基于RFID技術(shù)紅酒溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何健　郝學(xué)韜　曹恩欣　鄭平

摘 要：影響紅酒品質(zhì)的關(guān)鍵因素是溫濕度，穩(wěn)定的溫濕度環(huán)境對(duì)高品質(zhì)紅酒儲(chǔ)存和運(yùn)輸質(zhì)量極為重要。為解決紅酒儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)問(wèn)題，可利用RFID無(wú)線傳感技術(shù)自動(dòng)采集酒品溫濕度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)酒品的溫濕度監(jiān)控和追溯。文中介紹了溫濕度電子標(biāo)簽、讀寫(xiě)器以及通信協(xié)議的設(shè)計(jì)方法，同時(shí)給出了防碰撞設(shè)計(jì)和系統(tǒng)各功能模塊的設(shè)計(jì)方案，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用給出了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)圖表。本系統(tǒng)具有功耗低、信息量大、可多點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、保存和打印溫濕度數(shù)據(jù)并生成曲線圖等特點(diǎn)，可為酒品質(zhì)量安全監(jiān)測(cè)提供有力的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：RFID；溫濕度；實(shí)時(shí)；防碰撞

中圖分類(lèi)號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）12-00-03

0 引 言

溫濕度數(shù)據(jù)采集在現(xiàn)代化工業(yè)領(lǐng)域有著非常重要的作用，如在紅酒、食品、印刷等行業(yè)的生產(chǎn)和儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中，對(duì)溫濕度都有著嚴(yán)格要求，一旦超出規(guī)定范圍，將會(huì)對(duì)產(chǎn)品造成重大影響。傳統(tǒng)的溫濕度數(shù)據(jù)采集主要通過(guò)人工抄錄方式來(lái)完成，但在惡劣環(huán)境下或儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中難以實(shí)現(xiàn)人工抄錄，在這種情況下，市場(chǎng)迫切需要一種新型的采集方式來(lái)解決上述問(wèn)題。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[1]的發(fā)展，基于RFID技術(shù)[2]的無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將成為監(jiān)控環(huán)境變化的最佳監(jiān)測(cè)手段。

RFID（Radio Frequency Identification，無(wú)線射頻識(shí)別） 系統(tǒng)主要由讀寫(xiě)器、電子標(biāo)簽和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等幾部分組成。電子標(biāo)簽分為無(wú)源、半有源和有源三種類(lèi)型。本文介紹的RFID溫濕度采集系統(tǒng)是采用有源電子標(biāo)簽，這種電子標(biāo)簽集成了溫濕度傳感器、無(wú)線收發(fā)芯片、存儲(chǔ)芯片和供電電源，集“傳感識(shí)別”、“錄入存儲(chǔ)”、“無(wú)線傳輸”等功能于一體，實(shí)現(xiàn)了無(wú)需人工抄錄的電子采集方式，解決了由于環(huán)境因素造成的數(shù)據(jù)采集無(wú)法實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，并能做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警?；赗FID技術(shù)溫濕度標(biāo)簽組成的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有效防范了儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中可能發(fā)生的影響產(chǎn)品質(zhì)量安全的各類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)，保障了儲(chǔ)存和運(yùn)輸過(guò)程的產(chǎn)品質(zhì)量。

本文闡述了利用有源電子標(biāo)簽采集紅酒儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中溫濕度數(shù)據(jù)的過(guò)程，并利用2.4 GHz無(wú)線收發(fā)模塊[3]將數(shù)據(jù)發(fā)送到讀寫(xiě)器中。讀寫(xiě)器經(jīng)數(shù)據(jù)處理后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，以供使用者實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物品的溫濕度監(jiān)控和追溯。此技術(shù)成果已在王朝葡萄釀酒有限公司陳釀型干紅葡萄酒上進(jìn)行了試點(diǎn)應(yīng)用，有效地解決了酒品在儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中溫濕度實(shí)時(shí)跟蹤的問(wèn)題，為酒廠事故責(zé)任鑒定提供了有力的技術(shù)支持。

