疫情防控背景下基于WSN和RFID技術(shù)的陜西省冷鏈物流系統(tǒng)設(shè)計

成志平

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000）

生鮮農(nóng)產(chǎn)品從收獲/屠宰到運輸再到終端消費者手中，通常需要經(jīng)過一定的時間。對于保質(zhì)期較短的生鮮農(nóng)產(chǎn)品而言，利用冷鏈物流系統(tǒng)開展產(chǎn)品倉儲物流，是降低農(nóng)產(chǎn)品腐敗變質(zhì)比例及保證現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)品貿(mào)易正常運轉(zhuǎn)的必需環(huán)節(jié)。然而，隨著新冠疫情的爆發(fā)，中國多地在進口冷鏈?zhǔn)称坊虬b物中檢出新冠病毒核酸陽性，進口冷鏈?zhǔn)称芬咔閭鞑グ踩L(fēng)險增大。盡管新冠病毒基本均出現(xiàn)在進口冷鏈環(huán)節(jié)，但中國人民群眾對冷鏈物流體系的信賴程度卻隨之降低［1-3］。為應(yīng)對后疫情時代生鮮農(nóng)產(chǎn)品對冷鏈物流的需求，需要對現(xiàn)有的冷鏈物流體系進行優(yōu)化，增加對冷鏈物流環(huán)節(jié)的監(jiān)控等手段，降低新冠病毒污染生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流的風(fēng)險。本研究基于WSN和RFID技術(shù)，以陜西省農(nóng)產(chǎn)品為例，設(shè)計了一種生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流系統(tǒng)，旨在優(yōu)化現(xiàn)有生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流系統(tǒng)，并為后疫情時代的農(nóng)產(chǎn)品貿(mào)易運轉(zhuǎn)提供幫助。

1 WSN與RFID技術(shù)的融合

1.1 WSN技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）是一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，采用無線方式進行通信，將其末梢處傳感器獲得的信息與上位機等進行傳輸［4］。WSN的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置靈活，可以根據(jù)用戶和系統(tǒng)需求等隨時更改，具有大規(guī)模、自組織、動態(tài)性、可靠性強等優(yōu)勢。

1.2 RFID技術(shù)

射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）又稱無線射頻識別，是一種可通過無線電訊號識別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機械或光學(xué)接觸的通信技術(shù)［5］。RFID技術(shù)應(yīng)用于生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流，實現(xiàn)產(chǎn)品的非接觸信息識別，在整個識別環(huán)節(jié)無須人工干預(yù)且可應(yīng)用于各種惡劣環(huán)境如低溫環(huán)境、高速運行環(huán)境等，可以有效降低生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流環(huán)節(jié)與外界的接觸。

1.3 WSN與RFID技術(shù)的融合優(yōu)勢

石麗娟等［6］基于兩種技術(shù)進行融合并將其應(yīng)用于生鮮果蔬冷鏈監(jiān)測系統(tǒng)中，WSN與RFID技術(shù)融合后開展冷鏈物流系統(tǒng)建設(shè)，能夠采用微型傳感器節(jié)點采集信息并進行無接觸信息傳輸，在應(yīng)用于生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流后，由于各節(jié)點間具有自組織和協(xié)同工作的能力，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部采用無線多跳通信方式，與傳統(tǒng)的冷鏈物流相比，其具有的優(yōu)勢：①精確度高，能夠?qū)崿F(xiàn)單一的冷鏈物流傳感器無法實現(xiàn)的密集空間采樣及近距離監(jiān)測；②靈活性強，一經(jīng)部署無需冷鏈物流體系中進行過多的人為干預(yù)；③可靠性高，避免單點失效問題；④性價比高，能夠降低傳統(tǒng)冷鏈物流體系中的傳感器成本。

2 基于WSN和RFID技術(shù)的冷鏈物流系統(tǒng)設(shè)計

2.1 生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流系統(tǒng)框架

陜西是中國的農(nóng)業(yè)大省，同時也是生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流供應(yīng)與需求大省。在冷鏈物流產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中，出現(xiàn)了速必達(dá)冷鏈物流、東方（冷鏈）貨運、嘉豐蔬果冷鏈倉儲物流中心等省內(nèi)冷鏈物流企業(yè)，省內(nèi)建設(shè)成的物流園區(qū)對陜西省蘋果、獼猴桃、富硒農(nóng)產(chǎn)品的發(fā)展提供了巨大幫助［7-9］。本研究總結(jié)陜西省生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流系統(tǒng)框架（圖1）。在生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流系統(tǒng)中，監(jiān)控中心是開展大部分業(yè)務(wù)的核心。冷鏈物流企業(yè)通過構(gòu)建基于WSN+RFID的監(jiān)控中心，實現(xiàn)生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流環(huán)節(jié)信息采集、質(zhì)量安全追溯、倉儲管理、監(jiān)控預(yù)警以及運輸調(diào)度等方面的協(xié)調(diào)配合。

