黃永暉，郭成波，張世鑫，孫術(shù)發(fā)

（東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

1 引言

隨著生活水平的提高，人們的飲食結(jié)構(gòu)正向著營(yíng)養(yǎng)、保健方向發(fā)展。野生漿果具有極高的醫(yī)療、保健、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，目前世界范圍內(nèi)正興起開發(fā)野生水果的熱潮，野生水果也稱第三代黃金水果[1]。黑龍江省幅員遼闊，境內(nèi)大小興安嶺、張廣財(cái)嶺重疊相連。在全境近70個(gè)縣（市）中有44個(gè)山區(qū)和半山區(qū)縣（市），山區(qū)面積約23km2。崇山峻嶺中，晝夜溫差大，雨量充沛。獨(dú)特的生境條件，造就了林中、林緣和低溫草地上的種類繁多的野生漿果植物。據(jù)測(cè)算，黑龍江省野生漿果年可采量達(dá)80多萬t。遺憾的是，這些野漿果只有極少數(shù)被利用。天然野漿果，實(shí)為各種綠色食品的上好原料，是具有巨大經(jīng)濟(jì)效益的天然寶庫(kù)。開發(fā)這些資源，使其變成經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，是社會(huì)發(fā)展的需要，是消費(fèi)者的渴望，其市場(chǎng)前景無限[2]。

以廣受市場(chǎng)歡迎的藍(lán)莓為代表的野生漿果，具有皮薄肉軟，含水量高，呼吸作用旺盛，采摘后極易腐爛，不耐儲(chǔ)藏的特點(diǎn)，這一特性使得運(yùn)輸不當(dāng)極易造成漿果變質(zhì)，限制了野生漿果的市場(chǎng)推廣。大小興安嶺地區(qū)地理位置偏僻，漿果的消費(fèi)和加工能力有限，距離生鮮漿果的主要消費(fèi)和加工地區(qū)較遠(yuǎn)，運(yùn)輸距離較長(zhǎng)，使得運(yùn)輸過程的可控性較差，容易造成野生漿果品質(zhì)的下降。因此，需要對(duì)野生漿果的運(yùn)輸過程進(jìn)行實(shí)時(shí)主動(dòng)監(jiān)控，并根據(jù)漿果狀態(tài)調(diào)整運(yùn)輸條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)輸過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。同時(shí)，由于野生漿果主要分布于偏遠(yuǎn)林區(qū)，基于基站通信的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積有限，存在大量基站信號(hào)覆蓋盲區(qū)，因此基于基站通信建立監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有一定的信息滯后性。

2 冷鏈運(yùn)輸過程監(jiān)測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前，運(yùn)輸過程智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究主要圍繞生鮮蔬菜、水果、肉制品及海鮮產(chǎn)品等對(duì)運(yùn)輸條件有比較嚴(yán)格要求的產(chǎn)品展開[3-4]，主要目的為通過對(duì)運(yùn)輸過程進(jìn)行有效監(jiān)管，降低運(yùn)輸過程對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的影響，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

在野生漿果冷鏈物流的所有環(huán)節(jié)中，運(yùn)輸過程監(jiān)控是其最薄弱的環(huán)節(jié)，因此，加強(qiáng)冷鏈運(yùn)輸?shù)娜虩o縫監(jiān)控是保障野生漿果品質(zhì)安全、減少營(yíng)養(yǎng)流失的關(guān)鍵，通過對(duì)溫濕度與保鮮技術(shù)的有效耦合應(yīng)用監(jiān)控，調(diào)節(jié)運(yùn)輸環(huán)境中的氣體濃度比例和低溫高濕環(huán)境，為漿果運(yùn)輸營(yíng)造最適宜的貯藏環(huán)境。而現(xiàn)有的冷鏈運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)存在著缺陷：一是缺乏及時(shí)性，用戶不能在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的品質(zhì)，只是事情發(fā)生之后才會(huì)有所察覺，不僅不能及時(shí)做出應(yīng)對(duì)措施和避免損毀的發(fā)生，而且也不能確認(rèn)事件的責(zé)任方；二是缺乏耦合性，只能單一的實(shí)現(xiàn)冷藏車內(nèi)溫濕度信息的監(jiān)測(cè)，缺乏溫濕度與保鮮技術(shù)的有效耦合應(yīng)用監(jiān)測(cè)[5]。因此，開展野生漿果運(yùn)輸過程監(jiān)測(cè)方法研究，確保運(yùn)輸過程中多項(xiàng)環(huán)境參數(shù)與保鮮氣體濃度的有效采集、實(shí)時(shí)傳輸與精確控制，能夠有效改善運(yùn)輸過程對(duì)野生漿果品質(zhì)的影響。

