基于WSID和WebGIS的農(nóng)產(chǎn)品冷鏈監(jiān)控追蹤系統(tǒng)

劉丹丹+李志剛

摘要：針對目前我國農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流監(jiān)測環(huán)節(jié)不協(xié)調(diào)、監(jiān)測指標單一化、監(jiān)測信息不透明、獲取信息不及時的現(xiàn)象，融合WSN（wireless sensor networks）和RFID（radio frequency identification）2種技術優(yōu)勢，提出一種基于WSID（wireless sensor identification）融合網(wǎng)絡和WebGIS的冷鏈運輸監(jiān)控追蹤系統(tǒng)，實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品冷藏管理和冷鏈運輸過程中環(huán)境溫濕度、CO2濃度、C2H4氣體含量及智能節(jié)點電量的采集，農(nóng)產(chǎn)品自身信息的獲取與身份識別判斷，最后基于WebGIS技術實現(xiàn)冷鏈運輸環(huán)節(jié)監(jiān)控信息的動態(tài)展示。結(jié)果證明，系統(tǒng)性能可靠，硬件成本較低，能夠滿足實時透明的冷鏈環(huán)境監(jiān)測和產(chǎn)品身份追溯需求，具有較好的應用前景。

關鍵詞：農(nóng)產(chǎn)品；冷鏈物流；WSID；WebGIS；監(jiān)控追蹤；系統(tǒng)設計；系統(tǒng)實現(xiàn)

中圖分類號： S126文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）17-0200-05

通信作者：李志剛，博士，教授，主要研究農(nóng)業(yè)信息技術及系統(tǒng)開發(fā)。E-mail：lzg_inf@shzu.edu.cn。生活水平的提高和飲食結(jié)構(gòu)的顯著變化使消費者追求高品質(zhì)商品和服務的理念已經(jīng)逐步形成，對新鮮特色農(nóng)產(chǎn)品的需求也日益增大。但由于農(nóng)產(chǎn)品本身鮮明的品質(zhì)特性，當農(nóng)產(chǎn)品在庫冷藏和冷鏈運輸環(huán)境中溫濕度、CO2、C2H4氣體含量比例失衡時，都會造成產(chǎn)品軟化變質(zhì)、果實衰老、果粒脫落、果實內(nèi)部的呼吸作用加強帶來營養(yǎng)物質(zhì)損耗和感官評價等級下降等，大大降低了農(nóng)產(chǎn)品的營養(yǎng)價值和商業(yè)價值[1]。冷鏈物流的全程無縫監(jiān)管與追溯是保障農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)安全的關鍵[2]。因此，開展農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流監(jiān)控和追蹤方法研究，確保冷鏈物流過程中各項參數(shù)的有效采集、實時傳輸與處理、動態(tài)展示，完善我國冷鏈物流體系的管理和監(jiān)督工作已成為當今社會亟須解決的焦點問題。

在冷鏈物流監(jiān)控追蹤技術方面，國內(nèi)外相關學者利用射頻識別技術、ZigBee技術、無線傳感網(wǎng)絡和GPS等研究了各項冷鏈物流監(jiān)測追溯技術的實現(xiàn)方法和手段。佟金等基于RFID、GPS和GPRS技術設計了冷鏈物流監(jiān)控系統(tǒng)，用以實時監(jiān)控生鮮農(nóng)產(chǎn)品在運輸過程中的狀態(tài)和質(zhì)量[3]。Abad等利用RFID的溫度標簽檢測生鮮食品在冷鏈運輸過程中的品質(zhì)狀態(tài)[4]。汪庭滿等基于RFID技術開發(fā)了冷鏈物流溫度監(jiān)控系統(tǒng)，并將貨架期模型嵌入到系統(tǒng)中，實現(xiàn)了對運輸后水產(chǎn)品的貨架期預測[5]。齊林等設計了基于WSN的水產(chǎn)品冷鏈物流實時監(jiān)控系統(tǒng)[6]。Carullo等利用WSN技術，通過將微處理器、無線收發(fā)裝置和電源安放在牛奶瓶蓋內(nèi)，傳感器則設置在奶瓶內(nèi)來監(jiān)控牛奶冷鏈運輸過程中的溫度[7]。Ruiz等采用ZigBee技術實現(xiàn)水果冷鏈運輸環(huán)境中溫濕度指標的實時監(jiān)測[8]。劉國梅等結(jié)合WSN和RFID設計了農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流監(jiān)控系統(tǒng)[9]。但是目前國內(nèi)現(xiàn)有的冷鏈物流監(jiān)控追蹤系統(tǒng)，只是單一地利用射頻識別與有線通信結(jié)合的方式或是使用無線傳感器網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)采集與傳輸，而將2種技術優(yōu)勢相融合來解決冷鏈物流監(jiān)控追蹤系統(tǒng)監(jiān)測效率低和實時性差等問題的研究比較缺乏，同時大多數(shù)研究只是做到運輸過程中溫濕度數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)的全程記錄，并沒有考慮到CO2濃度、C2H4氣體含量等其他因素在整個冷鏈物流過程中對產(chǎn)品品質(zhì)的影響，缺乏對智能節(jié)點電量使用情況的監(jiān)測，無法保證各監(jiān)測節(jié)點實時的數(shù)據(jù)采集，缺少農(nóng)產(chǎn)品在庫監(jiān)控管理和在途產(chǎn)品身份的識別與判斷環(huán)節(jié)，用戶也不能通過互聯(lián)網(wǎng)實時查詢冷鏈物流監(jiān)測信息。

