李 群

(江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)工程系，江西 萍鄉(xiāng) 337055)

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)和射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，RFID)已在低溫監(jiān)控系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用［1］。容易腐壞的食品在低溫運(yùn)輸?shù)恼麄€(gè)過程中都應(yīng)該進(jìn)行溫度監(jiān)控［2］，因此，需要評(píng)估硬件的動(dòng)態(tài)行為對(duì)監(jiān)控結(jié)果產(chǎn)生的影響。

本文提出一種WSN 和RFID 半無源標(biāo)簽的硬件動(dòng)態(tài)行為評(píng)估方法，通過多組對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和溫度變化對(duì)傳感器的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，含有無線和RFID 節(jié)點(diǎn)的溫度傳感器可以監(jiān)控高速變化的溫度，保證低溫運(yùn)輸系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

1 相關(guān)研究

在低溫運(yùn)輸系統(tǒng)的監(jiān)控與跟蹤技術(shù)中，WSN 塵粒在倉(cāng)庫(kù)冷卻條件下的適用性已經(jīng)得到驗(yàn)證，并在國(guó)際運(yùn)輸?shù)睦洳剀嚿线M(jìn)行了測(cè)試［3］。RFID 在冷藏車上監(jiān)控低溫運(yùn)輸?shù)倪m用性也得到了驗(yàn)證［4］。文獻(xiàn)［5］中主要關(guān)注包裝食物過程中發(fā)生的高衰減問題，若傳感器和基站之間缺乏路由，傳感器數(shù)據(jù)可能丟失20%左右。文獻(xiàn)［5］的研究表明，在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中，應(yīng)保護(hù)電子設(shè)備使其免受高濕度、冷凝水和機(jī)械壓力的影響，因此，內(nèi)置于包裝箱中傳感器的自動(dòng)定位功能非常重要［6］。

文獻(xiàn)［7］中提出了一種農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流監(jiān)控追蹤系統(tǒng)，結(jié)合WSN 和RFID 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，闡明了整個(gè)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的具體流向，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品所處環(huán)境和品質(zhì)進(jìn)行跟蹤。基于WSN 和RFID 技術(shù)，文獻(xiàn)［8］中結(jié)合低功耗MSP430 系列單片機(jī)，使得成本低廉，系統(tǒng)穩(wěn)定。然而，這些設(shè)計(jì)均忽略了硬件動(dòng)態(tài)行為對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。由于傳感器的動(dòng)態(tài)特性對(duì)于歷史記錄重建具有非常重要的意義，因此，本文對(duì)傳感器的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行評(píng)估。

2 WSN 與RFID

2.1 改進(jìn)的WSN

一般類型的WSN 塵粒含有一個(gè)微控制器板(IRIS)和一個(gè)獨(dú)立變速器板MTS400，利用一個(gè)52 插腳連接器將這2 個(gè)板連接［3］。處理器和音頻平臺(tái)為XM2110CA，RF 的能力設(shè)置為3 dBmV，通過2 個(gè)雙A堿性電池提供能源。如圖1 所示，改進(jìn)后的WSN 包括:1)懸空安裝的溫度傳感器與相對(duì)濕度Sensirion傳感器［9］(用插腳與SHT 75 相連);2)開關(guān);3)發(fā)射器及接收器;4)電子連接器。升級(jí)版的Nlaza 塵粒，將含有Sensirion(SHT 15)的版本植入到母板中［10］。其中Nlaza 塵粒含有一個(gè)傳感器Sensirion SHT，可以在-40 ℃～125 ℃的環(huán)境下進(jìn)行溫度測(cè)量，精度為±0.3 ℃;在相對(duì)濕度環(huán)境下的測(cè)量范圍為0%～100%，精度為±2.0%。塵粒通過ZigBee 協(xié)議與無線集線器進(jìn)行信息交換。相比原始WSN，改進(jìn)后的WSN 塵粒具有更快的溫度響應(yīng)速率。