1 需求分析

紅酒的運(yùn)輸是其生命周期中比較重要的環(huán)節(jié)，與其他產(chǎn)品的區(qū)別是它容易受到環(huán)境的影響產(chǎn)生變質(zhì)。影響紅酒品質(zhì)的關(guān)鍵因素是溫度和濕度，過(guò)高過(guò)低都會(huì)造成紅酒的品質(zhì)和相關(guān)的口感出現(xiàn)問(wèn)題。

紅酒一般都是750 ml，要求恒溫保存和運(yùn)輸（溫度12-14℃和濕度65%～80%），而在運(yùn)輸過(guò)程中，則有可能會(huì)出現(xiàn)超溫超濕的現(xiàn)象，所以我們要對(duì)其進(jìn)行溫度和濕度的監(jiān)測(cè)和控制，這就需要準(zhǔn)確地記錄運(yùn)輸過(guò)程中環(huán)境溫度和濕度的變化情況。如果運(yùn)輸過(guò)程是外包的，利用這些數(shù)據(jù)就可以有效地對(duì)運(yùn)輸公司進(jìn)行監(jiān)督，從而保證紅酒的品質(zhì)。

其次就是紅酒的儲(chǔ)存。紅酒一般要求放置在恒溫恒濕的環(huán)境中，也就是我們常說(shuō)的酒窖，而酒窖大多設(shè)置在地下，所以，我們就要對(duì)地下儲(chǔ)存環(huán)境進(jìn)行溫濕度的監(jiān)測(cè)和控制。在紅酒的儲(chǔ)存過(guò)程中，要想將紅酒的味道和香氣最好的發(fā)揮出來(lái)，就要保持一定的溫度和濕度。紅酒理想的窖存溫度為10-15 ℃、濕度在75%左右，過(guò)度的溫度變化促使酒加速成熟，過(guò)度的濕度變化導(dǎo)致木塞腐爛或收縮，造成酒品自然氧化。本系統(tǒng)對(duì)溫濕度進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)，如果超溫超濕了，就可以在第一時(shí)間通過(guò)電話和短信的方式來(lái)通知值班人員，這樣就可以確保紅酒的品質(zhì)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件主要由溫濕度電子標(biāo)簽、天線、讀寫(xiě)器、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（裝有溫濕度監(jiān)控軟件）組成。

電子標(biāo)簽主要由高精度溫濕度傳感器和無(wú)線傳輸模塊構(gòu)成。溫濕度傳感器采集現(xiàn)場(chǎng)溫濕度并將值存入電子標(biāo)簽中，通過(guò)無(wú)線傳輸模塊傳輸數(shù)據(jù)。讀寫(xiě)器接收到來(lái)自電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)后，經(jīng)過(guò)算法處理將數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口傳送到計(jì)算機(jī)上進(jìn)行分析。

2.1 溫濕度電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)

溫濕度電子標(biāo)簽主要由微處理器、溫濕度傳感器、射頻模塊、存儲(chǔ)器、電池等幾部分組成。電子標(biāo)簽通過(guò)射頻模塊進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)信號(hào)的收/發(fā)，存儲(chǔ)器存儲(chǔ)標(biāo)簽的身份識(shí)別碼、酒品的屬性及歷史數(shù)據(jù)等信息，溫濕度傳感器用來(lái)檢測(cè)紅酒所處環(huán)境的溫度和濕度。

標(biāo)簽采用“主動(dòng)方式”進(jìn)行工作，將采集的溫濕度數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線射頻方式實(shí)時(shí)傳送給讀寫(xiě)器。標(biāo)簽供電采用CR3032 的3 V紐扣式鋰電池，電池可更換，

一般情況下，單電池提供的能量可以保證標(biāo)簽連續(xù)工作3～5年時(shí)間左右。所以在標(biāo)簽的設(shè)計(jì)中降低功耗，延長(zhǎng)電池壽命十分必要。