因此本研究在劉國梅等相關學者研究[9]基礎上，針對農(nóng)產(chǎn)品冷鏈監(jiān)控追蹤系統(tǒng)實時、高效、獲取信息更為全面的需求，融合WSN和RFID 2種技術優(yōu)勢，設計一種能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品在庫管理和冷鏈運輸過程中環(huán)境溫濕度、CO2濃度、C2H4含量、節(jié)點電量的實時動態(tài)監(jiān)測與控制，運輸農(nóng)產(chǎn)品的身份識別和判斷的監(jiān)控追蹤系統(tǒng)，最后基于WebGIS技術將冷鏈物流中的監(jiān)測信息以電子地圖的形式展示給管理人員，進一步降低各地方特色農(nóng)產(chǎn)品的物流損耗，提高農(nóng)產(chǎn)品冷鏈運輸過程的安全化和信息化水平，實現(xiàn)特色農(nóng)產(chǎn)品鮮到鮮得。

1農(nóng)產(chǎn)品監(jiān)控追蹤系統(tǒng)分析

1.1監(jiān)測需求分析

農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流過程中，當冷鏈環(huán)境不符合行業(yè)標準時，導致農(nóng)產(chǎn)品水分、碳水化合物及其產(chǎn)品體內(nèi)色素的變化而造成產(chǎn)品營養(yǎng)價值和商業(yè)價值的流失。同時鮮活農(nóng)產(chǎn)品在采摘之后會不同程度地受到一些微生物的侵染，果實內(nèi)部呼吸強度、碳水化合物分解速率以及蛋白質(zhì)、有機酸、膜透性等的變化速率加快[10]，加速農(nóng)產(chǎn)品衰老過程。因此通過對可能影響農(nóng)產(chǎn)品在冷庫、運輸?shù)壤滏湱h(huán)境中安全存儲的各種因素，如溫濕度、CO2濃度、C2H4濃度、制冷設施和運輸設備運行狀況進行全面實時的監(jiān)測、記錄、預警、報警、數(shù)據(jù)存儲備份、歷史事件查詢等管理，確保一旦出現(xiàn)潛在的冷鏈物流危險事件，在其還沒有影響農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)之前，采取應急措施，控制危險因素；同時實現(xiàn)冷鏈物流中在途農(nóng)產(chǎn)品身份識別與判斷，防止貨物的錯誤配送、竄貨或者丟失，冷鏈運輸途中發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量問題時立即終止運輸與產(chǎn)品召回，降低物流成本，保證產(chǎn)品質(zhì)量安全。

1.2系統(tǒng)性能分析

根據(jù)農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流監(jiān)控追蹤系統(tǒng)的目的和需求，系統(tǒng)的性能要求如下：（1）WSN和RFID融合形成的WSID自組織網(wǎng)絡冗余性好，抗干擾能力強，易于擴展、便于維護；（2）系統(tǒng)基本上能夠?qū)崿F(xiàn)多點、多環(huán)境因子的高度感知；（3）基本實現(xiàn)對溫濕度、二氧化碳濃度和乙烯氣體含量的精確控制；（4）車載終端具備與融合傳感網(wǎng)絡的前向鏈路以及與監(jiān)控中心的通信能力，實時上傳環(huán)境信息和產(chǎn)品本身信息、冷鏈運輸車輛運行軌跡、運行參數(shù)等，方便監(jiān)控中心管理人員實時掌握運輸狀況和產(chǎn)品品質(zhì)狀態(tài)；（5）基于WebGIS的監(jiān)控中心為用戶提供友好圖形界面，操作簡單，功能齊全。

