡之外時可以通過路由節(jié)點使用GPRS上報數(shù)據(jù)與報警信息，當路由節(jié)點不可見時，則傳感器節(jié)點定期采集環(huán)境信息并記錄在本地數(shù)據(jù)庫中，待加入網絡后再上傳數(shù)據(jù)（圖5）。

此節(jié)點布置方式將環(huán)境信息的采集和記錄放在食品生產商信息上進行，由于在運輸過程中食品生產商信息為最小轉運單位，不會與其上的承載物分離，所以可以避免監(jiān)測盲區(qū)的出現(xiàn)。由于食品生產商信息存在易偽造和易出錯的缺陷，一旦食品生產商信息加裝了無線傳感器網絡節(jié)點，一方面，可以標識每次食品離境時間；另一方面，食品運輸工具上帶的溫度傳感器可以準確無誤地記載食品生產商信息是否接受合格的消毒處理程序。但全功能節(jié)點布置方式成本較高，且網絡拓撲結構復雜，實現(xiàn)難度相對較高。

這兩種方案各有優(yōu)缺點，可從第一種方案方便升級到第二種方案，也可兩種方案兼容并存，按需求選擇。