基于網(wǎng)絡拓撲的生鮮食品供應鏈管理的無線傳感器網(wǎng)絡設計

劉永禮 侯慶豐

(1. 新疆輕工職業(yè)技術學院，新疆 烏魯木齊 830021；2. 甘肅農(nóng)業(yè)大學，甘肅 蘭州 730070)

實時的供應鏈管理技術對保障生鮮食品的安全和質量至關重要。例如，生鮮食品運輸過程中的溫度調控不當可能會導致質量下降，據(jù)估計[1-2]，每年因此造成的產(chǎn)品損失高達35%。此外，卡車的振動也會對水果和蔬菜造成損傷[3]。因此，生鮮食品供應鏈環(huán)境參數(shù)監(jiān)測具有重要的經(jīng)濟價值，運輸及儲存條件是影響生鮮食品安全和質量的重要因素。

在傳統(tǒng)的冷鏈管理系統(tǒng)中，在車輛和倉庫中安裝了溫度計和濕度傳感器。這種方法有一些明顯的缺點，如：只能在本地顯示和記錄環(huán)境信息，不能與遠程用戶共享實時數(shù)據(jù)；只能監(jiān)控倉庫或車輛內的宏觀環(huán)境，不能監(jiān)控每種食品包裝盒內的微觀環(huán)境；不能記錄卡車裝載、車輛切換時的環(huán)境狀況。因此，這些系統(tǒng)不能實時、連續(xù)地提供生鮮食品的環(huán)境信息[4-8]。

無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)是一種新的生鮮食品供應鏈管理技術[9]，可以提供關于生鮮食品的實時環(huán)境信息，具有良好的性能和低廉的成本；傳感器節(jié)點也可以安裝在生鮮食品包裝盒中，并貫穿整個供應鏈。基于近年來微電子技術的不斷進步[10]，無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的成本和功耗在過去幾年中有了顯著下降。通過適當?shù)呐渲?，WSN節(jié)點可以檢測與食品安全和質量有關的各種環(huán)境參數(shù)，如溫度、濕度、二惡英、乙烯、振動等[11-13]。WSN已被廣泛應用于各種領域的監(jiān)測系統(tǒng)，如精確農(nóng)業(yè)、遠程醫(yī)療和動物行為檢測[14-15]。冷鏈管理是無線傳感器網(wǎng)絡的一個重要應用領域。前人對無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)通信進行了研究和試驗[16]，采用智能分析系統(tǒng)幫助決策。然而，由于以下原因，以往的大部分工作不能直接用于生鮮食品供應鏈管理：① 以往的大部分工作只收集典型的環(huán)境參數(shù)，如溫度和濕度。然而，其他環(huán)境參數(shù)，如生鮮食品在運輸過程中的運動狀態(tài)，也會影響質量。一個典型的例子是嚴重的振動和意外的墜落會對水果和蔬菜造成機械損傷[17]。② 改善非連接狀態(tài)終端設備的電源管理,當終端設備超出任何路由器或協(xié)調器的工作范圍，或路由器和協(xié)調器偶爾斷電時，終端設備將處于非連接狀態(tài)[5,14,18]。在生鮮食品供應鏈中，協(xié)調器和路由器通常安裝在倉庫或車輛中，由有源電源供電，而終端設備則安裝在箱子或容器上。當將生鮮食品從倉庫裝載到車輛并將其從車輛卸載到倉庫時，終端設備將離開原始的WSN網(wǎng)絡，并在加入新的WSN網(wǎng)絡之前處于未連接狀態(tài)[19]。如果沒有適當?shù)木W(wǎng)絡交換方案，終端設備處于非連接狀態(tài)時可能會產(chǎn)生相當大的能耗[20-21]。

為實現(xiàn)可重構、低數(shù)據(jù)率、低成本、低功耗的WSN節(jié)點，研究擬開發(fā)一套生鮮食品供應鏈管理實時監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)架構