微處理器采用超低功耗單片機(jī)MSP430G2553[4]，其架構(gòu)設(shè)計(jì)與5種低功耗模式相結(jié)合，為便攜式測(cè)量延長(zhǎng)電池使用壽命提供了保證，其待機(jī)模式耗電僅為0.5 μA。

溫濕度傳感器采用低功耗數(shù)字式芯片SHT20[5]。該傳感器在測(cè)量和傳輸完成后將自動(dòng)轉(zhuǎn)入休眠模式，等待下次命令的開(kāi)始，從而降低傳感器模塊的功耗，該傳感器的平均功耗為3.2μW。

射頻模塊采用低功耗收發(fā)芯片nRF24L01P[6]，芯片預(yù)置了兩種待機(jī)模式和一種掉電模式，掉電模式下的耗電為900nA ，待機(jī)模式下的耗電為22 μA。標(biāo)簽在空閑時(shí)進(jìn)入掉電模式，只有在發(fā)送/接收時(shí)進(jìn)入發(fā)送和接受模式，通過(guò)這樣的模式轉(zhuǎn)換有效降低了功耗。

2.2 讀寫(xiě)器設(shè)計(jì)

讀寫(xiě)器主要由天線、主控芯片（MCU）、射頻模塊、網(wǎng)絡(luò)通訊模塊等幾部分組成。STC12LE5A60S2[7]為主控芯片（MCU），nRF24L01P作為RFID射頻通信模塊，W5100[8]作為網(wǎng)絡(luò)通信模塊。

STC12LE5A60S2作為主控芯片，它比傳統(tǒng)的8051快8-12倍，具有高速低功耗超強(qiáng)抗干擾的特點(diǎn)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

nRF24L01P通信模塊以2.4 GHz定向天線為載體與標(biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。讀寫(xiě)器通過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)置接收功率，最大支持32級(jí)功率控制，以實(shí)現(xiàn)接收距離的調(diào)節(jié)。

W5100網(wǎng)絡(luò)通信模塊完成與后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)交換，其內(nèi)部集成 10/100 Mb/s 以太網(wǎng)控制器，全硬件的 TCP/IP 協(xié)議棧[9]極大地簡(jiǎn)化了編程。

讀寫(xiě)器設(shè)計(jì)為主動(dòng)接收模式。電子標(biāo)簽將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線射頻模塊發(fā)送給讀寫(xiě)器，讀寫(xiě)器將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行去重處理后通過(guò)以太網(wǎng)接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。當(dāng)發(fā)生斷網(wǎng)時(shí)，讀寫(xiě)器存儲(chǔ)標(biāo)簽采集的數(shù)據(jù)，待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后再行上傳。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)為主動(dòng)式上傳的TCP/UDP工作模式。這種工作方式尤其適合高速移動(dòng)的目標(biāo)，可在極短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行多標(biāo)簽的快速識(shí)別與數(shù)據(jù)傳輸。由于在讀寫(xiě)器信號(hào)作用范圍內(nèi)往往存在多個(gè)標(biāo)簽，同一時(shí)刻有兩個(gè)或者以上的標(biāo)簽向讀寫(xiě)器返回信息時(shí)將產(chǎn)生碰撞，這一現(xiàn)象稱(chēng)為標(biāo)簽碰撞。所以在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中防碰撞算法[10]的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

3.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的功能模塊設(shè)計(jì)共分為7個(gè)模塊，圖1所示為本系統(tǒng)的功能體系圖。

（1）用戶(hù)安全管理系統(tǒng)：設(shè)置用戶(hù)的管理權(quán)限，設(shè)置讀寫(xiě)器密鑰。

（2）設(shè)備管理系統(tǒng)：對(duì)讀寫(xiě)器的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括通信速率、增益、過(guò)濾時(shí)長(zhǎng)、標(biāo)簽類(lèi)型等。

（3）網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)：對(duì)讀寫(xiě)器的網(wǎng)絡(luò)通訊參數(shù)設(shè)置，包括IP地址、網(wǎng)關(guān)、通信模式、端口等。

（4）數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)：完成數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入導(dǎo)出、備份、恢復(fù)、查詢(xún)、刪除、報(bào)表管理等。

