摘  要: 隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，WSN和RFID得到了廣泛的應(yīng)用。構(gòu)建一個冷鏈物流監(jiān)控系統(tǒng)，將冷鏈物流的生產(chǎn)、管理平臺提升到一個新的水平,可以使物流企業(yè)在進(jìn)行對溫度要求較高的物品運輸?shù)倪^程中,發(fā)揮較好的監(jiān)控作用。
關(guān)鍵詞: 無線傳感網(wǎng)；RFID；冷鏈物流

    經(jīng)濟全球化的浪潮已經(jīng)把世界融為一體，很多情況下某件產(chǎn)品從原材料的采購、加工、制造和組裝到銷售都分布在全球的各個角落，社會分工的不同使各個國家在其中扮演不同的角色，加速了物流業(yè)的發(fā)展。物流業(yè)在經(jīng)濟發(fā)展乃至整個國民經(jīng)濟中的地位與作用越來越重要，是企業(yè)降低能耗、提高勞動生產(chǎn)率以外的第三利潤來源。冷鏈物流是一種特殊的供應(yīng)鏈系統(tǒng)，主要用來運輸對溫度要求較苛刻的、容易變質(zhì)的生鮮食品，并且倉儲和作業(yè)環(huán)境也必須限制在適宜的低溫環(huán)境下，即冷鏈物流對運送過程、時間掌控、運輸形態(tài)有著特別的要求。
    為了保證冷鏈物流的質(zhì)量，使用ZigBee、RFID和GPRS技術(shù)，對冷藏車的運輸進(jìn)行全面的動態(tài)監(jiān)控，構(gòu)建實時的監(jiān)控和預(yù)警機制，減少貨物在流通及儲存中的變質(zhì)損耗，方便信息追溯，并有助于質(zhì)量事故的責(zé)任認(rèn)定；同時可提高冷鏈?zhǔn)称返陌踩?，增強消費者信心，進(jìn)而增加企業(yè)經(jīng)濟效益[1-2]。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。在運輸物品包裝箱上貼上特制的RFID電子標(biāo)簽，安裝在運輸車輛冷藏箱內(nèi)的溫度傳感器實時采集溫度數(shù)據(jù);ZigBee節(jié)點上的腳本程序?qū)囟葦?shù)據(jù)寫入RFID電子標(biāo)簽，同時傳送到控制器進(jìn)行處理；處理好的數(shù)據(jù)通過GPRS上傳到應(yīng)用層上位機系統(tǒng)，后端處理系統(tǒng)將生成溫度變化圖表，完成對供應(yīng)鏈的溫度變化監(jiān)管[3]。

    冷鏈物流監(jiān)控一般有兩種應(yīng)用模式：(1)在每個物流節(jié)點上傳溫度數(shù)據(jù)，物流管理平臺整合所有上傳數(shù)據(jù)，分環(huán)節(jié)監(jiān)控物品質(zhì)量； (2)在運輸車輛、船舶上安裝無線通信傳輸設(shè)備(如WSN、GPRS等)，物流管理平臺對目標(biāo)物品進(jìn)行實時監(jiān)測。這兩種模式的唯一區(qū)別在于，后一種(即實時模式)能夠起到搶救部分貴重物品的作用，而不僅僅是像前一種模式只能鑒定物品是否遭到損壞[4]。本設(shè)計在進(jìn)行溫度實時寫入電子標(biāo)簽的同時，又通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了數(shù)據(jù)傳輸，能同時滿足兩種應(yīng)用模式的需求。

2 感知層
2.1 ZigBee節(jié)點設(shè)計
    ZigBee節(jié)點是整個冷鏈物流監(jiān)控系統(tǒng)的重要部件，采用微型嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，負(fù)責(zé)在冷鏈物流活動過程中獲取實時溫度數(shù)據(jù)，并通過內(nèi)置的傳輸功能實現(xiàn)節(jié)點間通信。
    ZigBee節(jié)點能否穩(wěn)定、準(zhǔn)確地運行決定了整個監(jiān)控系統(tǒng)的性能。整個節(jié)點由內(nèi)置溫度傳感器的溫度采集模塊、數(shù)據(jù)處理(MCU)模塊、數(shù)據(jù)傳輸(ZigBee)模塊和電源管理模塊4部分組成，如圖2所示。

