馮賀平++吳梅梅++楊敬娜

摘要：新鮮果蔬在運(yùn)輸過(guò)程中，因溫度、相對(duì)濕度等原因而影響果蔬的新鮮程度，甚至?xí)霈F(xiàn)果蔬腐爛問(wèn)題，從而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。為了減少果蔬運(yùn)輸過(guò)程中的損耗，提高果蔬冷鏈物流信息化程度，提出以ZigBee協(xié)議為基礎(chǔ)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)路的果蔬冷鏈物流實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用CC2530片上系統(tǒng)構(gòu)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷藏庫(kù)溫度、濕度的實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)控，路由器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器均采用CC2530。組網(wǎng)測(cè)試表明，該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠?qū)囟取穸冗M(jìn)行可靠檢測(cè)，從而最大限度地降低果蔬運(yùn)輸中的損失。

關(guān)鍵詞：果蔬；冷鏈物流；無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN；ZigBee；溫度；濕度；可靠檢測(cè)；物流損失減控

中圖分類(lèi)號(hào)： TP274；F252文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2017）06-0219-03

我國(guó)果蔬生產(chǎn)、消費(fèi)及出口量均居世界前列，而且國(guó)內(nèi)居民日均消費(fèi)量數(shù)萬(wàn)噸，如果果蔬在流通過(guò)程中溫度、濕度控制不當(dāng)，極易腐爛、變質(zhì)，從而帶來(lái)很大的損失。為了降低果蔬物流過(guò)程中的損失，確保其質(zhì)量安全，目前多采用冷鏈物流（cold chain logistics）。冷鏈物流指將易腐的生鮮產(chǎn)品在生產(chǎn)、貯藏運(yùn)輸、銷(xiāo)售到消費(fèi)前的各個(gè)環(huán)節(jié)中始終處于規(guī)定的低溫環(huán)境下，以保證食品質(zhì)量、減少食品損耗的一項(xiàng)系統(tǒng)工程[1-2]。在冷鏈物流中，對(duì)貨物存儲(chǔ)時(shí)間、實(shí)時(shí)溫度、濕度及運(yùn)輸時(shí)間等參數(shù)都要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，傳統(tǒng)的人工采集和書(shū)面記錄方法已經(jīng)不能滿(mǎn)足要求。目前，冷鏈溫度的監(jiān)測(cè)多為射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）、安全數(shù)碼卡（SD）溫度記錄系統(tǒng)，也不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)冷鏈中的溫度[3-5]。文獻(xiàn)[6-9]對(duì)冷鏈物流進(jìn)行了一系列研究，本研究在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)基于ZigBee技術(shù)的果蔬冷鏈物流實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，以期對(duì)冷鏈物流中溫度、濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)控，對(duì)解決冷鏈物流現(xiàn)存問(wèn)題具有一定意義。

1監(jiān)控系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

1.1基于ZigBee的監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

基于ZigBee技術(shù)的果蔬冷鏈物流實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)是由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)匯集模塊和服務(wù)器模塊3個(gè)部分組成的。數(shù)據(jù)采集模塊即路由節(jié)點(diǎn)，為無(wú)線(xiàn)濕度、溫度采集節(jié)點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)采集冷藏室或冷庫(kù)內(nèi)的實(shí)時(shí)濕度、溫度數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)匯集模塊即協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)匯集、處理和實(shí)時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)；服務(wù)器即監(jiān)控中心，負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、發(fā)送命令和報(bào)警信息，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2ZigBee技術(shù)

ZigBee是IEEE 802.15.4協(xié)議的代名詞，由這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。IEEE 802.15.4 負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)ZigBee網(wǎng)絡(luò)層次中的下2層，即媒質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制層、物理層；ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)層以上的協(xié)議開(kāi)發(fā)。ZigBee因具有低成本、低速率、短延時(shí)、高安全性、免執(zhí)照頻段等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于智能家居、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、智能交通等領(lǐng)域。ZigBee協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1路由器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