圖1 電纜底端安裝有溫度傳感器的Nlaza 組件

2.2 RFID 半無源標(biāo)簽

RFID 可以是有源、無源或半無源的［11］。無源和半無源的RFID 標(biāo)簽通過閱讀器射出的電磁場(chǎng)的反射或調(diào)制傳送數(shù)據(jù)，配置電池的半無源RFID 僅用于傳感器和邏輯記錄傳感器提供能量，本文使用半無源標(biāo)簽［12］。

用于這種環(huán)境中的2 類標(biāo)簽為Turbo Tag T700(-30 ℃～55 ℃)和T702-B(-70 ℃～80 ℃)，這2種類型的標(biāo)簽都含有KSW Microtec 公司生產(chǎn)的溫度傳感器，精度為±0.5 ℃，可以最多記錄700 個(gè)測(cè)量值。2 種標(biāo)簽的運(yùn)行頻率為13.56 Hz(服從ISO 15693-3)，尺寸僅為一張信用卡的大小。

3 提出的方法

3.1 評(píng)估方法

為了研究封裝和外包裝對(duì)傳感器的影響，將2 種類型的RFID 標(biāo)簽(T700 和T702-B)上的外包裝部分移除，打開2 個(gè)Turbo Tag，使它們的傳感器直接暴露在空氣中。

實(shí)驗(yàn)開始時(shí)放置3 個(gè)IRIS 塵粒:1 個(gè)放在溫室中(35 ℃);另外1 個(gè)放在冰箱里(5 ℃);最后1 個(gè)放在室內(nèi)溫度環(huán)境下，作為一個(gè)靜態(tài)溫度參考。此外，它們動(dòng)態(tài)行為相關(guān)的評(píng)估模塊被放置在冰箱中，每4 s搜集一次數(shù)據(jù)。

20 min 后所有模塊的溫度都穩(wěn)定在冰箱溫度，WSN 塵粒和Turbo Tags 被移動(dòng)到溫室并在溫室中放置20 min，這段時(shí)間足夠用于觀察到穩(wěn)定的溫度。無線傳感器中的數(shù)據(jù)(參考和評(píng)估傳感器)可以在電腦端直接進(jìn)行監(jiān)控。之后，所有模塊被放置在冰箱中并保持30 min，直到所有的測(cè)量溫度都完全穩(wěn)定。最后，所有模塊再一次被放置在溫室中，持續(xù)執(zhí)行以上操作。

3.2 數(shù)據(jù)分析

傳感器的響應(yīng)時(shí)間特性是基于一階系統(tǒng)行為的表達(dá)式［13-14］，因此，存在吸收和釋放能量的傳感器封裝。輸出x(t)和輸出y(t)間的關(guān)系如下:

相應(yīng)的傳遞函數(shù)如式(2)所示:

式(2)中，k=1/a0為靜態(tài)靈敏度，τ=a1/a0為系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)。自然頻率wc 為1/τ，系統(tǒng)特性由2 個(gè)參數(shù)影響:k 影響靜態(tài)響應(yīng);wc 或τ 影響動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

當(dāng)進(jìn)行分布降溫時(shí)，一階系統(tǒng)的響應(yīng)也遵循指數(shù)下降趨勢(shì):

在分布激發(fā)條件下，增長(zhǎng)軌跡表示如下:

由于在本文實(shí)驗(yàn)中，溫度由最低溫度(5 ℃)轉(zhuǎn)換到最高溫度(35 ℃)，再轉(zhuǎn)換為初始溫度(5 ℃)，因此，先前的數(shù)學(xué)公式也適用于式(5)和式(6):

在式(5)和式(6)中，a 表示溫度級(jí)別，x 表示時(shí)間間隔，b 表示傳感器的響應(yīng)時(shí)間τ(秒)，c 表示上升階段和最終平穩(wěn)的下降階段的初始退火溫度。