    在節(jié)點的硬件開發(fā)過程中，選用TI 公司的CC2530芯片。CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，是一個優(yōu)良的SoC(片上系統(tǒng))解決方案。CC2530外圍電路如圖3所示。其主要完成的功能有：(1)通過A/D轉(zhuǎn)換控制傳感器模塊完成實時溫度采集； (2)通過芯片內(nèi)置的RF功能模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)； (3)通過節(jié)點的I/O口接收主機指令。

    傳感器采集到數(shù)據(jù)后，由本地集成的微處理器進(jìn)行處理，可使用串口通信方式完成節(jié)點與PC機的通信。
    TI的CC2530芯片內(nèi)集成了許多特色功能模塊，用戶只需進(jìn)行簡單的外部電路設(shè)計就能實現(xiàn)所需要的功能。采用32 MHz無源晶振作為主時鐘晶振；無線RF模塊外圍電路采用無巴倫的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò),使用50 Ω鞭狀負(fù)極性天線，溫度傳感器采用DS18B20[5]。
2.2 電子標(biāo)簽設(shè)計
    射頻識別技術(shù)(RFID)是一種非接觸的自動識別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號及其空間耦合、傳輸特性，實現(xiàn)對靜止的或移動中的待識別物體的自動識別。
　一般的射頻識別系統(tǒng)由兩部分組成，即電子標(biāo)簽(Tag)和讀頭(Reader)。電子標(biāo)簽內(nèi)可存放電子數(shù)據(jù)，作為待識別物品的標(biāo)識性信息，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。在實際應(yīng)用時，電子標(biāo)簽安裝在被識別物體上，當(dāng)被識別物體通過讀頭的讀取范圍時，將會以無接觸方式自動將電子標(biāo)簽中儲存的信息讀取出來，完成信息的自動識別和收集。

    溫度傳感標(biāo)簽除具有識別與定位的功能外，感溫電子標(biāo)簽還可通過感溫裝置獲取實時的溫度數(shù)據(jù)。在運輸過程中，若溫度發(fā)生改將會自動預(yù)警，并完成該過程中的溫度值實時記錄。當(dāng)需要對冷鏈物流活動過程進(jìn)行追溯時，通過分析電子標(biāo)簽內(nèi)自動采集的溫度數(shù)據(jù)(高性能電子標(biāo)簽還可采集地理信息)、時間信息，推算出事故的原因、時間，有助于責(zé)任認(rèn)定[6]。
    在硬件結(jié)構(gòu)上，帶有溫度傳感器的有源電子標(biāo)簽由天線、無線射頻模塊、電源模塊、微控制器和傳感器組成。
    當(dāng)電子標(biāo)簽處在工作狀態(tài)時，首先初始化無線射頻模塊及傳感器，對射頻收發(fā)器的收發(fā)地址、無線傳輸速率、頻率、發(fā)射功率、無線收發(fā)模式等信息完成初始設(shè)置；然后把傳感器定時采集到的數(shù)據(jù)通過通信接口發(fā)送給射頻芯片，射頻芯片再通過發(fā)射模式發(fā)送出去。
3 網(wǎng)絡(luò)層
      在冷藏運輸車的車廂空間里根據(jù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離安裝ZigBee節(jié)點，并在節(jié)點的空間中心安裝網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(或路由器)。系統(tǒng)運行后，根據(jù)系統(tǒng)的初始設(shè)置，節(jié)點上的程序定時讀取溫度傳感標(biāo)簽上的溫度數(shù)據(jù)，并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送到駕駛室前臺的終端控制器。冷藏運輸車內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)圖如圖5所示。

　終端控制器接收到溫度數(shù)據(jù)后，按如下步驟執(zhí)行：
   (1)將溫度數(shù)據(jù)寫入運輸車上的RFID標(biāo)簽(或終端的Flash)。
   (2)通過網(wǎng)絡(luò)(ZigBee、GPRS、WIFI)將溫度數(shù)據(jù)傳送到系統(tǒng)控制中心，控制中心上位機的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)的分析、跟蹤、決策。
   (3)在未接到控制中心的指令前，終端控制器自動將采集的溫度值與預(yù)設(shè)定的農(nóng)產(chǎn)品保鮮溫度進(jìn)行比較，若超過設(shè)定的值差范圍，可自動控制制冷設(shè)備，以構(gòu)建恒定的冷藏環(huán)境[7]。若接收到控制中心的指令，則按需求啟動控制程序。
    本模塊主要完成信息的采集、傳輸和顯示終端的設(shè)計，通過嵌入式設(shè)計，將GPRS模塊、RFID模塊、顯示接口模塊、客戶信息查詢接口模塊、溫度控制器模塊、電源管理模塊集成于ARM處理器上，構(gòu)建一個實時、高效、性價比高的終端控制器，安裝于運輸車輛的駕駛室中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