2農(nóng)產(chǎn)品冷鏈監(jiān)控追蹤系統(tǒng)設計endprint

2.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流監(jiān)控追蹤系統(tǒng)主要由3個模塊組成：布置在冷庫和冷藏車廂內(nèi)的智能節(jié)點和網(wǎng)關組成終端采集模塊，實現(xiàn)冷鏈環(huán)境中溫濕度、CO2濃度、C2H4含量和節(jié)點電量的采集和傳輸；數(shù)據(jù)庫服務器、應用服務器、WebGIS地圖服務器、路由器和防火墻作為系統(tǒng)服務層，負責接收遠程采集層上傳的各項監(jiān)測信息；管理計算機作為用戶訪問層，負責實時向用戶提供冷鏈監(jiān)測信息。系統(tǒng)總體拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2智能節(jié)點設計

2.2.1智能節(jié)點硬件設計農(nóng)產(chǎn)品冷鏈監(jiān)控追蹤系統(tǒng)中采用RFID閱讀和WSN節(jié)點相融合的網(wǎng)絡架構(gòu)，包括集成了RFID閱讀器的智能節(jié)點、普通電子標簽、普通傳感器節(jié)點和基站。其中集成了RFID閱讀器的智能節(jié)點不僅能感知與采集冷鏈環(huán)境信息，同時也能讀取農(nóng)產(chǎn)品自身信息，實現(xiàn)冷鏈物流過程中農(nóng)產(chǎn)品身份的識別和判斷，最后基于WSN網(wǎng)絡將所獲取的所有信息傳遞至協(xié)調(diào)器節(jié)點。協(xié)調(diào)器節(jié)點對所獲取的信息簡單處理之后上傳至本地管理中心和遠程控制中心。系統(tǒng)中智能節(jié)點主要由感知環(huán)境信息的傳感器部分、讀取標簽信息的RFID閱讀器、WSN無線通信模塊和能量供應模塊組成。硬件框圖如圖2所示。

為提高系統(tǒng)集成度和可靠性，優(yōu)化電路整體設計，系統(tǒng)選用德州儀器公司生產(chǎn)的支持2.4 GHZz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的CC2530型無線傳感網(wǎng)絡片上系統(tǒng)（system on chips，簡稱SoC）作為處理器模塊的解決方案。CC2530結(jié)合了RF收發(fā)器的優(yōu)良性能及業(yè)界領先的黃金單元ZigBee協(xié)議棧，內(nèi)嵌1個增強型8051單片機，含256 kB程序存儲器，具有極高的接收靈敏度（-97 dBm）和抗干擾性能，使用2.0 ～3.6 V直流電源，小尺寸QFP-40封裝6 mm×6 mm，CC2530具有不同的運行模式，運行模式之間的轉(zhuǎn)換時間短，進一步滿足了系統(tǒng)的低功耗要求[11]。

系統(tǒng)選用英國GSS公司的集溫濕度、二氧化碳濃度測量為一體的新型傳感器COZIR-W，實現(xiàn)冷鏈環(huán)境中溫濕度、CO2濃度的實時感知與采集。該傳感器內(nèi)部集成了信號處理電路，使用3.3 V電壓驅(qū)動，功耗僅為3.5 mW，可測量溫度范圍為-25～55 ℃，絕對精度為±1 ℃；濕度范圍為0～95%（非凝結(jié)），絕對精度為±3%；二氧化碳體積分數(shù)范圍為0～20 000×10-6，精度為±50×10-6[12]。采用瑞士SENSIRION公司生產(chǎn)的C2H4/C-2000測量農(nóng)產(chǎn)品冷鏈運輸過程中的C2H4濃度，該傳感器反應速度快、無零點漂移、低誤差率、抗干擾能力強。系統(tǒng)中傳感器自行采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將所采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，通過串口把采集信息傳輸?shù)絾纹瑱C，由單片機對這些數(shù)據(jù)進行整理、打包并通過無線模塊傳送到控制中心[13]。

2.2.2智能節(jié)點軟件設計系統(tǒng)中程序啟動之后，智能節(jié)點開始查找網(wǎng)絡并加入，若為路由器則轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點信息至協(xié)調(diào)器節(jié)點，否則負責操控COZIR-W和C2H4/C-2000傳感器測量得到當前冷鏈環(huán)境的溫濕度、CO2濃度、C2H4濃度和監(jiān)測節(jié)點剩余電量，另一方面讀取貨物上的標簽信息，將所獲得數(shù)據(jù)通過路由轉(zhuǎn)發(fā)或直接傳送給協(xié)調(diào)器。循環(huán)采集模式之后，若接收到睡眠指令則進入睡眠狀態(tài)，以降低系統(tǒng)功耗，延長網(wǎng)絡生命周期。傳感器數(shù)據(jù)采集程序和傳輸流程如圖3、圖4、圖5所示。