（5）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：經(jīng)過(guò)過(guò)濾算法完成溫濕度標(biāo)簽的讀取，由標(biāo)簽信息實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示窗口實(shí)時(shí)顯示溫濕度標(biāo)簽信息。格式為：標(biāo)簽ID+溫度值+濕度值+電壓狀態(tài)。

（6）歷史數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：對(duì)單個(gè)標(biāo)簽進(jìn)行設(shè)置，包括采集的起始記錄、時(shí)間間隔等，對(duì)標(biāo)簽采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示并生成曲線圖。

（7）報(bào)警管理子系統(tǒng)：根據(jù)不同應(yīng)用設(shè)定溫濕度檢測(cè)的上下限，超出預(yù)警值將進(jìn)行報(bào)警并發(fā)出短信通知。

3.2 標(biāo)簽與讀寫(xiě)器通信設(shè)計(jì)

標(biāo)簽與讀寫(xiě)器的通信數(shù)據(jù)格式參見(jiàn)表1所列，其中數(shù)據(jù)頭為用戶(hù)自定義，標(biāo)簽ID為用戶(hù)定義的邏輯編號(hào)，校驗(yàn)值為所有數(shù)據(jù)校驗(yàn)和。

讀寫(xiě)器在完成射頻芯片初始化后就進(jìn)入接收模式，等待電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)的到來(lái)。如有數(shù)據(jù)到來(lái)則首先判斷數(shù)據(jù)是否合法，如數(shù)據(jù)合法則送MCU處理，MCU通過(guò)特定算法將數(shù)據(jù)處理后再加上自身的編碼通過(guò)以太網(wǎng)接口送到后臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

讀寫(xiě)器與標(biāo)簽的通信流程如圖2所示。有源電子標(biāo)簽將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)值，以不同時(shí)間間隔不斷地向讀寫(xiě)器發(fā)送。本系統(tǒng)無(wú)線收發(fā)芯片nRF24L01P的收發(fā)模式是Enhanced ShockBurstTM方式。當(dāng)讀寫(xiě)器正確收到標(biāo)簽數(shù)據(jù)后會(huì)發(fā)出一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，以便標(biāo)簽檢測(cè)有無(wú)數(shù)據(jù)丟失。如果沒(méi)有應(yīng)答信號(hào)標(biāo)簽重發(fā)數(shù)據(jù)包，系統(tǒng)設(shè)定重發(fā)次數(shù)為3次，超過(guò)3次則生成隨機(jī)延遲時(shí)間，重新采集數(shù)據(jù)再次發(fā)送。

3.3 系統(tǒng)防碰撞設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)為獲得較高的標(biāo)簽識(shí)別效率，選用具有載波檢測(cè)功能的芯片nRF24L01P。設(shè)備在接收數(shù)據(jù)前先檢測(cè)載波信息和地址匹配信息，只有當(dāng)載波存在且發(fā)送地址正確時(shí)才接收數(shù)據(jù)包，發(fā)送數(shù)據(jù)前也要先轉(zhuǎn)到接收模式偵聽(tīng)，確認(rèn)要傳輸?shù)念l率通道未被占用方才轉(zhuǎn)入發(fā)射模式發(fā)送數(shù)據(jù)。此功能可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單有效的防碰撞。

載波檢測(cè)雖然可以在很大程度上減少?zèng)_突發(fā)生的可能，但是如果在同一時(shí)刻發(fā)送數(shù)據(jù)的標(biāo)簽太多，沖突還是會(huì)發(fā)生，并且會(huì)造成信道利用率降低。設(shè)計(jì)考慮到所有的標(biāo)簽都是按照每隔400 ms發(fā)送數(shù)據(jù)，有沖突的可能性存在。為了進(jìn)一步減少?zèng)_突發(fā)生的機(jī)會(huì)，所以在程序設(shè)計(jì)中使用隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生定時(shí)間隔。不管電子標(biāo)簽是否被識(shí)別，都會(huì)隨機(jī)地退避一段時(shí)間，該退避時(shí)間是在350 ms～450 ms之間產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)，再加上nRF24L01P每次發(fā)送之前有載波檢測(cè)功能，這樣就使得系統(tǒng)的碰撞機(jī)率大大降低。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