　在ARM處理器的控制下，RFID模塊定時讀取溫度傳感標(biāo)簽內(nèi)存中動態(tài)的溫度數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)存到處理器的專用存儲中；GPRS模塊負(fù)責(zé)將專用儲存中的溫度數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)送回后臺處理系統(tǒng)中；顯示接口模塊提供本地顯示信息，可供司乘人員實時查看相關(guān)信息；客戶信息查詢模塊可供客戶動態(tài)查詢所托運輸物品的冷藏環(huán)境信息；溫度控制模塊能在管理人員的控制下，實時調(diào)整冷藏溫度。
    通過終端控制器，在運輸車行駛過程中，包裝箱上的RFID溫度標(biāo)簽實時地記錄車內(nèi)溫度的變化，同時通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將這些溫度數(shù)據(jù)實時傳送到信息管理系統(tǒng)中[8]。
4 應(yīng)用層
　應(yīng)用層主要實現(xiàn)對運輸車輛的行車路線、車內(nèi)溫度的監(jiān)控，同時提供客戶查詢端口，能按要求動態(tài)控制車內(nèi)的溫度。應(yīng)用層管理系統(tǒng)圖如圖7所示。

    (1)系統(tǒng)初始化:能根據(jù)所承擔(dān)運輸?shù)牟煌洳匚锲吩O(shè)置不同的環(huán)境溫度，完成溫度標(biāo)簽初始數(shù)據(jù)(物品信息、溫度自動采樣頻率等)的設(shè)置。
    (2)行車路線管理:能根據(jù)客戶的運輸要求，結(jié)合GIS系統(tǒng)完成最優(yōu)行車路線的構(gòu)建。在運輸過程中，通過GPS實時定位行駛中的車輛，動態(tài)地進(jìn)行管理。
    (3)冷藏溫度管理：通過GPRS傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)入系統(tǒng)后，能根據(jù)設(shè)定的算法進(jìn)行溫度曲線的計算。若觸發(fā)了臨界溫度開關(guān)，系統(tǒng)將自動報警，提醒管理人員或司機進(jìn)行干預(yù)操作，進(jìn)而實時調(diào)整冷藏溫度。
    (4)客戶信息接口：能直接接收用戶設(shè)置的所托物品的產(chǎn)品信息和必須的冷藏溫度信息，同時也允許客戶在物品運輸過程中借助管理系統(tǒng)動態(tài)進(jìn)行跟蹤和監(jiān)督[9]。
5 監(jiān)控系統(tǒng)性能實驗測試
    為了驗證本冷鏈物流監(jiān)控系統(tǒng)運行時的狀態(tài)，構(gòu)建了一個仿真測試實驗， 在一個冷藏運輸車中安裝了ZigBee節(jié)點、路由器、電子標(biāo)簽、終端控制器。ZigBee節(jié)點均勻地分布于車廂內(nèi)，確保能夠準(zhǔn)確地監(jiān)測溫度分布的信息。
    啟動終端控制器上的初始化功能，預(yù)設(shè)車廂內(nèi)環(huán)境溫度。待系統(tǒng)運行一段時間后，物理檢測車廂內(nèi)的溫度，預(yù)設(shè)值與物理檢測值列表如表1所示。

    分析檢測結(jié)果可知，物理檢查的溫度與預(yù)設(shè)定的閾值相近。當(dāng)然，本仿真實驗是在理想狀態(tài)(車輛靜止、空廂狀態(tài))下進(jìn)行測試,實際冷鏈物流活動過程中存在許多不確定的因素。因此，在應(yīng)用過程中，可以通過適當(dāng)降低溫度閾值來保證冷鏈物流的環(huán)境要求[10]。
    隨著社會的發(fā)展、生活水平的提高，對冷凍食品的質(zhì)量要求越來越高，冷鏈物流已在生鮮食品的倉儲、運輸過程中廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)通常采用有線傳輸信號的方式，布線費用較高并且維修不便。ZigBee作為一種新興無線通信技術(shù)，具有短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低成本的優(yōu)勢；GPRS 是基于GSM 系統(tǒng)一種新的分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)，在間斷的、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸中有獨特的優(yōu)勢。將ZigBee、GPRS和RFID 引入溫度控制系統(tǒng)中，既能實現(xiàn)溫度的在線監(jiān)控和智能控制，又能實時記錄數(shù)據(jù)以便溯源。
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