基于壓縮感知技術(shù)的冷鏈監(jiān)控系統(tǒng)研究

黃輝++邰于++李哲

摘 要： 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的冷鏈運(yùn)輸系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品實(shí)時跟蹤和質(zhì)量管理。傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)需要運(yùn)輸車輛將其傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)娇毓苤行模赡軐?dǎo)致數(shù)據(jù)鏈路和通信系統(tǒng)超載，反而減少數(shù)據(jù)采集和傳輸效率。本研究旨在為冷鏈運(yùn)輸設(shè)計(jì)一套無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，使用壓縮感知技術(shù)有效降低數(shù)據(jù)采樣率以減少系統(tǒng)壓力。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、高效地恢復(fù)傳感器采集的數(shù)據(jù)，實(shí)時反饋貨物在冷鏈各個環(huán)節(jié)的溫度變化情況，為貨物的運(yùn)輸提供有效監(jiān)管和安全保證。

關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 冷鏈； 壓縮感知技術(shù)； 質(zhì)量管理； 變溫監(jiān)控

中圖分類號： TN915?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）11?0001?05

Research on cold chain monitoring system based on compressed sensing technology

HUANG Hui1， TAI Yu2， LI Zhe2

（1. College of Technology， Hubei Engineering University， Xiaogan 432000， China；

2. School of Automation， Northwestern Polytechnical University， Xian 710072， China）

Abstract： The cold chain transportation system monitored with wireless sensor network can realize the products real?time tracking and quality control. The traditional monitoring system needs the transport vehicle to transmit its sensor data to the control center in real time， which may cause the overload of data link and communication system， and decrease the data acquisition and transmission efficiency. The purpose of this study is aimed to design a wireless sensor network monitoring system for cold chain transportation. The compressed sensing technology is used to lower the data sampling rate effectively to reduce the system pressure. The test results show this system can recover the data collected by sensor accurately and efficiently， feed back the temperature variation situation of goods in each link of the cold chain in real time， which provides the effective administration and security assurance for goods transport.

Keywords： wireless sensor network； cold chain； compressed sensing technology； quality control； varying temperature monitoring

0 引 言

鮮肉及其加工產(chǎn)品在民生中占有重要地位，國家出臺了多項(xiàng)法律法規(guī)嚴(yán)格管理，但由于實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)輸過程中環(huán)節(jié)眾多，仍可能出現(xiàn)管理漏洞，從而對民眾健康造成威脅[1]。鮮肉制品，特別是生鮮肉很容易變質(zhì)，隨著溫度的增加，微生物代謝、氧化反應(yīng)、酶活性等都會發(fā)生變化從而加速變質(zhì)[2]，存儲要在冷庫、運(yùn)輸要靠專用冷藏車，長期存儲需要在的低溫冷庫中[3]。在實(shí)際管理中，量測產(chǎn)品的“時間?溫度”條件就成為質(zhì)量保證的關(guān)鍵因素[3?4]，傳統(tǒng)量測中多采用人工量測或使用如RFID設(shè)備進(jìn)行離線監(jiān)測，其主要問題是量測準(zhǔn)確性和實(shí)時性不足，大量人工會帶來成本問題，因此，需要自動化、高效的監(jiān)測與信息處理系統(tǒng)才能有效提升冷鏈物流系統(tǒng)的管理質(zhì)量。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是一種低成本、高精確度的實(shí)時量測系統(tǒng)，被很多行業(yè)采用，如食品冷鏈物流[5?6]、環(huán)境監(jiān)測[7?8]等。在冷鏈運(yùn)輸如車輛中部署WSN則具有挑戰(zhàn)性，主要原因在于大量傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸會導(dǎo)致數(shù)據(jù)鏈路和通信系統(tǒng)超載，減少傳輸效率并導(dǎo)致功耗增加[9]。壓縮感知利用信號的稀疏特性，在遠(yuǎn)小于Nyquist采樣率條件下，隨機(jī)采樣獲取信號的離散樣本，然后通過非線性重建算法重建信號[10]。使用壓縮感知能夠有效減少WSN中采樣頻率，符合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有限資源約束條件。從而使得監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)時性和準(zhǔn)確性之間取得平衡。

本文構(gòu)建基于WSN的鮮肉冷鏈監(jiān)控系統(tǒng)（Meat Cold Chain Monitoring System，MCC?MS）有助于實(shí)現(xiàn)高透明度和可追溯性的冷鏈物流系統(tǒng)，內(nèi)建質(zhì)量?溫度預(yù)測模型能夠有效監(jiān)管鮮肉在運(yùn)輸途中的安全。通過實(shí)現(xiàn)稀疏采樣和數(shù)據(jù)重構(gòu)，能夠有效減少WSN系統(tǒng)的運(yùn)行功耗和成本，為系統(tǒng)向其他領(lǐng)域冷鏈物流提供研究基礎(chǔ)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)硬件主要包括傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)兩部分。其中傳感器節(jié)點(diǎn)由低功耗控制器MSP430F14X、溫度傳感器（溫度傳感器選用DS18B20數(shù)字型溫度傳感器[17]，量測范圍為-55～125 ℃，精度為）、無線收發(fā)單元和電池供電單元構(gòu)成。匯聚節(jié)點(diǎn)由于需要存儲來自各傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，因此選用功能更強(qiáng)的微處理器STM32F1XX，額外搭載FLASH存儲器（需要計(jì)算是否滿足需求），配備GPRS模塊，供電部分采用電池供電（后備電源）與汽車供電（點(diǎn)煙器或其他接口），確保在各種情況下系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示。

圖4 WSN傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.2 MCC?MS管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

MCC?MS管理系統(tǒng)采用經(jīng)典的MVC三層架構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖5所示。