將RFID有源溫濕度標(biāo)簽加載到紅酒包裝箱（目標(biāo)物品）上，待裝運(yùn)出發(fā)后持續(xù)記錄物品所處環(huán)境的溫濕度。一般有兩種應(yīng)用模式，一種是電子標(biāo)簽記錄并存儲(chǔ)采集的數(shù)據(jù)，在每個(gè)中間站點(diǎn)或目的地一次性上傳，物流管理平臺(tái)整合所有上傳數(shù)據(jù)，分環(huán)節(jié)監(jiān)控物品質(zhì)量；另一種是在運(yùn)輸車(chē)輛/船舶上設(shè)置GPRS[11]實(shí)時(shí)傳輸設(shè)備，物流管理平臺(tái)能夠不間斷地對(duì)目標(biāo)酒品進(jìn)行監(jiān)測(cè)。這兩種模式的唯一區(qū)別在于，后一種即實(shí)時(shí)模式能夠起到搶救部分貴重酒品的作用，而不僅僅是像前一種模式那樣只能鑒定酒品是否遭到損壞。當(dāng)然，有源電子標(biāo)簽標(biāo)識(shí)的是指定包裝單位，同一個(gè)集裝箱內(nèi)的不同包裝單位可以通過(guò)安裝多個(gè)有源標(biāo)簽進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

將ID=921標(biāo)簽粘貼在紅酒的包裝箱上，隨酒品一同運(yùn)輸記錄的溫濕度曲線如圖3所示。

圖3中顯示的是集裝箱內(nèi)測(cè)試點(diǎn)24 h的溫濕度記錄曲線，上面的曲線代表濕度值，從圖中可以得出RH=73%，下面的曲線代表溫度值（華氏），從圖中可得出溫度值T=54?F/12.2℃。

紅酒的預(yù)警值設(shè)定溫度范圍為5℃～20℃，濕度范圍為50%～85%。從測(cè)量結(jié)果看出溫度和濕度都沒(méi)有超出警戒線，其均在預(yù)定報(bào)警值的上下限范圍內(nèi)，故沒(méi)有產(chǎn)生報(bào)警。

系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)保存到中央服務(wù)器，用戶(hù)可將特定時(shí)段的數(shù)據(jù)提取出來(lái)進(jìn)行分析和打印。通過(guò)分析測(cè)試數(shù)據(jù)可以有效預(yù)防事故的發(fā)生，給酒廠或酒品研究提供有效的數(shù)據(jù)分析手段，這些數(shù)據(jù)也是責(zé)任認(rèn)定的有力證據(jù)。

本系統(tǒng)的應(yīng)用為廠商節(jié)約了大量的人力開(kāi)支，也為高檔酒品的儲(chǔ)運(yùn)環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了高效便捷的監(jiān)管工具。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于RFID技術(shù)紅酒溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，目前已成功應(yīng)用于紅酒儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)葓?chǎng)所，并隨著市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大逐漸推廣應(yīng)用。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的載波檢測(cè)和隨機(jī)時(shí)間函數(shù)間隔發(fā)送數(shù)據(jù)法的防沖突措施已基本滿(mǎn)足實(shí)際需求。但標(biāo)簽防碰撞問(wèn)題尚未徹底解決，在大量標(biāo)簽應(yīng)用的實(shí)際環(huán)境中，還需要考慮其他措施，比如讀寫(xiě)器和標(biāo)簽的分區(qū)域控制，或者采用專(zhuān)門(mén)的防碰撞算法。目前，本系統(tǒng)識(shí)別率高達(dá)200張/秒，實(shí)現(xiàn)了物體快速采集的功能，為藥品、食品、易變質(zhì)產(chǎn)品冷鏈物流管理和倉(cāng)儲(chǔ)管理提供了很好的解決方案，其使用價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值十分廣泛。

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