該系統(tǒng)可分為3個部分：安裝在車輛或倉庫中的無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)、互聯(lián)網(wǎng)或移動網(wǎng)絡的廣域網(wǎng)(WAN)以及遠程端的用戶。無線傳感器網(wǎng)絡定期收集和傳輸溫度、相對濕度、二氧化碳濃度和GPS定位數(shù)據(jù)。同時，傳感器檢測食品包裝內的運動狀態(tài)，包括非法開啟、異常振動、過度傾斜和意外墜落，并以事件驅動模式傳輸。廣域網(wǎng)作為一種中介，可以被廣泛訪問，考慮到不同的工作環(huán)境，GPRS和WiFi端口都集成在網(wǎng)關上[22]。供應商或零售商可以從廣域網(wǎng)獲取感知到的數(shù)據(jù)和警報，做出適當?shù)臎Q策來處理不同的問題，并進一步優(yōu)化供應鏈管理。

1.2 無線傳感器網(wǎng)絡拓撲

系統(tǒng)中的無線傳感器網(wǎng)絡拓撲包括星型拓撲和樹型拓撲，可以根據(jù)應用場景進行選擇。在星形拓撲中，有一個協(xié)調器和多個終端設備[23]。在樹拓撲結構中，有一個協(xié)調器、多個路由器和多個終端設備。協(xié)調器是網(wǎng)絡的啟動者和管理者，負責控制終端設備的加入/退出；還作為WSN和WAN之間的網(wǎng)關。路由器建立多跳通信結構，同時監(jiān)控環(huán)境參數(shù)。它們將數(shù)據(jù)中繼和聚合作為集群的頭部。末端裝置與不同類型的傳感器集成，以收集和傳輸環(huán)境信息和異常運動狀態(tài)[24]。

1.3 獲得的信息

系統(tǒng)獲得的信息可分為4類：環(huán)境條件、運動狀態(tài)、位置和網(wǎng)絡狀態(tài)[25]。監(jiān)測對象、獲取信息和相應傳感器的詳細信息見表1。

(1) 環(huán)境條件：環(huán)境條件包括溫度、濕度和一氧化碳濃度，溫度是影響貨架期的最重要參數(shù)。相對濕度與食物的水分擴散有關。二氧化碳反映了代謝活動的速度。定期獲得所有環(huán)境條件。

(2) 運動狀態(tài)：運動狀態(tài)包括異常振動、意外墜落、過度傾斜和容器非法打開。收集這些信息是為了評估生鮮食品在運輸過程中的物理損傷。

(3) 位置：使用商用GPS模塊檢測車輛位置。

表1 獲取信息和傳感器的詳細信息Table 1 Obtained information and details of sensors

(4) 網(wǎng)絡狀態(tài)：網(wǎng)絡狀態(tài)包括終端設備電壓和無線傳感器網(wǎng)絡拓撲結構。使用微處理器上的ADC測量電壓。從接收到的數(shù)據(jù)中的路由信息中收集無線傳感器網(wǎng)絡的拓撲結構，并將其顯示為圖形。

2 硬件的實現(xiàn)

實時生鮮食品供應鏈管理無線傳感器網(wǎng)絡的硬件包括終端設備、路由器和協(xié)調器。在這項工作中，協(xié)調器和路由器是在同一個原型(稱為聚合節(jié)點)中實現(xiàn)的。聚合節(jié)點和終端設備在結構和功能上都不同。設計并實現(xiàn)了兩種印刷電路板。

為了減少感應對印刷電路板的干擾，對強信號和弱信號進行隔離，縮短了布線長度。為了提高印刷電路板散熱效果，增加了高功耗模塊。利用CADENCE的設計條目CIS建立了原型的開發(fā)環(huán)境，利用CADENCE設計了PCB板。

