基于WSN和RFID的生鮮果蔬冷鏈監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

石麗娟+李志剛

摘要：隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展和生鮮電商平臺的興起，冷鏈溫度監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用也越來越廣泛。冷鏈溫度監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)ιr儲藏運輸環(huán)境進行嚴格的監(jiān)控、記錄，無線傳輸?shù)接嬎銠C，進行詳細分析和決策，從而對環(huán)境溫度實現(xiàn)智能化管理。該文將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN和非接觸式自動識別技術(shù)RFID相結(jié)合，設(shè)計一款適用于生鮮果蔬冷鏈監(jiān)測的系統(tǒng)，并應(yīng)用于生鮮果蔬的冷庫監(jiān)測管理和冷藏車運輸配送過程中。

關(guān)鍵詞：生鮮果蔬；WSN；RFID；冷鏈監(jiān)測

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）01-0248-02

我國生鮮果蔬資源豐富、品質(zhì)優(yōu)良，但由于保鮮、貯存、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)的制約，造成產(chǎn)后損失十分嚴重。據(jù)中國冷鏈產(chǎn)業(yè)網(wǎng)公布的數(shù)據(jù)顯示，我國每年約有1/4的水果和1/3的蔬菜在采摘后的儲藏存放和中轉(zhuǎn)運輸過程中腐爛變質(zhì)損壞，價值高達750億元。為減少生產(chǎn)后損失，需要改變傳統(tǒng)的常溫物流和自然物流，盡量采用冷鏈存放和運輸，指果蔬產(chǎn)品在銷售前的各個環(huán)節(jié)中始終處于能保證果蔬質(zhì)量和性能的低溫環(huán)境，所以，對果蔬冷鏈的溫濕度監(jiān)測十分重要。

1 WSN和RFID的融合技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN是一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，由大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成，它的末梢是傳感器，使用傳感器的元器件感知和監(jiān)測外部環(huán)境，還可以跟互聯(lián)網(wǎng)進行連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸。具有低功耗、低成本、自組織、動態(tài)性的主要特點，廣泛應(yīng)用于智能交通、環(huán)境監(jiān)控等多個領(lǐng)域。RFID又稱射頻識別，通過閱讀器和電子標簽的射頻信號相互耦合，產(chǎn)生磁場電流，從而實現(xiàn)非接觸式的信息傳輸。

在冷鏈物流智能化監(jiān)測方面，國內(nèi)學(xué)者采用WSN技術(shù)、ZigBee技術(shù)、GRPS技術(shù)和RFID技術(shù)等設(shè)計了各項冷鏈物流智能化監(jiān)測系統(tǒng)。劉亮基于ZigBee和GPRS設(shè)計由采集節(jié)點和主控節(jié)點構(gòu)成的冷鏈監(jiān)測系統(tǒng)，通過各個采集節(jié)點來獲取溫度等數(shù)據(jù)，并利用ZigBee方式將數(shù)據(jù)匯集在主控節(jié)點[1]；馮賀平等采用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[2]；劉國梅等提出了一種基于WSN和RFID技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流監(jiān)控追蹤系統(tǒng)，給出了農(nóng)產(chǎn)品在冷藏運輸過程中及冷庫中的監(jiān)控與管理方案[3]；劉丹丹等融合WSN和RFID2種技術(shù)優(yōu)勢，提出了一種基于WSID融合網(wǎng)絡(luò)和WebGIS的冷鏈運輸監(jiān)控追蹤系統(tǒng)[4]。本文采用劉國梅等的關(guān)鍵部分設(shè)計方案，在劉丹丹等的設(shè)計思路基礎(chǔ)上，把基于WSN和RFID的監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于新疆生鮮果蔬的長距離遠途冷藏運輸?shù)谋O(jiān)測及冷庫監(jiān)測和管理中。

2 生鮮果蔬冷鏈物流分析

新疆是我國農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)大區(qū)，隨著果蔬生產(chǎn)基地加快建設(shè)和設(shè)施農(nóng)業(yè)加快發(fā)展，全區(qū)已形成瓜果、蔬菜區(qū)域性優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)特色農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)帶，生鮮果蔬的產(chǎn)量和流通量不斷增長，目前新疆生鮮果蔬冷鏈物流具有如下特點：

1） 大部分瓜果、蔬菜，屬于時令果蔬，如葡萄、桃子、西瓜、西紅柿、辣椒等都是非常典型的鮮貨易腐品，采摘后如果不經(jīng)過恰當處理，特別容易腐爛變質(zhì)。所以，對溫濕度要求明顯，需要低溫適度潮濕環(huán)境從而盡可能保鮮。