目前在物流運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用的技術(shù)主要包括溫濕度記錄儀、RFID、傳感器技術(shù)與無線傳感網(wǎng)（WSN）等技術(shù)。RFID是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。Abad等研究了帶有溫濕度標(biāo)簽的RFID在冷鏈運(yùn)輸過程中對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的監(jiān)測(cè)[6]。Mira Trebara等設(shè)計(jì)了一種利用RFID溫度標(biāo)簽監(jiān)測(cè)運(yùn)輸過程中水產(chǎn)品內(nèi)部和所處環(huán)境中的溫度變化的方法，有助于對(duì)整個(gè)冷鏈物流過程中的溫度進(jìn)行精細(xì)管理[7]。

隨著傳感技術(shù)的發(fā)展，ZigBee無線傳感網(wǎng)技術(shù)作為計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)深刻融入現(xiàn)實(shí)世界的產(chǎn)物。因能夠在任何自然環(huán)境下多節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)的特點(diǎn)使得它成為冷鏈物流實(shí)時(shí)監(jiān)控的首選技術(shù)[8]。Carullo等將微處理器、WSN無線收發(fā)裝置和電源安放在牛奶瓶蓋內(nèi)來監(jiān)控牛奶在冷鏈運(yùn)輸過程中的溫度狀況[9]。Ruiz等基于ZigBee通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)了水果冷鏈運(yùn)輸過程中溫濕度狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[10]。Reiner Jedemann等設(shè)計(jì)了應(yīng)用于大型冷鏈配送系統(tǒng)的Zig-Bee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車廂內(nèi)溫度變化的精確監(jiān)測(cè)[11]。劉宸等研究了基于WSN無線傳感網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)產(chǎn)品冷鏈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)產(chǎn)品冷鏈運(yùn)輸過程中溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[12]。Zhang J等以ZigBee通信協(xié)議為基礎(chǔ)，完成了冷鏈物流溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[13]。Xiao Xinqing等學(xué)者為了延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命，降低冷鏈物流損耗，提出了一種基于WSN和壓縮感知的冷鏈監(jiān)測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的壓縮采樣傳輸，減少冷鏈監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸量[14]。

目前對(duì)漿果品質(zhì)的研究主要集中于如何通過各種手段抑制其腐敗過程，最大限度的延長(zhǎng)漿果食用周期。針對(duì)林區(qū)特殊地理環(huán)境的漿果運(yùn)輸過程品質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，目前鮮有專門的研究，因此以林區(qū)漿果的運(yùn)輸過程為研究對(duì)象，為了降低運(yùn)輸過程對(duì)漿果品質(zhì)的影響，展開了對(duì)林區(qū)漿果運(yùn)輸過程品質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究。

3 基于ZigBee的漿果運(yùn)輸狀態(tài)無線傳感網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

3.1 ZigBee感知節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

考慮冷鏈運(yùn)輸車輛在漿果運(yùn)輸過程中，漿果所在環(huán)境為比較局限的封閉環(huán)境，為了避免各感知節(jié)點(diǎn)之間采用線路連接影響感知節(jié)點(diǎn)的靈活布局和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌捎肸igBee CC2530短距離射頻通信技術(shù)構(gòu)建一套微型化、無線化、遠(yuǎn)程化和低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)監(jiān)測(cè)需求，將車載部分的漿果運(yùn)輸過程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為ZigBee感知節(jié)點(diǎn)和ZigBee匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行功能設(shè)計(jì)。