在冷鏈監(jiān)控追蹤系統(tǒng)設計中，由于對節(jié)點電量的監(jiān)測精度要求較低，因此采用低成本的電壓檢測法獲取監(jiān)測節(jié)點剩余電量信息[14]。電池電壓先經(jīng)過放大器處理后，送入單片機接口進行采樣，利用電池電壓與電量之間的函數(shù)關系，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后得到監(jiān)測節(jié)點剩余電量。其采集程序流程如圖6所示。

2.3農(nóng)產(chǎn)品在庫監(jiān)控與追蹤

在鮮食農(nóng)產(chǎn)品冷庫的監(jiān)控與管理工作中，首先將功能較強的RFID閱讀器設置在冷庫出入口處，該閱讀器一方面讀取出入庫產(chǎn)品的所有信息，另一方面還可以向出入庫農(nóng)產(chǎn)品上的標簽寫入相關產(chǎn)品信息，實現(xiàn)所有出入庫農(nóng)產(chǎn)品信息登記和錄入的完全自動化。布置在冷庫特定位置的智能節(jié)點主要負責感知與采集冷庫環(huán)境信息，同時讀取冷庫中所有物品的RFID標簽信息，最后將獲取的環(huán)境參數(shù)和產(chǎn)品信息上傳至冷庫本地管理中心，本地管理人員根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)可以隨時掌握產(chǎn)品儲藏信息[15]和冷藏環(huán)境。同時，管理人員可以利用融合之后智能節(jié)點的定位功能，根據(jù)智能節(jié)點和RFID標簽之間射頻信號的強弱，大致判斷出農(nóng)產(chǎn)品在冷庫中的儲存位置，真正實現(xiàn)細致與高效的冷庫管理模式。冷庫網(wǎng)絡架構(gòu)如圖7所示。

2.4農(nóng)產(chǎn)品冷鏈運輸監(jiān)控與追蹤

鮮活易腐農(nóng)產(chǎn)品冷鏈運輸過程中，要實時監(jiān)測運輸環(huán)境信息、運輸設備及制冷設施運行狀況和追溯產(chǎn)品自身信息，確保各項監(jiān)測指標符合行業(yè)標準，各種冷鏈設備運行正常，保證產(chǎn)品質(zhì)量安全。系統(tǒng)利用WSN和RFID 2種技術融合集成的智能節(jié)點，實現(xiàn)對每輛冷鏈車車廂環(huán)境溫濕度、CO2濃度、C2H4含量、節(jié)點電量的采集和冷鏈設備運行狀況的故障點監(jiān)控。同時為了降低系統(tǒng)功耗，控制冷鏈成本，在不影響其監(jiān)測精度的情況下，系統(tǒng)對冷藏車廂內(nèi)的智能節(jié)點進行優(yōu)化部署來減少智能節(jié)點數(shù)量，如圖8所示。

智能節(jié)點同時讀取農(nóng)產(chǎn)品包裝箱上的普通無源RFID標簽信息，實現(xiàn)在途農(nóng)產(chǎn)品身份的識別與判斷。最后智能節(jié)點將所獲取的所有信息通過WSN網(wǎng)絡以單跳或多跳的方式傳遞至協(xié)調(diào)器。系統(tǒng)中智能節(jié)點獲取數(shù)據(jù)的時間間隔設置為 1 s，放置在駕駛室的副駕駛車座下邊的協(xié)調(diào)器將智能節(jié)點所讀取的信息進行匯聚、自適應融合和壓縮之后以TCP/IP協(xié)議通過GPRS模塊傳入監(jiān)控中心，設置網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)的時間間隔為1 min[16]， 同時在協(xié)調(diào)器節(jié)點中集成了GPS模

塊，實現(xiàn)了對冷鏈運輸車輛軌跡的實時追蹤。當協(xié)調(diào)器節(jié)點處理智能節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)時，如果發(fā)現(xiàn)異常，監(jiān)測指標達到閾值或超過閾值，產(chǎn)品本身信息與數(shù)據(jù)庫信息不符時，發(fā)出預警報警信號，提醒遠程控制中心及監(jiān)管機構(gòu)采取應急方案。同時遠程控制中心也可以通過GPRS模塊向協(xié)調(diào)器發(fā)出查詢命令。endprint