2.1 終端設備

終端設備的結構和原型分別如圖1所示。由一個1 500 mA·h 的片狀鋰電池供電，以便在生鮮食品容器中快速安裝。采用由8051微處理器和IEEE802.15.4標準射頻模塊組成的CC2530運行ZigBee協(xié)議，對傳感器進行控制。實時時鐘芯片DS2417提供當前時間并產(chǎn)生定時脈沖以喚醒CPU。為了收集1.3中列出的信息，必須為終端設備的硬件設計選擇相應的傳感器。

1. ZigBee CCC2530 2. 光強度傳感器模塊 3. 傳感器 4. 電池

(1) 環(huán)境傳感器：環(huán)境傳感器包括溫度/濕度傳感器和一氧化碳傳感器。溫度/濕度傳感器SHT21用于監(jiān)測集裝箱、倉庫和車輛中的溫度和濕度。溫度傳感器SOR的工作范圍為-40～125 ℃，精率±0.3 ℃；相對濕度傳感器的工作范圍為0%～100% RH，精率±2% RH。

(2) 運動傳感器：安裝在端部裝置上的三軸加速度計可以檢測到異常振動、意外墜落、過度傾斜。采用MMA8453Q作為加速度傳感器，提供3軸10位定義的加速度數(shù)據(jù)。通過為MMA8453Q設置適當?shù)挠|發(fā)參數(shù)，任何異常的運動狀態(tài)都將觸發(fā)中斷，并且終端設備將向服務器發(fā)送中斷類型和加速度計的值。使用光傳感器檢測到非法打開容器。當容器在運輸過程中打開時，傳感器將觸發(fā)中斷，并將此非法打開事件報告給服務器。所有異常運動狀態(tài)將作為警報報告給用戶。

2.2 協(xié)調器和路由器

聚合節(jié)點(協(xié)調器和路由器)的架構和原型如圖2所示。聚合節(jié)點主要由中央處理器、基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡內部通信的CC2530、車載無線傳感器網(wǎng)絡與遠程服務器通信的GPRS模塊、倉庫無線傳感器網(wǎng)絡與服務器通信的WiFi、獲取車輛位置的GPS模塊、環(huán)境傳感器和運動傳感器組成。收集信息的傳感器。其他部件：中央處理器采用ARM Cortex-M3，用于采集傳感器信息，處理CC2530與WIFI/GPRS模塊之間的通信。Cortex-M3使用UART協(xié)議與CC2530、GPRS模塊和WiFi模塊通信。H7710E DTU(數(shù)據(jù)終端單元)支持GPRS協(xié)議，WiFi模塊工作在2.412～2.484 GHz和1 200～115 200 bps。GPS模塊采用NEO-6M-0-001，定位精度為2.5 m。COZIRA是一種二氧化碳傳感器，用于監(jiān)測倉庫和車輛內的二氧化碳濃度，由12～36 V電源供電，可直接連接到電源。

1. 加速傳感器 2. ZigBee CC2530 3. GPRS模塊 4. CO2傳感器 5. CPU 6. 計時器 7. 電源管理器圖2 聚合節(jié)點的架構和原型Figure 2 Architecture and prototype of aggregation node

3 軟件的實現(xiàn)

3.1 無線傳感器網(wǎng)絡軟件

基于Z棧對無線傳感器網(wǎng)絡的嵌入式軟件進行編程(Z棧是由TI開發(fā)的用于CC2530的免費ZigBee協(xié)議棧)。除了通信協(xié)議程序外，Z-Stack還提供了一個事件驅動的任務調度程序。因此，用戶只需為其特定的應用開發(fā)應用層程序和外圍設備的硬件驅動程序。Z-Stack的詳細介紹見2006年《Ti Z-Stack用戶指南》；2006年《Z-Stack示例應用程序》及2006年《Z-Stack API》[26]。

在生鮮食品供應鏈中，終端設備必須離開原來的無線傳感器網(wǎng)絡，并在裝卸過程中加入新的無線傳感器網(wǎng)絡。如果加載或卸載過程復雜，終端設備可能會長時間失去與任何網(wǎng)絡的連接。此外，當車輛停止時，協(xié)調器或路由器斷電時，終端設備也將失去與節(jié)點的連接。在上述情況下，如果處理不當，終端設備將繼續(xù)搜索新的網(wǎng)絡工作，并嘗試連接到路由器或協(xié)調器，從而導致相當高的功耗。