2） 生鮮果蔬在物流過程中損耗較大，新疆目前的果蔬運輸大多采用集裝車常溫物流運輸，致使生鮮果蔬在物流過程中的損耗率達到了30%以上，而發(fā)達國家則可控制在5%以下，因此發(fā)展冷鏈物流、控制損耗是優(yōu)化新疆生鮮果蔬物流的關(guān)鍵因素。

3） 冷庫內(nèi)和冷藏車的溫濕度監(jiān)測不到位，冷庫和冷藏車內(nèi)的果蔬一般不是均勻分布的，再加上制冷機的風向作用和開關(guān)門通風效果，勢必導(dǎo)致冷藏環(huán)境溫濕度分布不均勻，因此要盡可能監(jiān)測到更全面、更準確、更實時的有效數(shù)據(jù)，在溫度達到一個閾值時應(yīng)發(fā)出提醒。

4） 國內(nèi)一二線城市對新鮮果蔬的需求量不斷升高，和對食品安全的警覺度的增加，加快新疆生鮮果蔬的冷鏈運輸勢在必行，也有著極大的商業(yè)利潤。但冷藏運輸受到了現(xiàn)實條件的制約，新疆路途遙遠需要長距離運輸，沿途氣溫高、太陽毒，生鮮果蔬易腐爛變質(zhì)。

3 生鮮果蔬冷鏈監(jiān)測設(shè)計

3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

生鮮果蔬冷鏈監(jiān)測系統(tǒng)由三個主要部分：

1） 作為從節(jié)點也稱為智能節(jié)點的溫濕度采集部分，融合了WSN節(jié)點和RFID閱讀器，布置在冷庫內(nèi)和冷藏車廂中；

2） 作為主節(jié)點也稱發(fā)送節(jié)點的終端采集模塊，負責冷鏈環(huán)境中溫濕度數(shù)據(jù)傳輸，一般置于冷藏車頂和冷庫中心部位；

3） 具有服務(wù)器功能的冷鏈監(jiān)測服務(wù)平臺，負責接收遠程采集上傳的各項監(jiān)測數(shù)據(jù)，并能夠提供信息查詢服務(wù)。果蔬冷鏈監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.2 主從節(jié)點設(shè)計

3.2.1 主節(jié)點設(shè)計

主節(jié)點的功能主要負責發(fā)送從節(jié)點采集到的溫濕度數(shù)據(jù)信息，由負責無線通信的CC2530模塊和GSM以及串口結(jié)構(gòu)組成。CC2530 是一個兼容IEEE802.15.4的真正的片上系統(tǒng)[6]，提供了101dB的鏈路質(zhì)量，用于2.4-GHz、ZigBee 和RF4CE 應(yīng)用，支持專有的802.15.4市場。它具有優(yōu)秀的接收器靈敏度和健壯的抗干擾性，能夠以非常低材料成本建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，支持一般的低功耗無線通信。GSM是全球移動通信系統(tǒng)的簡稱，已普及應(yīng)用，是當前應(yīng)用最為廣泛的移動電話標準，使用靈活、抗干擾強、安全性高。

3.2.2 從節(jié)點設(shè)計

本部分又稱為智能節(jié)點，是WSN和RFID技術(shù)融合的體現(xiàn)，也是實現(xiàn)智能化監(jiān)測的核心部件，有微內(nèi)核、WSN、RFID閱讀器、溫濕度傳感器和微電池組成。

微內(nèi)核和通信部分由CC2530 結(jié)合業(yè)界標準增強8051MCU內(nèi)核、通過優(yōu)秀的RF 收發(fā)器構(gòu)成，使用2個USART、12位ADC和21個通用GPIO外設(shè)集，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，通過專有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧來簡化開發(fā)。endprint

傳感器部分負責監(jiān)測周圍的溫濕度環(huán)境參數(shù)，選用奧松電子廠商的DHT11溫濕度傳感器。DHT11是一款溫濕度復(fù)合傳感器，可由電商平臺購買，其精度濕度+-5%RH， 溫度+-2℃，量程范圍25℃+-0.2℃ 至 -40℃，采樣周期每次大于2秒。

果蔬包裝箱上粘貼低成本的無源RFID標簽，由淘寶平臺購買，選用ISO14443A M1 S50電子標簽。RFID閱讀器采用有源RFID產(chǎn)品，采用ISO 18000-6C信息技術(shù)，選用LH-1000讀卡模塊，由Philips MFRC522原裝芯片+進口單片機設(shè)計而成，外部通過RS232接口與模塊通信，自帶MCU無需編寫協(xié)議，通過簡單指令讀寫IC卡，讀卡距離遠，工作電壓為DC3.3-5.5V。

