基于WSN的冷鏈物流監(jiān)控系統(tǒng)的研究

姚 潔, 邱 勁

(1. 福州外語(yǔ)外貿(mào)學(xué)院, 福州 350000; 2. 福建省高速公路有限責(zé)任公司福州管理分公司 福州西監(jiān)控分中心, 福州 350000)

基于WSN的冷鏈物流監(jiān)控系統(tǒng)的研究

姚 潔1, 邱 勁2

(1. 福州外語(yǔ)外貿(mào)學(xué)院, 福州 350000; 2. 福建省高速公路有限責(zé)任公司福州管理分公司 福州西監(jiān)控分中心, 福州 350000)

為了對(duì)冷鏈物流狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控, 減少運(yùn)輸環(huán)節(jié)的“斷鏈”現(xiàn)象, 設(shè)計(jì)了基于WSN的冷鏈物流監(jiān)控系統(tǒng). 該系統(tǒng)以ZigBee網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)組建了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò), 實(shí)現(xiàn)對(duì)冷藏車溫濕度的控制. 再由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)控制各傳感節(jié)點(diǎn)監(jiān)控工作.最后由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過(guò)GPS和GPRS結(jié)合的通信模塊將相關(guān)信息發(fā)送到監(jiān)控中心. 監(jiān)控中心采用B/S構(gòu)架, 方便用戶實(shí)時(shí)查詢冷鏈物流信息. 通過(guò)測(cè)試表明, 該系統(tǒng)能極大方便產(chǎn)品企業(yè)、物流企業(yè)和消費(fèi)者對(duì)冷鮮產(chǎn)品的實(shí)時(shí)監(jiān)控和車輛定位等服務(wù), 有效降低了冷鮮產(chǎn)品的損失率.

冷鏈物流; 監(jiān)控; ZigBee; 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)

引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高, 對(duì)冷鮮食品的需求也進(jìn)一步加大. 我國(guó)冷鮮產(chǎn)品腐損率一直居高不下(果蔬為20%～30%、肉類為12%、水產(chǎn)品為15%), 每年果蔬損失高達(dá)4807萬(wàn)噸、肉類為555萬(wàn)噸、水產(chǎn)品為730萬(wàn)噸. 而發(fā)達(dá)國(guó)家冷鮮品的腐損率低于5%. 損耗率高的原因在于冷鏈物流體系全面落后. 許多低溫處理的農(nóng)產(chǎn)品在運(yùn)輸、銷售等環(huán)節(jié)時(shí)常出現(xiàn)“斷鏈”現(xiàn)象, 全程冷鏈監(jiān)控的比率過(guò)低. 因此,產(chǎn)品在運(yùn)輸中是否按要求存貯、存儲(chǔ)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控、運(yùn)輸車的實(shí)時(shí)定位等都成為產(chǎn)品生產(chǎn)者、物流公司及消費(fèi)者關(guān)心的問(wèn)題. 隨著物聯(lián)網(wǎng)的推廣, 國(guó)內(nèi)外對(duì)冷鏈物流的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)有了進(jìn)一步的發(fā)展. 例如,文[3]設(shè)計(jì)的系統(tǒng)將監(jiān)控深入到生產(chǎn)環(huán)節(jié), 但是其缺少實(shí)時(shí)監(jiān)控, 無(wú)法適應(yīng)冷鏈物流監(jiān)控. 而其他冷鏈實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng), 雖然功能能夠滿足冷鏈物流的實(shí)時(shí)監(jiān)控, 但基本都采用GSM模塊作為其協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn), 產(chǎn)生的通信費(fèi)用較高且傳輸速度較低.

本文從如何有效方便地讓物流公司和產(chǎn)品企業(yè)通過(guò)終端設(shè)備獲得產(chǎn)品的運(yùn)輸存儲(chǔ)信息和位置信息,消費(fèi)者又能方便、快捷地查詢產(chǎn)品溯源入手, 提出基于WSN的冷鏈物流監(jiān)控系統(tǒng), 以期達(dá)到產(chǎn)品企業(yè)、物流企業(yè)、消費(fèi)者共贏的目的[1～3].

1 冷鏈物流系統(tǒng)搭建方案分析

WSN環(huán)境下的冷鏈物流監(jiān)控系統(tǒng)主要由三部分組成, 如: 冷藏車車載監(jiān)控平臺(tái)、骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

(1) 冷藏車車載監(jiān)控平臺(tái)通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)冷藏車車內(nèi)組網(wǎng). 即利用分布在冷藏車內(nèi)的多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)采集車內(nèi)的濕度和溫度并通過(guò)Zigbee網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)時(shí)信息.

(2) 骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)采用GPS+GPRS通信模塊, 負(fù)責(zé)將采集到的實(shí)時(shí)溫度和濕度信息結(jié)合定位信息封裝成TCP/IP數(shù)據(jù)包, 通過(guò)通訊網(wǎng)(2.5G)發(fā)送到監(jiān)控中心.