為了便于感知節(jié)點(diǎn)根據(jù)車輛運(yùn)輸漿果的多少進(jìn)行靈活調(diào)整，感知節(jié)點(diǎn)采用電池供電的模塊化設(shè)計(jì)，無需連接有線電源。因此感知節(jié)點(diǎn)安裝于運(yùn)輸車輛內(nèi)，可以根據(jù)需求隨意安放位置，感知節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)可以根據(jù)車廂空間大小進(jìn)行調(diào)整。感知節(jié)點(diǎn)根據(jù)硬件和程序控制要求，負(fù)責(zé)采集所在位置的溫度、濕度、加速度及震動(dòng)信息，并實(shí)現(xiàn)與匯聚節(jié)點(diǎn)之間的通信，按照程序設(shè)定的時(shí)間將所采集信息發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)，同時(shí)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)響應(yīng)上級(jí)匯聚節(jié)點(diǎn)的感知信息查詢。為了監(jiān)測(cè)漿果品質(zhì)的變化，采用CO2傳感器檢測(cè)車廂內(nèi)CO2氣體的濃度，進(jìn)而監(jiān)控漿果的呼吸作用，在結(jié)合溫濕度傳感器所檢測(cè)到的溫濕度信息，判斷漿果品質(zhì)的變化?？紤]能量供給控制及有效通信距離，設(shè)計(jì)融合溫度傳感器、濕度傳感器、CO2傳感器、加速度傳感器和震動(dòng)傳感器的ZigBee感知節(jié)點(diǎn)模塊，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 感知節(jié)點(diǎn)模塊框架圖

匯聚節(jié)點(diǎn)安裝于駕駛室內(nèi)，既要實(shí)現(xiàn)與下層車廂內(nèi)各個(gè)感知節(jié)點(diǎn)的通信，也要實(shí)現(xiàn)與上層后方管理平臺(tái)的通信，因此設(shè)計(jì)中采用ZigBee CC2530實(shí)現(xiàn)與感知節(jié)點(diǎn)的通信，考慮林區(qū)移動(dòng)通信覆蓋有限的難題，采用北斗通信模塊，利用其短報(bào)文通信功能實(shí)現(xiàn)匯聚節(jié)點(diǎn)與后方管理平臺(tái)的通信。匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收匯總感知節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)可視化、閾值提醒和向北斗模塊上傳感知數(shù)據(jù)等功能，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 匯聚節(jié)點(diǎn)模塊示意圖

3.2 ZigBee感知節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行ZigBee感知節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)中，針對(duì)溫度傳感器、濕度傳感器、加速度傳感器及震動(dòng)傳感器所采集數(shù)據(jù)格式的不同，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，分別設(shè)計(jì)專門的數(shù)據(jù)處理程序，規(guī)范數(shù)據(jù)格式?；跁r(shí)分復(fù)用的分配型MAC協(xié)議和以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議，考慮通信過程中可能會(huì)發(fā)生的通信沖突，采用Z-Stack協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)各ZigBee感知節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)組網(wǎng)通信功能，當(dāng)發(fā)生數(shù)據(jù)碰撞沖突時(shí)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)會(huì)執(zhí)行退避算法，延遲一段時(shí)間后才再次嘗試發(fā)送。具體流程如圖3所示。

通過匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令進(jìn)行組網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)地址的分配，若網(wǎng)絡(luò)組建成功，感知節(jié)點(diǎn)則進(jìn)行自身參數(shù)的配置和環(huán)境信息的采集，而未成功加入網(wǎng)絡(luò)的感知節(jié)點(diǎn)則進(jìn)入睡眠狀態(tài)，等待下一次的組網(wǎng)指令，成功加入網(wǎng)絡(luò)的感知節(jié)點(diǎn)將自身所采集的環(huán)境感知數(shù)據(jù)等信息上傳至匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)對(duì)所接收到的各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總處理并存儲(chǔ)，等待上傳給北斗短報(bào)文通信模塊將數(shù)據(jù)提供北斗通信衛(wèi)星以短報(bào)文的形式發(fā)送給遠(yuǎn)程的后方監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)。

最后，進(jìn)行ZigBee感知網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃，根據(jù)運(yùn)輸漿果的數(shù)量和運(yùn)輸車輛的格局，結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信距離的限制，確定車廂所需要感知節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，對(duì)感知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合理布局，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)輸車輛運(yùn)行狀態(tài)（加速度、震動(dòng)）和漿果實(shí)時(shí)品質(zhì)（溫濕度、CO2濃度）的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過組網(wǎng)調(diào)試，檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)ZigBee感知網(wǎng)絡(luò)的具體工作狀況，并根據(jù)測(cè)試所發(fā)現(xiàn)的問題對(duì)感知節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)的軟硬件系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。最終完成基于ZigBee CC2530的感知節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)模塊硬件和軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)感知節(jié)點(diǎn)能夠可靠的采集溫濕度、CO2濃度、加速度和震動(dòng)等車輛和車廂環(huán)境數(shù)據(jù)；匯聚節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)接收感知信息并實(shí)時(shí)顯示，對(duì)超過閾值的感知信息能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)報(bào)警提醒，并保障與感知節(jié)點(diǎn)和北斗通信模塊通信的穩(wěn)定。

