基于ZigBee技術(shù)的果蔬冷鏈物流實時監(jiān)測系統(tǒng)

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(xiàn)果蔬腐爛問題，從而造成巨大的經(jīng)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(xié)議為基礎(chǔ)的無線傳感器網(wǎng)路的果蔬冷鏈物流實時在線監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用CC2530片上系統(tǒng)構(gòu)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對冷藏庫溫度、濕度的實時在線監(jiān)控，路由器節(jié)點和協(xié)調(diào)器均采用CC2530。組網(wǎng)測試表明，該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單，能夠?qū)囟?、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(guān)鍵詞：果蔬；冷鏈物流；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(chǎn)、消費及出口量均居世界前列，而且國內(nèi)居民日均消費量數(shù)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(zhì)，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(zhì)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(chǎn)品在生產(chǎn)、貯藏運輸、銷售到消費前的各個環(huán)節(jié)中始終處于規(guī)定的低溫環(huán)境下，以保證食品質(zhì)量、減少食品損耗的一項系統(tǒng)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(shù)都要進行實時監(jiān)控，傳統(tǒng)的人工采集和書面記錄方法已經(jīng)不能滿足要求。目前，冷鏈溫度的監(jiān)測多為射頻識別技術(shù)（RFID）、安全數(shù)碼卡（SD）溫度記錄系統(tǒng)，也不能實時監(jiān)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(chǔ)上，設(shè)計基于ZigBee技術(shù)的果蔬冷鏈物流實時監(jiān)控系統(tǒng)，以期對冷鏈物流中溫度、濕度進行實時在線監(jiān)控，對解決冷鏈物流現(xiàn)存問題具有一定意義。

1監(jiān)控系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

1.1基于ZigBee的監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

基于ZigBee技術(shù)的果蔬冷鏈物流實時監(jiān)控系統(tǒng)是由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)匯集模塊和服務(wù)器模塊3個部分組成的。數(shù)據(jù)采集模塊即路由節(jié)點，為無線濕度、溫度采集節(jié)點，主要負責采集冷藏室或冷庫內(nèi)的實時濕度、溫度數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)匯集模塊即協(xié)調(diào)節(jié)點，負責匯集、處理和實時發(fā)送數(shù)據(jù)；服務(wù)器即監(jiān)控中心，負責接收數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)、發(fā)送命令和報警信息，實時監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2ZigBee技術(shù)

ZigBee是IEEE 802.15.4協(xié)議的代名詞，由這個協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。IEEE 802.15.4 負責開發(fā)ZigBee網(wǎng)絡(luò)層次中的下2層，即媒質(zhì)訪問控制層、物理層；ZigBee聯(lián)盟負責網(wǎng)絡(luò)層以上的協(xié)議開發(fā)。ZigBee因具有低成本、低速率、短延時、高安全性、免執(zhí)照頻段等技術(shù)優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于智能家居、農(nóng)業(yè)自動化、智能交通等領(lǐng)域。ZigBee協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1路由器節(jié)點設(shè)計

路由器節(jié)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(wǎng)絡(luò)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點。該實時監(jiān)測系統(tǒng)的路由器節(jié)點由美國TI公司推出的CC2530構(gòu)成，CC2530具有完整的2.4GHz射頻片上系統(tǒng)解決方案。溫濕度傳感器為瑞士Sensirion公司推出的基于CMOSensTM技術(shù)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(fā)器。SHT11將互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）芯片技術(shù)與傳感器技術(shù)結(jié)合起來，發(fā)揮出它們強大的優(yōu)勢互補作用。路由器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2協(xié)調(diào)器硬件設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的關(guān)鍵，用于建立和維護ZigBee網(wǎng)絡(luò)。它的功能是接收路由器節(jié)點的濕度、溫度數(shù)據(jù)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(fā)送給路由器，同時還須接收上位機的輪詢命令。在系統(tǒng)協(xié)調(diào)器節(jié)點中，微處理器、射頻發(fā)射模塊仍采用CC2530片上系統(tǒng)，為實現(xiàn)與上位機通信以及實現(xiàn)遠程監(jiān)控，監(jiān)控系統(tǒng)采用通用分組無線業(yè)務(wù)（GPRS）模塊和RS-232串行接口。協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