圖1 陜西生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流系統(tǒng)

2.1.1 信息采集系統(tǒng)信息采集系統(tǒng)的主要作用是采集生鮮農(nóng)產(chǎn)品從流入冷鏈物流時的原始信息到流入消費者手中時的全壽命周期信息，通過EPC編碼對某一農(nóng)產(chǎn)品或某批農(nóng)產(chǎn)品進行惟一的標(biāo)準(zhǔn)編碼編譯，再通過WSN+RFID技術(shù)進行數(shù)據(jù)采集和傳輸，系統(tǒng)用戶以及管理員等可以根據(jù)所屬權(quán)限的不同查看或下載系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

2.1.2 倉儲管理系統(tǒng)倉儲管理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對生鮮農(nóng)產(chǎn)品入庫、出庫兩個環(huán)節(jié)進行數(shù)據(jù)信息統(tǒng)計與監(jiān)管。該系統(tǒng)接受來自監(jiān)控中心的指令，配合倉庫工作人員的手持或固定RFID掃描工具對產(chǎn)品進行智能化管理，降低生鮮農(nóng)產(chǎn)品在入庫、出庫環(huán)節(jié)時的損耗。同時，由于WSN技術(shù)的融入，倉儲管理系統(tǒng)的生鮮農(nóng)產(chǎn)品掃描基本可以實現(xiàn)無人化作業(yè)，降低了因為人的存在而造成的新冠病毒威脅。

2.1.3 監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)該系統(tǒng)綜合應(yīng)用RFID、各類型傳感器、報警器等對生鮮農(nóng)產(chǎn)品在冷鏈物流過程中的溫度、濕度、二氧化碳濃度等進行監(jiān)控。由于WSN的存在，即使物流車輛已經(jīng)距離監(jiān)控中心很遠(yuǎn)距離，監(jiān)控中心仍然能夠?qū)崟r把控物流車輛內(nèi)部環(huán)境條件，一旦冷鏈車輛內(nèi)部存儲環(huán)境發(fā)生變化，則車輛將會在進行聲光報警的同時，將問題通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)控中心進行及時調(diào)控。

2.1.4 其他系統(tǒng)冷鏈物流系統(tǒng)中的運輸調(diào)度系統(tǒng)以及農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)等也會通過GPRS等通信技術(shù)與監(jiān)控中心進行實時對接，監(jiān)控系統(tǒng)可以對運輸車輛、冷鏈倉儲等進行實時調(diào)度；企業(yè)也可以通過監(jiān)控中心實現(xiàn)生鮮農(nóng)產(chǎn)品的全壽命周期質(zhì)量安全溯源，即使在消費者完成生鮮農(nóng)產(chǎn)品消費后很長時間也可以對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問題進行溯源。

2.2 監(jiān)控中心運轉(zhuǎn)流程

在陜西省生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流系統(tǒng)中，監(jiān)控中心是冷鏈物流系統(tǒng)開展絕大部分工作的核心。同時，監(jiān)控中心也是WSN+RFID兩種技術(shù)最直接應(yīng)用的環(huán)節(jié)。因此，本研究針對監(jiān)控中心的總體架構(gòu)和系統(tǒng)功能流程進行詳細(xì)分析。

2.2.1 監(jiān)控中心架構(gòu)生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流監(jiān)控中心總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。監(jiān)控中心總共由主節(jié)點、從節(jié)點以及檢測服務(wù)平臺3部分組成。其中，主節(jié)點也成為智能節(jié)點，主要包含生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流環(huán)節(jié)溫度、濕度等條件的采集部分，融合了WSN和RFID技術(shù)，主要布置在冷鏈物流車輛以及各區(qū)域的生鮮物流倉庫中；從節(jié)點也被稱為終端采集模塊，主要負(fù)責(zé)將生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流中傳感器、RFID閱讀器等所接收的各項數(shù)據(jù)進行收集和傳輸，通常也布置在冷鏈物流車輛以及各區(qū)域的生鮮物流倉庫中；冷鏈監(jiān)測服務(wù)平臺看作是冷鏈物流體系的服務(wù)器，負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程收集生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流過程中的各項監(jiān)測數(shù)據(jù)，該平臺為不同權(quán)限用戶提供不同的數(shù)據(jù)查詢服務(wù)。