圖3 感知節(jié)點(diǎn)及匯聚節(jié)點(diǎn)軟件控制流程圖

4 基于北斗通信的漿果運(yùn)輸過程智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

將智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)劃分為車載系統(tǒng)和遠(yuǎn)程企業(yè)后方管理平臺(tái)兩部分，如圖4所示。由于林區(qū)基站布局較少，覆蓋面積比較局限，采用移動(dòng)通信在林區(qū)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信比較困難，因此林區(qū)漿果運(yùn)輸狀態(tài)感知數(shù)據(jù)匯總到匯聚節(jié)點(diǎn)向后方企業(yè)管理平臺(tái)的傳輸需要新的途徑。我國(guó)北斗通信定位衛(wèi)星特有的短報(bào)文雙向通信功能現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)全國(guó)覆蓋，因此林區(qū)中遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)傳輸采用北斗通信定位衛(wèi)星的短報(bào)文功能來完成。

車載系統(tǒng)包括感知節(jié)點(diǎn)模塊、匯聚節(jié)點(diǎn)模塊和北斗通信定位模塊，其中匯聚節(jié)點(diǎn)模塊和北斗通信定位模塊安置于駕駛室內(nèi)，匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)各感知節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)匯總、存儲(chǔ)、顯示及對(duì)超閾值感知數(shù)據(jù)的提醒，方便駕駛員實(shí)時(shí)掌握車廂內(nèi)漿果的運(yùn)輸狀態(tài)。為方便企業(yè)后方對(duì)運(yùn)輸過程的管理，ZigBee匯聚節(jié)點(diǎn)還設(shè)計(jì)有與北斗通信定位模塊的串口通信，通過格式化各傳感器運(yùn)輸狀態(tài)數(shù)據(jù)，編寫程序，利用北斗通信定位模塊特色的短報(bào)文通信功能，將漿果的運(yùn)輸狀態(tài)感知數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給后方的企業(yè)管理平臺(tái)。北斗通信定位模塊自身還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛位置的實(shí)時(shí)定位，并將位置信息也提供給后方管理平臺(tái)，以方便后方管理人員的車輛進(jìn)行調(diào)控。

企業(yè)后方管理平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)北斗衛(wèi)星發(fā)送數(shù)據(jù)的接收、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)可視化，從而使得后方管理人員能夠?qū)崟r(shí)獲取運(yùn)輸車輛及漿果運(yùn)輸狀態(tài)的實(shí)時(shí)信息，并能夠通過北斗衛(wèi)星的短報(bào)文功能，將相應(yīng)的管理指令發(fā)送給車載系統(tǒng)，達(dá)到前方車輛與后方管理平臺(tái)實(shí)時(shí)通信的目的。

圖4 智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

5 結(jié)論

針對(duì)林區(qū)野生漿果冷鏈運(yùn)輸?shù)奶厥鈼l件，采用ZigBee CC2530低功耗短距離射頻通信技術(shù)，融合多種功能傳感器，對(duì)感知節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了硬件和軟件設(shè)計(jì)，建立了漿果運(yùn)輸狀態(tài)監(jiān)測(cè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)冷鏈運(yùn)輸車輛運(yùn)行狀態(tài)和漿果實(shí)時(shí)品質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。針對(duì)林區(qū)移動(dòng)基站通信覆蓋面積有限，無法實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸車輛與后方企業(yè)管理人員實(shí)時(shí)通信的問題，采用北斗定位通信衛(wèi)星的短報(bào)文功能，實(shí)現(xiàn)了車載運(yùn)輸狀態(tài)數(shù)據(jù)感知向后方企業(yè)管理平臺(tái)的傳輸，以及后臺(tái)管理人員管理指令向車載系統(tǒng)的傳輸，建立了基于北斗通信的漿果運(yùn)輸過程智能監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)。該技術(shù)的應(yīng)用，能夠提高漿果運(yùn)輸過程的管理水平，降低運(yùn)輸過程對(duì)漿果品質(zhì)的影響，促進(jìn)林區(qū)天然野生漿果的市場(chǎng)推廣，推動(dòng)林下經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量發(fā)展。