3.3 主從節(jié)點功能流程

冷鏈監(jiān)測系統(tǒng)啟動后，首先進行初始化，包括串口波特率的設(shè)置和時間間隔設(shè)置，之后智能節(jié)點開始查找網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，若為主節(jié)點則定時發(fā)送命令至從節(jié)點，否則負責操控傳感器測量當前冷鏈環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)，讀取標簽信息，并發(fā)送至主節(jié)點。果蔬冷鏈監(jiān)測系統(tǒng)主從節(jié)點的功能流程圖如圖2所示。

4 冷鏈監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用

4.1 冷庫的監(jiān)測和管理

生鮮果蔬在采摘之后需要經(jīng)過加工預(yù)冷和控溫貯藏環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)是為了確保果蔬在儲存過程中維持在低溫環(huán)境中，以便能夠保持果蔬的最佳儲藏狀態(tài)。果蔬具有通過生命活動與周圍環(huán)境發(fā)生作用，影響自身狀態(tài)和產(chǎn)品重量的特點，果蔬對于溫濕度有嚴格的要求，因此冷鏈庫存過程中必須保持在一定的溫度中，這需要進行全程溫濕度監(jiān)測[5]。本文基于WSN和RFID技術(shù)設(shè)計的冷鏈監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于冷庫監(jiān)測和管理的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖如圖3所示。

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)有帶有RFID標簽的果蔬箱、WSN+RFID閱讀器的智能節(jié)點、發(fā)送節(jié)點以及具有服務(wù)器功能的冷鏈監(jiān)測服務(wù)平臺組成。智能節(jié)點通過RFID閱讀器負責收集每一個帶有RFID標簽的果蔬箱的溫濕度信息，并可附加記錄出入庫信息。各個智能節(jié)點之間和發(fā)送節(jié)點通過自組織單跳或多跳形成WSN網(wǎng)絡(luò)，并無線通信發(fā)送溫濕度數(shù)據(jù)至發(fā)送節(jié)點，由發(fā)送節(jié)點傳輸至服務(wù)器平臺。

4.2 車載運輸中的監(jiān)測

果蔬產(chǎn)品在冷藏車中的擺放較為密集，一般不是均勻分布的，受果蔬呼吸熱、與周圍環(huán)境作用、車輛內(nèi)制冷機的風向和車門漏風等因素的影響[7]，必然會導(dǎo)致冷藏車廂內(nèi)溫度、濕度分布的不均勻，因此要想監(jiān)測到更全面、更準確、更實時的有效數(shù)據(jù)，智能節(jié)點應(yīng)盡可能多。將智能節(jié)點按照一定的密度擺放在冷藏車內(nèi)，盡可能密集，越密集數(shù)據(jù)越完善。把發(fā)送節(jié)點置于車廂頂部，以便在車輛行駛過程中有更好的GSM信號傳輸數(shù)據(jù)信息。果蔬冷鏈監(jiān)測系統(tǒng)的冷藏車載運輸應(yīng)用如圖4所示。

5 結(jié)束語

本文基于比較成熟的WSN和RFID融合技術(shù)，在前人研究的基礎(chǔ)上設(shè)計了冷鏈監(jiān)測系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于生鮮果蔬冷鏈監(jiān)測中，該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能穩(wěn)定、數(shù)據(jù)傳輸率快，能夠?qū)崿F(xiàn)溫濕度的實時監(jiān)測，并可通過服務(wù)器平臺給出預(yù)警。但存在硬件設(shè)計成本費用較高，對智能節(jié)點的需求多等不足之處，硬件設(shè)計需要進一步改進，或者通過智能節(jié)點的優(yōu)化布局，減少智能節(jié)點數(shù)量。

參考文獻：

[1] 劉亮. 基于ZigBee和GPRS的冷鏈監(jiān)測系統(tǒng)的研制[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2015.

[2] 馮賀平，吳梅梅，楊敬娜.基于ZigBee 技術(shù)的果蔬冷鏈物流實時監(jiān)測系統(tǒng)[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，201，45（6）：219-221.

[3] 劉國梅，孫新德. 基于WSN和RFID的農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流監(jiān)控追蹤系統(tǒng)[J].農(nóng)機化研究，2011，33（4）：179-182.

[4] 劉丹丹，李志剛.基于WSID 和WebGIS 的農(nóng)產(chǎn)品冷鏈監(jiān)控追蹤系統(tǒng)[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，45（17）：200-204.

[5] 孫超. 果蔬冷鏈物流庫存控制模型及應(yīng)用[D].南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.

[6] 劉宸. 農(nóng)產(chǎn)品冷鏈運輸WSN監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].西北農(nóng)林科技大學(xué)，2014.

[7] 郭斌. 基于Zigbee技術(shù)的果蔬冷鏈車載環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，2010.endprint