(3) 監(jiān)控中心負(fù)責(zé)將從骨干網(wǎng)收集到的數(shù)據(jù)(如溫度濕度信息、車輛當(dāng)前位置等)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中, 再結(jié)合上位機(jī)軟件進(jìn)行設(shè)置, 方便用戶的實(shí)時(shí)監(jiān)控和查詢.

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 基于WSN的冷鏈物流監(jiān)控系統(tǒng)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示.

圖2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1.1 Zigbee網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)

Zigbee網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)責(zé)對(duì)冷藏車車內(nèi)的溫度和濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和傳輸. Zigbee網(wǎng)絡(luò)主要由傳感器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)三部分構(gòu)成:

(1) 傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)實(shí)施監(jiān)控車內(nèi)溫濕度并發(fā)送數(shù)據(jù);

(2) 路由節(jié)點(diǎn)用于構(gòu)建Zigbee網(wǎng)絡(luò);

(3) 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是車內(nèi)主網(wǎng)的控制系統(tǒng), 負(fù)責(zé)接收傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的溫濕度信息、GPS定位的數(shù)據(jù),最后, 通過(guò)GPRS移動(dòng)通信模塊(2.5G)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制中心.

無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)是WSN的關(guān)鍵組成部分, 因?yàn)楦兄?、處理和通信都是靠?jié)點(diǎn)來(lái)完成的, 節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并執(zhí)行通信協(xié)議和數(shù)據(jù)處理算法. 傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器子系統(tǒng)、處理器子系統(tǒng)、無(wú)線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四部分構(gòu)成. 為提高系統(tǒng)的可靠性和集成性, 采用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)片上集成系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn). 通過(guò)比較多種自帶內(nèi)核并符合IEEE 802.15.4規(guī)范的Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議芯片, 本系統(tǒng)采用CC2530片上系統(tǒng)解決方案. CC2530芯片還帶有8051CPU、128KB系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存、2個(gè)支持多種串行通信協(xié)議的強(qiáng)大USART、21 個(gè)通用I/O 引腳. 它能夠低功耗、低成本、高靈敏度地建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)[4,5].

CC2530芯片自帶模擬溫度傳感器, 但其獲取溫度范圍較小, 考慮到冷藏車內(nèi)空間較大等因素, 還需使用外部溫度傳感器, 兩者同時(shí)來(lái)獲取溫濕度數(shù)據(jù). 本系統(tǒng)采用了DS18B20溫濕度數(shù)字傳感器, 測(cè)溫范圍?55℃～+125℃, 體積小, 適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域. 在使用中不需要任何外圍元件, 具有節(jié)點(diǎn)低功耗、電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn), 同時(shí)靈敏度高, 在溫度突變情況下其溫度轉(zhuǎn)換時(shí)的延時(shí)時(shí)間為750ms; 安裝方便, 用杜邦線將之與傳感器節(jié)點(diǎn)相連接即可.

路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)包括微處理器、無(wú)線傳輸模塊和電源這幾個(gè)部件. 通過(guò)對(duì)傳感節(jié)點(diǎn)芯片的選擇分析, 該芯片模塊完全滿足其需求, 增強(qiáng)了系統(tǒng)的兼容性. 同時(shí), 還可以根據(jù)用戶自己需要編程調(diào)試, 構(gòu)建ZigBee網(wǎng)絡(luò). 芯片擁有的兩個(gè)串行接口可與GPS模塊和GPRS模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)縫傳輸. 因此系統(tǒng)也采用CC2530作為路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn).

2.1.2 GPS+GPRS通信平臺(tái)設(shè)計(jì)

通信平臺(tái)主要負(fù)責(zé)將ZigBee網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息和車輛定位信息通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送到上位機(jī)監(jiān)控中心.

通信平臺(tái)采用杭州晶控電子有限公司開(kāi)發(fā)的GPS和GPRS二合一模塊, 即SIMCOM GPRS模塊與SIRF StarIII Gstar GS-89 GPS模塊相結(jié)合. 該模塊保留了原來(lái)SIM300 GPRS和GPS的全部功能, 還新增加了藍(lán)牙接口資源, 方便外部設(shè)備接入. 該二合一模塊的源程序包可以實(shí)現(xiàn)將接收到的定位信息通過(guò)GPRS移動(dòng)通信方式發(fā)到上位機(jī)，提高了兼容性和可靠性. GPRS通信模塊與ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)相采用串口或者TTL口相連接, 將實(shí)時(shí)采集到的溫濕度信息結(jié)合GPS定位模塊輸出的時(shí)間、經(jīng)度、緯度、速度等相關(guān)信息通過(guò)短信或者GPRS連接到Internet傳輸?shù)奖O(jiān)控中心[6].