終端設備的壽命是無線傳感器性能的關鍵因素，將終端設備設置為睡眠模式是在沒有任務運行時，降低功耗的傳統(tǒng)方法。這種節(jié)能方案由Z棧提供。然而，只有當終端設備已經(jīng)連接到WSN時，Z棧的節(jié)能方案才會生效。因此，為了降低非連接狀態(tài)下的功耗，設計了一種改進的生鮮食品供應鏈監(jiān)控終端設備的網(wǎng)絡切換方案。

當終端設備從關機狀態(tài)切換到初始狀態(tài)時，開始搜索并嘗試加入新網(wǎng)絡。如果終端設備不能加入任何網(wǎng)絡，將設置睡眠時間，并進入非連接睡眠狀態(tài)，在該狀態(tài)下，當前的消耗量大約為13 μA。當睡眠時間結束時，終端設備中的實時時鐘喚醒微處理器，將回到初始狀態(tài)并再次嘗試加入新網(wǎng)絡。如果終端設備成功加入網(wǎng)絡工作，則終端設備將初始化配置參數(shù)并進入已加入睡眠狀態(tài)。使用實時時鐘或加速度傳感器和非法打開傳感器引起的中斷，可以喚醒處于聯(lián)合睡眠狀態(tài)的終端設備。在被喚醒后，終端設備收集并上傳相應的傳感器信息，并將其傳輸?shù)缴霞壒?jié)點。如果傳輸失敗，終端設備將返回初始狀態(tài)；否則，終端設備將保持加入的睡眠狀態(tài)。如果接收到配置命令，則終端設備將相應地設置配置參數(shù)。無論終端設備處于哪個狀態(tài)，一旦節(jié)點電源被切斷，終端設備將進入電源關閉狀態(tài)，在電源恢復之前不應用于任何命令。特別是當終端設備無法加入網(wǎng)絡時，將保持非連接睡眠狀態(tài)，并定期喚醒以嘗試加入網(wǎng)絡。正確設置接入時間和休眠時間，可以顯著降低終端設備斷開與任何網(wǎng)絡連接時的功耗。

3.2 軟件的應用

3.2.1 配置軟件 由于應用場景和食品種類的多樣性，生鮮食品供應鏈監(jiān)控系統(tǒng)需要配置不同的設置。例如，倉庫存儲可以使用WiFi，車輛運輸可以使用GPRS通信，冷凍食品監(jiān)控時的感知頻率高，生鮮水果蔬菜監(jiān)控時的感知頻率低。試驗開發(fā)了一套組態(tài)軟件。表2列出了系統(tǒng)的可配置設置。

3.2.2 PC和智能手機的用戶界面 PC和智能手機的用戶界面負責向最終用戶顯示傳感器和警報信息等環(huán)境信息，滿足智能化食品物流管理的要求。設計開發(fā)了一個在PC機上運行的應用程序和智能手機“供應鏈管理助手”的應用程序，其用戶界面如圖3所示。供應鏈管理輔助應用程序界面如圖4所示。應用程序顯示溫度、相對濕度和當前位置的實時信息，通過信息推送，通知用戶異常加速和非法打開等報警信息。

表2 系統(tǒng)的可配置設置Table 2 Configurable settings of the system

圖3 應用程序用戶界面Figure 3 Application user interface

圖4 輔助應用程序界面Figure 4 Auxiliary application interface

4 測試結果

測試了所開發(fā)的無線傳感器網(wǎng)絡的功能和性能。在測試場景中，使用1個協(xié)調節(jié)點、8個路由器節(jié)點，最多192個終端設備。