3.3 曲線擬合

如前文所述，使用2 種可供選擇的方法調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)使其滿足上述的一階動(dòng)態(tài)響應(yīng):對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換和非線性最小二乘擬合法。前者是一種傳統(tǒng)的方法，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換，然后將其線性擬合;后者利用MATLAB 曲線擬合庫(kù)進(jìn)行擬合，MATLAB 曲線擬合庫(kù)在代數(shù)項(xiàng)中通過設(shè)置最優(yōu)約束條件對(duì)擬合模型進(jìn)行定義，這些約束條件為:開始點(diǎn)、系數(shù)的最高和最低邊界值。

非線性最小二乘法擬合利用最大數(shù)量的模型評(píng)估及400 次的擬合迭代，函數(shù)上的終止容限默認(rèn)設(shè)置為10-6。

2 種方法獲取的結(jié)果根據(jù)決定系數(shù)(r2)進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估過程也與時(shí)間響應(yīng)參數(shù)(τ，s)預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)誤差相關(guān)。計(jì)算獲得的絕對(duì)誤差被當(dāng)作額外的評(píng)估參數(shù)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)施了一系列與WSN 和RFID 設(shè)備相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，以評(píng)估硬件動(dòng)態(tài)行為對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。動(dòng)態(tài)硬件行為主要體現(xiàn)在TLA(Traditional Logarithmic Fitting)和NLF(Nonlinear Fitting)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間。動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間主要通過硬件設(shè)備，如主板、電纜、控制器等的響應(yīng)時(shí)間的平均值和平均偏差來描述。其中非線性擬合通過方差分析完成，與設(shè)備的自由度d.f 和效應(yīng)項(xiàng)F 關(guān)聯(lián)。本文3 種不同的實(shí)驗(yàn)情況分別是:冷卻(5 ℃)、室溫(23 ℃)和溫室環(huán)境(35 ℃)。

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)涉及2 種類型的無線ZigBee 塵粒［15］:IRIS和Nlaza。在Nlaza 類型的實(shí)驗(yàn)中，一個(gè)塵粒含有嵌入到主板中的一個(gè)Sensirion 公司生產(chǎn)的溫度傳感器，其他塵粒的傳感器被安放在電纜的底端(如圖1)。此外，實(shí)驗(yàn)還提供了IRIS 模塊，采用Sensirion 和Intersema 傳感器。最后，共使用了4 個(gè)不同的RFID 標(biāo)簽:2 個(gè)Turbo Tag 702-B(其中1 個(gè)用外包裝保護(hù)，另外1 個(gè)則沒有)和2 個(gè)Turbo Tag 700(1 個(gè)用外包裝保護(hù)，另1 個(gè)則沒有)。外包裝作為傳感器的外殼將會(huì)在下面的測(cè)試中被參考。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)溫度傳感器的反應(yīng)速率進(jìn)行定量分析，當(dāng)溫度在5 ℃～35 ℃之間變化時(shí)，T700(不含外包裝)有更快的響應(yīng)結(jié)果，其次是Nlaza 模塊和不含外包裝的T702-B，這凸顯了外包裝和安裝在母板上的傳感器對(duì)反應(yīng)速率的影響。此外，當(dāng)傳感器被焊接在母板上時(shí)，封裝的RFID 標(biāo)簽比Nlaza 模塊表現(xiàn)出來更快的反應(yīng)時(shí)間，IRIS 弩中Intersema 傳感器的響應(yīng)時(shí)間最慢。表1 所示為非線性擬合(Nonlinear Fitting，NLF)方法與傳統(tǒng)對(duì)數(shù)擬合(Traditional Logarithmic Fitting，TLA)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間。

表1 TLA 和NLF 動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間

圖2 顯示根據(jù)對(duì)數(shù)和非線性擬合對(duì)于溫度上升和恢復(fù)過程中的擬合優(yōu)度(r2)。由圖2 可以看出，相比傳統(tǒng)的對(duì)數(shù)方法，非線性方法能夠獲得更好的決定系數(shù)(r2)。通過r2的值確定調(diào)整數(shù)，使其更加接近真實(shí)值。