圖3 WSN傳感器節(jié)點(diǎn)工作流程圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

WSN傳感器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在EW(IAR Embedded Workbench)開(kāi)發(fā)環(huán)境中通過(guò)ZigBee通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng). ZigBee網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)采用的CC2530芯片能夠無(wú)縫支持ZigBee協(xié)議. 通信模塊由于使用GPS+GPRS通信模塊, 因此不要另行開(kāi)發(fā), 可以直接在EW中通過(guò)AT指令完成調(diào)試.監(jiān)控中心上位機(jī)采用B/S開(kāi)發(fā)模式,用戶可以通過(guò)Internet訪問(wèn)上位機(jī)得到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù).

2.2.1 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)軟件實(shí)現(xiàn)

傳感器節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后首先發(fā)送入網(wǎng)信息, 一旦同意入網(wǎng)后, 就聽(tīng)從協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的命令: 若收到數(shù)據(jù)采集命令,則進(jìn)行溫濕度采集并將結(jié)果發(fā)送給協(xié)調(diào)器; 若收到休眠命令, 則進(jìn)入休眠狀態(tài), 直至休眠時(shí)間結(jié)束再進(jìn)入如此循環(huán). 其流程圖如圖3所示.

WSN協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)組建ZigBee網(wǎng)絡(luò), 通過(guò)發(fā)送控制信號(hào)對(duì)各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息采集, 并按協(xié)議打包封裝發(fā)往通信模塊, 通信模塊再結(jié)合GPS信息通過(guò)GPRS模塊將信息發(fā)送至Internet. 其流程圖如圖4所示.

圖4 WSN協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)工作流程圖

2.2.2 監(jiān)控中心上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心負(fù)責(zé)接收從二合一通信模塊發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)包, 因此監(jiān)控中心只需要安裝寬帶, 將信息接收到服務(wù)器中即可.

監(jiān)控中心上位機(jī)軟件采用B/S(瀏覽器/服務(wù)器模式)結(jié)構(gòu), 采用ASP.NET開(kāi)發(fā)前臺(tái), SQL Server 2008作為其后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù). 主要完成三大模塊的搭建:

(1) 終端控制模塊: 主要負(fù)責(zé)發(fā)送采集、休眠和入網(wǎng)命令;

(2) 通信模塊: 主要負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程終端訪問(wèn)服務(wù)器;

(3) 人機(jī)對(duì)話模塊: 主要負(fù)責(zé)冷鏈物流信息管理模塊(車輛、人員信息管理)和冷鏈物流監(jiān)控模塊(物流車輛定位、車內(nèi)溫濕度監(jiān)控和查詢)[7].

3 系統(tǒng)測(cè)試

本次測(cè)試采用福田時(shí)代馭菱冷藏運(yùn)輸車, 貨箱內(nèi)部尺寸2600mm×1460mm×1470mm, 是最小的一款冷藏車, 可運(yùn)輸1噸以內(nèi)的貨物. 根據(jù)冷藏車體積小的特點(diǎn), 在箱體頂部對(duì)角處和車廂中間放置了3個(gè)WSN傳感器節(jié)點(diǎn), 在箱體頂部中間放置了1個(gè)WSN協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn), 并將通信模塊放于車頭. 所有節(jié)點(diǎn)均采用車內(nèi)電路系統(tǒng)供電. 車輛運(yùn)行后, 監(jiān)控中心接收到的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.

表1 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)

4 結(jié)論

本文對(duì)基于WSN的冷鏈物流監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了研究, 結(jié)合ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)了車內(nèi)數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)控制, 保證了冷藏車在運(yùn)輸過(guò)程中對(duì)溫度和濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)控和車輛的定位追蹤. 但本文對(duì)上位機(jī)的研究和開(kāi)發(fā)還不夠, 比如上位機(jī)的界面還不能滿足自動(dòng)化控制, 定位信息的經(jīng)度緯度還未與第三方電子地圖軟件相結(jié)合實(shí)現(xiàn)實(shí)景定位.

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Research on Cold Chain Logistics Monitoring System Based on WSN

YAO Jie1, QIU Jin2
(1. Fuzhou Branch, Fujian Provincial Expressway Company Ltd, Fuzhou 350000, China; 2. Fuzhou College of Foreign studies and Trade, Fuzhou 350000, China)

In order to carry out real-time monitoring of cold chain logistics status, reduce the "chain" phenomenon of transport links, we design a cold chain logistics monitoring system based on WSN. The system based on the ZigBee network, the wireless sensor network is set up to realize the control of temperature and humidity of the refrigerator car. Control of the sensor nodes by the coordinator node. Finally, the communication module which is combined with the GPS and the GPRS is transmitted to the monitoring center by the communication module. Monitoring center using B/S architecture, the user real-time query cold chain logistics information. Through the test, the system greatly facilitates the real-time monitoring and positioning of the products, logistics enterprises and consumers, and can effectively reduce the loss rate of cold fresh products.

cold chain logistics; monitoring; ZigBee; wireless sensor network

TN92

: A

: 1672-5298(2015)04-0032-05

2015-09-21

福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目(科技) (JA15584)

姚 潔(1983? ), 女, 福建寧德人, 碩士, 福州外語(yǔ)外貿(mào)學(xué)院講師. 主要研究方向: 通信技術(shù)