4.1 末端裝置功耗

對于協(xié)調器和路由器，嵌入式軟件包括CC2530程序和Cortex-M3程序。CC2530程序實現(xiàn)了基于TI提供的Z堆棧的標準ZigBee協(xié)議棧。Cortex-M3程序通過CC2530、WiFi模塊和GPRS模塊實現(xiàn)傳感器驅動、傳感器數(shù)據(jù)采集和UART通信。

表3 能耗測量結果Table 3 Measurement results of energy consumption

為了分析節(jié)點的實際功耗，對終端設備進行了動態(tài)電流測試。電池和終端設備之間的動態(tài)電流由電流探針檢測并顯示在示波器上。連接到網(wǎng)絡的終端設備稱為連接的終端設備，未連接到網(wǎng)絡的終端設備稱為未連接的終端設備。試驗測量了連接端和非連接端的發(fā)射和接收電流和時間消耗。對于未連接的終端設備，每個周期的網(wǎng)絡連接時間設置為13 s。功耗測量結果如表3所示。當采用1 500 mA·h的電池，數(shù)據(jù)傳輸周期為1 min時，終端設備的壽命可以超過1年。當喚醒周期為10 min，電池所含能量為1 500 mA·h，非連接端設備的壽命為150 d，改進網(wǎng)絡交換方案的終端設備比未改進網(wǎng)絡交換方案的終端設備壽命長得多[27]。延長終端設備的使用壽命，使其能夠應用于長期監(jiān)測生鮮食品供應鏈管理。

在實際電池電壓測試中，測試了星型拓撲中配置的80個終端設備和樹型拓撲中配置的192個終端設備。采樣周期設定為1 min，通過跟蹤兩個不同終端設備的日電池電壓，繪制實際電池電壓曲線，如圖5所示。在星型拓撲和樹型拓撲中工作70 d后，終端設備的實際電池電壓保持穩(wěn)定。

4.2 數(shù)據(jù)傳輸成功率

在傳輸成功率測試中，星型拓撲采用了8種節(jié)點規(guī)模的10～80個終端設備，中間值為10個終端設備。在樹型拓撲結構中，10種節(jié)點規(guī)模采用100～190個終端設備，間隔為10個終端設備。對每一級終端設備進行了3次成功率測試，并記錄了平均結果。星型拓撲中的所有80個終端設備的數(shù)據(jù)傳輸都完全成功；對于樹型拓撲中的190個終端設備，成功率達到99.3%，對通信的穩(wěn)定性具有重要意義。

圖5 電池電壓曲線Figure 5 Battery voltage curve

5 結論

基于ZigBee標準，設計并實現(xiàn)了一種用于生鮮食品供應鏈監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡，詳細介紹了系統(tǒng)的體系結構、硬件設計和軟件實現(xiàn)，并基于環(huán)境和運動狀態(tài)信息的綜合監(jiān)控，非連接終端設備的節(jié)能方案，以及具有可配置拓撲和系統(tǒng)設置的無線傳感器網(wǎng)絡結構進行改進。通過理論分析和實際無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點測試，評價了數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?、功耗和成功率。結果表明，該系統(tǒng)具有較好的使用壽命；改進后的網(wǎng)絡切換方案可顯著降低非連接終端設備的功耗，延長節(jié)點的使用壽命。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸成功率達99%以上。

與以往的研究[16]相比，該系統(tǒng)不僅能監(jiān)測環(huán)境參數(shù)，還能監(jiān)測生鮮食品的運動狀態(tài)，為供應鏈管理提供更全面的信息。設計并實現(xiàn)了一種改進的網(wǎng)絡切換方案，以降低生鮮食品裝卸時非連接端設備的功耗。與傳統(tǒng)的ZigBee系統(tǒng)相比，該方案顯著延長了終端設備的壽命。此外，還可以根據(jù)不同的應用需求配置系統(tǒng)的門路、傳感頻率和網(wǎng)絡拓撲等通信協(xié)議。如何設計超低成本、高集成度的傳感器節(jié)點是今后研究的熱點。