圖2 監(jiān)控中心架構(gòu)

2.2.2 主從節(jié)點功能流程主從節(jié)點的功能流程如圖3所示。當(dāng)生鮮農(nóng)產(chǎn)品進入冷鏈物流系統(tǒng)后，監(jiān)控中心首先會對系統(tǒng)進行初始化，消除上一批生鮮農(nóng)產(chǎn)品的串口波特率等對當(dāng)前生鮮農(nóng)產(chǎn)品的影響；隨后系統(tǒng)的智能節(jié)點將會對檢測服務(wù)平臺獲取的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)據(jù)進行篩選，若篩選結(jié)果表示該節(jié)點為主節(jié)點，則監(jiān)控中心會定時發(fā)送命令至從節(jié)點經(jīng)由WSN進行數(shù)據(jù)發(fā)送；若該節(jié)點不為主節(jié)點，則操作傳感器測量冷鏈物流車輛或冷鏈物流倉儲中的環(huán)境條件如溫度、濕度、二氧化碳濃度等，讀取從節(jié)點中RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳輸至主節(jié)點。

圖3 主從節(jié)點功能流程

3 疫情防控下基于WSN和RFID技術(shù)的冷鏈物流系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 冷庫的監(jiān)測環(huán)節(jié)

生鮮農(nóng)產(chǎn)品的入庫與出庫是生鮮農(nóng)產(chǎn)品與工作人員接觸或暴露于自然環(huán)境下的重要場景。冷庫監(jiān)測水平的高低，將會直接決定后疫情時代生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流系統(tǒng)對新冠病毒的防控能力［10］。基于WSN和RFID技術(shù)的冷鏈物流系統(tǒng)帶有RFID標(biāo)簽產(chǎn)品箱以及智能主從節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，通過WSN進行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。冷庫監(jiān)測環(huán)節(jié)工作流程如圖4所示。

圖4 冷庫監(jiān)測環(huán)節(jié)工作流程

以陜西省獼猴桃為例，農(nóng)民完成采摘后，系統(tǒng)的智能節(jié)點會通過RFID標(biāo)簽對運輸來的獼猴桃果蔬箱信息進行統(tǒng)計，所有接觸過該果蔬箱的人、車都會被精準(zhǔn)記錄，果蔬箱的所有信息都可以在監(jiān)控中心進行獲取。同時，該系統(tǒng)還會通過冷庫的智能攝像頭實時監(jiān)控具體的某一果蔬箱，假如該果蔬箱在倉儲環(huán)節(jié)被進行了完全沒有必要的操作，例如非工作人員接觸等，該系統(tǒng)同樣會進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計并智能調(diào)閱冷庫的智能攝像頭監(jiān)控數(shù)據(jù)，以便后續(xù)發(fā)現(xiàn)問題時及時進行追蹤。

3.2 冷鏈物流車輛監(jiān)測環(huán)節(jié)

冷鏈物流車輛運輸環(huán)節(jié)也是生鮮農(nóng)產(chǎn)品受新冠病毒威脅的重要場景。過多的物流車輛對接會直接增加農(nóng)產(chǎn)品接觸新冠病毒的機會。在應(yīng)用冷鏈物流系統(tǒng)后，除對冷鏈物流車輛司機進行嚴(yán)格的智能化監(jiān)控意外，所有涉及某一生鮮農(nóng)產(chǎn)品的冷鏈物流車輛都需要進行嚴(yán)格的運輸工具及貨物的消毒，車廂內(nèi)的傳感器會對某些消毒劑的成分以及波動情況進行監(jiān)控，若發(fā)現(xiàn)某些車輛并未進行規(guī)定的消毒則會直接對該車輛發(fā)起警告，車輛內(nèi)部的聲光警告燈會警示相關(guān)工作人員該車輛的問題，大大增強冷鏈物流車輛監(jiān)控環(huán)節(jié)的疫情防控水平。

4 小結(jié)

疫情時代生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流系統(tǒng)的病毒防控能力將會成為冷鏈物流產(chǎn)業(yè)堅決切斷新冠病毒傳播途徑的重要體現(xiàn)。本研究構(gòu)建了基于WSN和RFID技術(shù)的生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流系統(tǒng)，從傳感器的信息傳遞以及主從節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫暯菍鹘y(tǒng)的冷鏈物流體系監(jiān)控中心進行了優(yōu)化，冷鏈物流體系將會大大提升倉儲和車輛運輸環(huán)節(jié)的疫情防控水平，從而充分保證后疫情時代生鮮農(nóng)產(chǎn)品物流安全。