圖2 傳統(tǒng)對(duì)數(shù)和非線性對(duì)一階動(dòng)態(tài)響應(yīng)擬合的優(yōu)度(r2)

此外，表1 提供了每個(gè)傳感器和擬合步驟(NLF和TLA)的響應(yīng)時(shí)間(τ，s)，有外包裝的標(biāo)簽與Nlaza改進(jìn)的塵粒都擁有更快的反應(yīng)速率，并產(chǎn)生了最大的傾斜。位于第3 等級(jí)的是T700 和T702-B 標(biāo)簽;接著是IRIS 模塊中的Sensirion 傳感器、Nlaza 傳感器，最后是產(chǎn)生最低傾斜的Intersema 傳感器，即Intersema傳感器花費(fèi)了最長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間。獲取的τ 顯示出為封裝的T700 標(biāo)簽(NLF 和TLA 方法相應(yīng)的τ 分別為12.4 s 和10.4 s)比密封的T700 標(biāo)簽花費(fèi)了更少的響應(yīng)時(shí)間，采用NLF 和TLA 方法的密封版本相應(yīng)的τ 值分別為83.5 s 和60 s。懸空傳感器的Nlaza 模塊采用NLF 和TLA 方法時(shí)，τ 分別為22.0 s 和14.2 s，排在其后的為主板版本(NFL 和TLA 方法對(duì)應(yīng)的τ分別為70.3 s 和55.9 s)。

這樣的響應(yīng)時(shí)間(需要達(dá)到靜態(tài)響應(yīng)的63%)與Intersema 傳感器非常高的τ 值形成對(duì)比，采用NLF和TLA 方法的Intersema，τ 分別為301.4 s 和93.9 s，排在其后的是Sensirion 傳感器(NLF 方法對(duì)應(yīng)的τ為308.2 s)。

圖3 上升響應(yīng)和恢復(fù)響應(yīng)所用時(shí)間的比較

圖3 比較了含外殼和不含外殼的模塊溫度上升和恢復(fù)所用的時(shí)間，以及懸空安裝對(duì)采用NLF 和TLA 方法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合所產(chǎn)生的影響。溫度恢復(fù)時(shí)間通常以指數(shù)形式大于溫度上升時(shí)間。如前文所述，第1 個(gè)實(shí)驗(yàn)采用IRIS 塵粒(含有Intersema 和Sensirion 傳感器)和4 個(gè)Turbo Tags。

圖4 顯示了這些模塊所采集到的數(shù)據(jù)，并記錄了由冰箱溫度到溫室溫度的轉(zhuǎn)變時(shí)刻。圖中的2 個(gè)垂直條表示轉(zhuǎn)換的時(shí)間，可以看出冰箱中的實(shí)際溫度與所有設(shè)備的都不同，不同的級(jí)別達(dá)到了2.5。對(duì)于冰箱上門洞所引起的溫度上升刺激，T700 標(biāo)簽比其它設(shè)備顯示出了更快的響應(yīng)速度;其它設(shè)備直到被移出冰箱才產(chǎn)生反應(yīng)。圖中位于頂端、中間和低端的水平線分別表示被放置在冰箱中的塵粒、外接環(huán)境和溫室，利用Sensirion 和Intersema 傳感器獲取的溫度作為實(shí)驗(yàn)參考。

圖4 從冰箱到溫室溫度上升的詳細(xì)過程

圖5 將NLF 與TLA 的平均反應(yīng)速度進(jìn)行比較。在大多數(shù)情況下，響應(yīng)時(shí)間基本相等，因?yàn)镹LF 與TLA 相比導(dǎo)致了更緩慢的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。與NLF(r2在0.96 左右，如圖2 所示)相比，TLA(r2在0.9 左右)在這些情況下顯示出了更低的決定系數(shù)，因此后者比前者更加可靠。粗的黑色數(shù)字對(duì)應(yīng)于溫度上升階段，白色數(shù)字對(duì)應(yīng)于溫度恢復(fù)階段。