本研究路由器節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件系統(tǒng)采用的是IAR Embedded Workbench for 8051嵌入式集成開發(fā)環(huán)境，軟件使用TI公司開發(fā)的ZigBee協(xié)議棧Z-Stack。Z-Stack協(xié)議棧裝載在1個基于IAR公司開發(fā)環(huán)境的工程中，開發(fā)語言為C語音。它采用事件輪循機制，從而降級系統(tǒng)的功耗。系統(tǒng)上位機監(jiān)測軟件采用美國IN公司開發(fā)的圖形化軟件 LabView8.6 進行開發(fā)設(shè)計。

3.1路由器節(jié)點的軟件設(shè)計

路由器節(jié)點應(yīng)用程序只須對Z-Stack協(xié)議棧的應(yīng)用層進行開發(fā)。在路由器節(jié)點上電后，先進行系統(tǒng)初始化操作，初始化完成后，Z-Stack系統(tǒng)開始輪詢?nèi)蝿?wù)。如果應(yīng)用層定義的濕度、溫度采集任務(wù)已準備就緒，則觸發(fā)該事件的處理函數(shù)；若沒有事件發(fā)生，系統(tǒng)進入低功耗工作模式。路由器節(jié)點的軟件流程如圖5所示。

3.2協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件設(shè)計

協(xié)調(diào)器節(jié)點和路由器節(jié)點類似，協(xié)調(diào)器節(jié)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(tǒng)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(shè)置奇偶校驗位、數(shù)據(jù)速率及停止位等。初始化完成后，協(xié)調(diào)器建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)并等待路由節(jié)點發(fā)送入網(wǎng)請求，路由節(jié)點入網(wǎng)后，協(xié)調(diào)器開始監(jiān)聽信道，如有路由器濕度、溫度數(shù)據(jù)送達，則發(fā)送ACK應(yīng)答信號確認收到信號，將數(shù)據(jù)和路由器節(jié)點建立關(guān)聯(lián)并將數(shù)據(jù)上傳，在數(shù)據(jù)上傳成功后或數(shù)據(jù)3次上傳失敗后開始下一次循環(huán)。協(xié)調(diào)器軟件流程如圖5所示。

3.3系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試時，冷鏈溫度環(huán)境使用海爾冷柜來模擬，將3個路由器節(jié)點分別放置于冷柜的右側(cè)、左側(cè)和中間位置，溫濕度傳感器每隔20min采集1次數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器節(jié)點把匯總的溫濕度傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過GPRS模塊上傳到遠程上位機監(jiān)測軟件上，并由監(jiān)測軟件實時向數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)，測試數(shù)據(jù)見表1。從表1、圖6可以看出：（1）本測試系統(tǒng)能穩(wěn)定、準確地監(jiān)測環(huán)境濕度、溫度的實時變化情況且沒有丟包現(xiàn)象；（2）冷鏈系統(tǒng)中路由器節(jié)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(jié)論

本研究提出的基于ZigBee技術(shù)的果蔬溫濕度實時監(jiān)測系統(tǒng)采用Z-Stark協(xié)議棧為開發(fā)軟件，適用于果蔬冷鏈物流系統(tǒng)。它能夠穩(wěn)定、可靠、準確地實時監(jiān)測冷鏈物流環(huán)境下濕度、溫度參數(shù)的變化情況，減少冷鏈物流環(huán)節(jié)的經(jīng)濟損失。本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，成本和功耗都比較低，對其他系統(tǒng)濕度、溫度等參數(shù)監(jiān)測具有一定的參考價值。

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doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2017.06.058