路由器節(jié)點(diǎn)的作用是將無(wú)線(xiàn)溫濕度傳感器采集到的濕度、溫度通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。該實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的路由器節(jié)點(diǎn)由美國(guó)TI公司推出的CC2530構(gòu)成，CC2530具有完整的2.4GHz射頻片上系統(tǒng)解決方案。溫濕度傳感器為瑞士Sensirion公司推出的基于CMOSensTM技術(shù)的新型溫濕度傳感器SHT11。CC2530集成了高性能、低功耗的8051微控制器及符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz高性能射頻收發(fā)器。SHT11將互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）芯片技術(shù)與傳感器技術(shù)結(jié)合起來(lái)，發(fā)揮出它們強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)作用。路由器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2協(xié)調(diào)器硬件設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的關(guān)鍵，用于建立和維護(hù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)。它的功能是接收路由器節(jié)點(diǎn)的濕度、溫度數(shù)據(jù)信息再將信息匯總后上傳到上位機(jī)，再將接收到的上位機(jī)采集命令發(fā)送給路由器，同時(shí)還須接收上位機(jī)的輪詢(xún)命令。在系統(tǒng)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)中，微處理器、射頻發(fā)射模塊仍采用CC2530片上系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信以及實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，監(jiān)控系統(tǒng)采用通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)（GPRS）模塊和RS-232串行接口。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本研究路由器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件系統(tǒng)采用的是IAR Embedded Workbench for 8051嵌入式集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，軟件使用TI公司開(kāi)發(fā)的ZigBee協(xié)議棧Z-Stack。Z-Stack協(xié)議棧裝載在1個(gè)基于IAR公司開(kāi)發(fā)環(huán)境的工程中，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為C語(yǔ)音。它采用事件輪循機(jī)制，從而降級(jí)系統(tǒng)的功耗。系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件采用美國(guó)IN公司開(kāi)發(fā)的圖形化軟件 LabView8.6 進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。

3.1路由器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

路由器節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序只須對(duì)Z-Stack協(xié)議棧的應(yīng)用層進(jìn)行開(kāi)發(fā)。在路由器節(jié)點(diǎn)上電后，先進(jìn)行系統(tǒng)初始化操作，初始化完成后，Z-Stack系統(tǒng)開(kāi)始輪詢(xún)?nèi)蝿?wù)。如果應(yīng)用層定義的濕度、溫度采集任務(wù)已準(zhǔn)備就緒，則觸發(fā)該事件的處理函數(shù)；若沒(méi)有事件發(fā)生，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗工作模式。路由器節(jié)點(diǎn)的軟件流程如圖5所示。

3.2協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和路由器節(jié)點(diǎn)類(lèi)似，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在啟動(dòng)后也是先對(duì)硬件進(jìn)行初始化，主要包括Soc片上系統(tǒng)的硬件初始化、串口初始化。串口初始化主要是對(duì)串口進(jìn)行配置，設(shè)置奇偶校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)速率及停止位等。初始化完成后，協(xié)調(diào)器建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)并等待路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求，路由節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)后，協(xié)調(diào)器開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)信道，如有路由器濕度、溫度數(shù)據(jù)送達(dá)，則發(fā)送ACK應(yīng)答信號(hào)確認(rèn)收到信號(hào)，將數(shù)據(jù)和路由器節(jié)點(diǎn)建立關(guān)聯(lián)并將數(shù)據(jù)上傳，在數(shù)據(jù)上傳成功后或數(shù)據(jù)3次上傳失敗后開(kāi)始下一次循環(huán)。協(xié)調(diào)器軟件流程如圖5所示。

3.3系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試時(shí)，冷鏈溫度環(huán)境使用海爾冷柜來(lái)模擬，將3個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)分別放置于冷柜的右側(cè)、左側(cè)和中間位置，溫濕度傳感器每隔20min采集1次數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)把匯總的溫濕度傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS模塊上傳到遠(yuǎn)程上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件上，并由監(jiān)測(cè)軟件實(shí)時(shí)向數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。從表1、圖6可以看出：（1）本測(cè)試系統(tǒng)能穩(wěn)定、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)環(huán)境濕度、溫度的實(shí)時(shí)變化情況且沒(méi)有丟包現(xiàn)象；（2）冷鏈系統(tǒng)中路由器節(jié)點(diǎn)位置不同，濕度、溫度略有不同，四壁溫濕度低于中間溫濕度。

4結(jié)論

本研究提出的基于ZigBee技術(shù)的果蔬溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用Z-Stark協(xié)議棧為開(kāi)發(fā)軟件，適用于果蔬冷鏈物流系統(tǒng)。它能夠穩(wěn)定、可靠、準(zhǔn)確地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)冷鏈物流環(huán)境下濕度、溫度參數(shù)的變化情況，減少冷鏈物流環(huán)節(jié)的經(jīng)濟(jì)損失。本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本和功耗都比較低，對(duì)其他系統(tǒng)濕度、溫度等參數(shù)監(jiān)測(cè)具有一定的參考價(jià)值。

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doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2017.06.058