圖5 不同傳感器的平均反應(yīng)速度

最后，通過方差分析評(píng)估不同傳感器類型、外殼和路徑(上升/恢復(fù))對(duì)動(dòng)態(tài)時(shí)間響應(yīng)的影響如表2所示。由于NLF 方法得出更好的r2值，因此在本文中沒有對(duì)TLA 的方差進(jìn)行細(xì)致的研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:最大的影響因素為外殼(369)，接下來是溫度的上升和恢復(fù)(23)，最后是傳感器類型(8.55)。

表2 使用非線性擬合(NLF)時(shí)，利用方差分析評(píng)估不同傳感器類型、外殼和路徑(上升/恢復(fù))對(duì)動(dòng)態(tài)時(shí)間響應(yīng)的影響

表2 中，d.f 代表自由度，F(xiàn) 表示效應(yīng)項(xiàng)/誤差項(xiàng)，Proc ＞F 代表大于F 的顯著因子。

4.3 討論

由于電池的波動(dòng)，因此需要定位能正常運(yùn)行的WSN 傳感器，文獻(xiàn)［16］利用時(shí)間導(dǎo)數(shù)自動(dòng)定位傳感器，文獻(xiàn)［17-18］利用RFID 設(shè)備評(píng)估了溫度傳感器的精度和分辨率。

文獻(xiàn)［16］對(duì)數(shù)據(jù)包丟失個(gè)數(shù)進(jìn)行了定量的設(shè)置，由于冷凍單元開關(guān)使時(shí)間的分布并不均勻，引起了一個(gè)強(qiáng)的電池干擾。早期研究中，通過比較置于電子設(shè)備上帶有觸角的傳感器，發(fā)現(xiàn)傳感器對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響力強(qiáng)。與文獻(xiàn)［17-18］所要求的一樣，本文方法首要問題是確定哪些值可以滿足要求，能夠跟蹤低溫運(yùn)輸過程中的易腐蝕食品。因此，終端用戶需要考慮最嚴(yán)苛的情況(動(dòng)態(tài)響應(yīng)大約為300 s，即5 min)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，最快到最慢動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間之間的差異大約從20 s～200 s 之間，對(duì)應(yīng)的傳感器分別為懸空安裝和主板焊接。除了懸空安裝的傳感器具有最快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，在其它情況下發(fā)現(xiàn)了一個(gè)非常相似的上升/恢復(fù)響應(yīng)，此時(shí)獲得的恢復(fù)時(shí)間是上升時(shí)間的2 倍。表明含有無線和RFID 節(jié)點(diǎn)的溫度傳感器封裝方式會(huì)影響其動(dòng)態(tài)響應(yīng)，其特性可以監(jiān)控高速變化的溫度變化，保證低溫運(yùn)輸系統(tǒng)的正常運(yùn)行，該結(jié)果對(duì)易腐蝕食品和醫(yī)藥工業(yè)有很好的參考價(jià)值。

5 結(jié)束語(yǔ)

含有無線和RFID 節(jié)點(diǎn)的溫度傳感器的封裝(保護(hù)其免受外界環(huán)境的影響)方式可以影響其動(dòng)態(tài)響應(yīng)，該特性使其可以監(jiān)控高速變化的溫度，因此可用于監(jiān)控長(zhǎng)途運(yùn)輸過程中的低溫變化。本文方法的最快響應(yīng)時(shí)間保持在11 s 左右，表明不能利用目前的無線技術(shù)處理高頻率變化的溫度循環(huán)。此外，最慢的響應(yīng)時(shí)間(308.2 s)對(duì)應(yīng)于表面安裝的傳感器，這種傳感器通常是根據(jù)特殊需要而設(shè)計(jì)的。

實(shí)驗(yàn)沒有考慮一些極端環(huán)境，如極冷、極熱或存在不同的濕度級(jí)別等，此外，也沒有涉及傳感器的位置，未來將圍繞這2 點(diǎn)進(jìn)一步研究。

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