圖5 MCC?MS系統(tǒng)架構(gòu)簡圖

圖5中最核心也是最復(fù)雜的屬于業(yè)務(wù)邏輯層（BLL），由系統(tǒng)管理組件和數(shù)據(jù)處理組件兩個主要部分構(gòu)成。其中數(shù)據(jù)處理組件是系統(tǒng)的核心，包括實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)重建和產(chǎn)品質(zhì)量預(yù)測模塊三個主要部分。系統(tǒng)在VS2015平臺上搭配MS SQL Server2008數(shù)據(jù)庫進(jìn)行開發(fā)，與一般系統(tǒng)不同，中間層增加了WCF接口對業(yè)務(wù)服務(wù)進(jìn)行封裝，系統(tǒng)因此可以方便地通過XML兼容各種設(shè)備和訪問方式，目前系統(tǒng)支持B/S和C/S訪問，未來可根據(jù)需要開發(fā)移動客戶端程序，實(shí)現(xiàn)隨時監(jiān)管。

4 系統(tǒng)測試與結(jié)果分析

4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

由于實(shí)際運(yùn)輸距離較遠(yuǎn)，實(shí)驗(yàn)采用本地模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，恒溫測試時測試車輛停放在倉庫中，環(huán)境溫度為變溫時停放于開放無遮擋的停車場，環(huán)境溫度為并使用大功率電扇模擬車輛運(yùn)動中的相對氣流運(yùn)動。選用的冷鏈運(yùn)輸車箱體尺寸[18]為4.0 m×1.9 m×1.8 m，內(nèi)部部署了27個傳感器節(jié)點(diǎn)，分別編為三個組和匯聚節(jié)點(diǎn)安裝在駕駛室，其部署示意圖如圖6所示。

圖6 冷藏車WSN傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)部署示意圖

傳感器節(jié)點(diǎn)的溫度采樣間隔為1 s，每向聚合節(jié)點(diǎn)發(fā)送一次數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文長度為7 B（壓縮格式僅5 B），包括傳感器ID（1 B）、溫度數(shù)據(jù)（4 B）和電池電壓（2 B）。聚合節(jié)點(diǎn)按照1 s采樣周期分別從27個傳感器節(jié)點(diǎn)獲取稀疏采樣數(shù)據(jù)，然后按照的周期通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送回控制中心。為了準(zhǔn)確評估感知壓縮的質(zhì)量和效率，每個匯聚節(jié)點(diǎn)還需要保留原始的溫度數(shù)據(jù)。

運(yùn)輸前需要對產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)冷卻降低到基準(zhǔn)恒溫條件，在裝車、運(yùn)輸和卸車過程中溫度會發(fā)生變化，稱為變溫條件。

在試驗(yàn)中，。重建溫度數(shù)據(jù)的絕對誤差、相對誤差和數(shù)據(jù)壓縮率如表1所示。

表1 重建數(shù)據(jù)在變溫和恒溫條件下誤差對比

[條件 NMSE /% MAE / MRE / /% 變溫 7.63 0.61 5.03 87.23 恒溫 0.81 0.17 0.73 87.23 ]

從表1中可知，兩種條件下數(shù)據(jù)壓縮率相同，但在變溫條件下誤差大幅度增加，其主要原因是變溫條件下溫度連續(xù)頻繁波動引起的（也就是說難以使用一般模型如線性模型進(jìn)行預(yù)測，從而導(dǎo)致誤差增加），從而使得稀疏采樣的效果變差，即便如此，數(shù)據(jù)重構(gòu)的結(jié)果仍然滿足冷鏈運(yùn)輸?shù)膶?shí)際需要。

4.2 溫度分布分析

通過傳感器實(shí)時采集的溫度數(shù)據(jù)，可以在監(jiān)控中心重建車廂內(nèi)溫度分布情況，在恒溫環(huán)境下箱內(nèi)溫度剖面視圖如圖7所示。

圖7中，貨箱門口附近的溫度為，而靠近里面的溫度為，主要原因是制冷設(shè)備出風(fēng)口一般位于車廂里面，而車門遠(yuǎn)離出風(fēng)口且存在密閉不嚴(yán)的可能性，所以導(dǎo)致整個箱體內(nèi)的溫度空間差異化分布。

圖7 恒溫環(huán)境下空載的箱體內(nèi)部溫度切片視圖

5 總 結(jié)

本文提出并設(shè)計(jì)了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和壓縮感知技術(shù)的冷鏈物流監(jiān)控系統(tǒng)（MCC?MS），使用壓縮感知方法使得傳感器只需要采集并傳輸較少的數(shù)據(jù)樣本就可獲得較高的精度，提高了冷鏈物流系統(tǒng)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時性和監(jiān)測效率，能夠更有效地控制物品安全和冷鏈物流質(zhì)量。

通過物流車輛內(nèi)部分布的傳感器可構(gòu)建實(shí)時反應(yīng)箱體內(nèi)部溫度變化和空間溫度差異，從而了解各部分貨物的存儲情況，相比傳統(tǒng)的整箱質(zhì)量管理，可進(jìn)行精準(zhǔn)管理，對那些處于溫度波動比較頻繁的產(chǎn)品進(jìn)行二次抽檢，確保更高質(zhì)量。

雖然目前已經(jīng)構(gòu)建了一套冷鏈監(jiān)控系統(tǒng)，但未來需要進(jìn)一步在MCC?MS的基礎(chǔ)上進(jìn)行增強(qiáng)，例如將更多類型的傳感器如加入到監(jiān)控系統(tǒng)中，此外，還可以根據(jù)不同種類的運(yùn)輸物品如生鮮、蔬菜、醫(yī)藥分別建立管控模型，加強(qiáng)系統(tǒng)的適用性和價(jià)值。

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