3農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流監(jiān)控追蹤系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

基于WSID和WebGIS的農(nóng)產(chǎn)品冷鏈監(jiān)控追蹤系統(tǒng)平臺，以生鮮農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地生產(chǎn)與流通的產(chǎn)業(yè)鏈為主線，面向農(nóng)戶、消費者和管理者，滿足集監(jiān)控追蹤、防偽管理于一體的功能需求，系統(tǒng)綜合功能框架設計如圖9所示。

3.2系統(tǒng)功能實現(xiàn)

該系統(tǒng)采用了C/S與B/S模式相結(jié)合的運行體系結(jié)構(gòu)，監(jiān)測系統(tǒng)中傳感器、GPRS模塊和服務器之間的通信模塊以及系統(tǒng)管理部分模塊采用C/S結(jié)構(gòu)，從而提高硬件與軟件通信過程的數(shù)據(jù)運算和處理能力，并且對數(shù)據(jù)的釆集、轉(zhuǎn)換只需要在服務器端進行即可，降低系統(tǒng)成本；用于監(jiān)測數(shù)據(jù)展示的部分采用B/S結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)系統(tǒng)中的冷鏈環(huán)境信息的發(fā)布、瀏覽和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等功能需求；ASP.NET為前臺開發(fā)工具，數(shù)據(jù)監(jiān)控中心的服務器是通過Microsoft SQL Server 2010與Arc GIS Server搭建的，系統(tǒng)實現(xiàn)了農(nóng)產(chǎn)品冷鏈環(huán)境信息的動態(tài)交互、實時更新以及基于地圖的監(jiān)測信息動態(tài)展示等功能，農(nóng)產(chǎn)品冷鏈監(jiān)控追蹤系統(tǒng)主界面如圖10所示。

3.3WebGIS功能實現(xiàn)

監(jiān)控中心采用基于百度地圖車聯(lián)網(wǎng)API的WebGIS技術

實現(xiàn)冷鏈運輸中無線傳感網(wǎng)絡各監(jiān)測節(jié)點及GPS數(shù)據(jù)的地圖展示。如圖11所示，用戶通過客戶端的Web瀏覽器按HTTP協(xié)議提交各種冷鏈事件請求并發(fā)送到WebGIS服務器；WebGIS服務器接受客戶端發(fā)送來的請求，處理并重新定向這些請求到GIS數(shù)據(jù)庫服務器；CIS數(shù)據(jù)庫服務器接受客戶端的任務請求，調(diào)用相關處理功能模塊，再將處理結(jié)果傳回WebGIS服務器；最后WebGIS服務器遵循HTTP協(xié)議以HTML格式及Script語言格式封裝處理結(jié)果返回客戶端的Web瀏覽器，使得農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流環(huán)境中的溫濕度、CO2濃度、C2H4含量、節(jié)點電量、產(chǎn)品身份和車輛位置等信息以WebGIS的形式發(fā)布更便利、更準確。

4結(jié)論

相對于傳統(tǒng)的冷鏈物流監(jiān)測系統(tǒng)，研究中，以WSN與RFID融合集成的智能節(jié)點為核心，利用兩者的優(yōu)勢互補特性設計的農(nóng)產(chǎn)品冷鏈監(jiān)控追蹤系統(tǒng)，覆蓋了農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流倉儲運輸?shù)娜^程，保證了獲取信息的全面性和及時性。基于WebGIS實現(xiàn)了運輸環(huán)節(jié)監(jiān)測信息的動態(tài)展示，通信性能測試表明，在通信距離30 m的范圍內(nèi)，-3 dBm及以上的發(fā)射功率均能保證8%以內(nèi)的丟包率，數(shù)據(jù)傳輸比較可靠，從整體上提高了農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流安全化、信息化和智能化水平。

系統(tǒng)中利用的融合技術在其監(jiān)測功能較為完善的同時，也帶來了比較高的冷鏈物流成本，其中融合之后的大數(shù)據(jù)量傳輸造成的能耗問題是最為突出的問題。

下一步系統(tǒng)將在智能節(jié)點布局優(yōu)化部署、多數(shù)據(jù)融合壓縮方面進行一定的深入研究和改進，在提高監(jiān)測精度的條件下盡量減少智能節(jié)點數(shù)量，降低多環(huán)節(jié)、多節(jié)點和多指標監(jiān)控追蹤所帶來的冷鏈物流成本

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doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2017.17.055endprint