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(gè)冷鏈物流監(jiān)控系統(tǒng)，將冷鏈物流的生產(chǎn),、管理平臺(tái)提升到一個(gè)新的水平,可以使物流企業(yè)在進(jìn)行對(duì)溫度要求較高的物品運(yùn)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(jì)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(gè)角落，社會(huì)分工的不同使各個(gè)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(jì)發(fā)展乃至整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)中的地位與作用越來越重要，是企業(yè)降低能耗,、提高勞動(dòng)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(yùn)輸對(duì)溫度要求較苛刻的,、容易變質(zhì)的生鮮食品,，并且倉儲(chǔ)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(duì)運(yùn)送過程,、時(shí)間掌控,、運(yùn)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(duì)冷藏車的運(yùn)輸進(jìn)行全面的動(dòng)態(tài)監(jiān)控,，構(gòu)建實(shí)時(shí)的監(jiān)控和預(yù)警機(jī)制,，減少貨物在流通及儲(chǔ)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(shí)可提高冷鏈?zhǔn)称返陌踩?，增?qiáng)消費(fèi)者信心，進(jìn)而增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)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(yùn)輸物品包裝箱上貼上特制的RFID電子標(biāo)簽，安裝在運(yùn)輸車輛冷藏箱內(nèi)的溫度傳感器實(shí)時(shí)采集溫度數(shù)據(jù);ZigBee節(jié)點(diǎn)上的腳本程序?qū)囟葦?shù)據(jù)寫入RFID電子標(biāo)簽,，同時(shí)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(jī)系統(tǒng)，后端處理系統(tǒng)將生成溫度變化圖表,，完成對(duì)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(gè)物流節(jié)點(diǎn)上傳溫度數(shù)據(jù)，物流管理平臺(tái)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(yùn)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(tái)對(duì)目標(biāo)物品進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。這兩種模式的唯一區(qū)別在于,，后一種(即實(shí)時(shí)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(jì)在進(jìn)行溫度實(shí)時(shí)寫入電子標(biāo)簽的同時(shí),，又通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了數(shù)據(jù)傳輸,，能同時(shí)滿足兩種應(yīng)用模式的需求。

2 感知層
2.1 ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
    ZigBee節(jié)點(diǎn)是整個(gè)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(jì),，負(fù)責(zé)在冷鏈物流活動(dòng)過程中獲取實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)，并通過內(nèi)置的傳輸功能實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間通信,。
    ZigBee節(jié)點(diǎn)能否穩(wěn)定,、準(zhǔn)確地運(yùn)行決定了整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的性能。整個(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(gè)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(shí)時(shí)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(diǎn)的I/O口接收主機(jī)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(diǎn)與PC機(jī)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(jì)就能實(shí)現(xiàn)所需要的功能,。采用32 MHz無源晶振作為主時(shí)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(jì)
    射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)是一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號(hào)及其空間耦合,、傳輸特性,，實(shí)現(xiàn)對(duì)靜止的或移動(dòng)中的待識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)別。
　一般的射頻識(shí)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(shí)別物品的標(biāo)識(shí)性信息,，其結(jié)構(gòu)如圖4所示,。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，電子標(biāo)簽安裝在被識(shí)別物體上,，當(dāng)被識(shí)別物體通過讀頭的讀取范圍時(shí),，將會(huì)以無接觸方式自動(dòng)將電子標(biāo)簽中儲(chǔ)存的信息讀取出來，完成信息的自動(dòng)識(shí)別和收集,。

    溫度傳感標(biāo)簽除具有識(shí)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(shí)時(shí)的溫度數(shù)據(jù)。在運(yùn)輸過程中,，若溫度發(fā)生改將會(huì)自動(dòng)預(yù)警,，并完成該過程中的溫度值實(shí)時(shí)記錄。當(dāng)需要對(duì)冷鏈物流活動(dòng)過程進(jìn)行追溯時(shí),，通過分析電子標(biāo)簽內(nèi)自動(dòng)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(shí)間信息，推算出事故的原因,、時(shí)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(shí),，首先初始化無線射頻模塊及傳感器，對(duì)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(shí)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(yùn)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(diǎn),，并在節(jié)點(diǎn)的空間中心安裝網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(或路由器)。系統(tǒng)運(yùn)行后,，根據(jù)系統(tǒng)的初始設(shè)置,，節(jié)點(diǎn)上的程序定時(shí)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(tái)的終端控制器,。冷藏運(yùn)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(yùn)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(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(jì),，通過嵌入式設(shè)計(jì),，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(gè)實(shí)時(shí),、高效、性價(jià)比高的終端控制器,，安裝于運(yùn)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(shí)讀取溫度傳感標(biāo)簽內(nèi)存中動(dòng)態(tài)的溫度數(shù)據(jù),，并轉(zhuǎn)存到處理器的專用存儲(chǔ)中；GPRS模塊負(fù)責(zé)將專用儲(chǔ)存中的溫度數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)送回后臺(tái)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(shí)時(shí)查看相關(guān)信息；客戶信息查詢模塊可供客戶動(dòng)態(tài)查詢所托運(yùn)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(shí)時(shí)調(diào)整冷藏溫度。
    通過終端控制器,，在運(yùn)輸車行駛過程中，包裝箱上的RFID溫度標(biāo)簽實(shí)時(shí)地記錄車內(nèi)溫度的變化,，同時(shí)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將這些溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到信息管理系統(tǒng)中[8],。
4 應(yīng)用層
　應(yīng)用層主要實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)輸車輛的行車路線、車內(nèi)溫度的監(jiān)控,，同時(shí)提供客戶查詢端口,，能按要求動(dòng)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(yùn)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(dòng)采樣頻率等)的設(shè)置,。
    (2)行車路線管理:能根據(jù)客戶的運(yùn)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(yùn)輸過程中,，通過GPS實(shí)時(shí)定位行駛中的車輛,，動(dòng)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(jì)算,。若觸發(fā)了臨界溫度開關(guān)，系統(tǒng)將自動(dòng)報(bào)警,，提醒管理人員或司機(jī)進(jìn)行干預(yù)操作,，進(jìn)而實(shí)時(shí)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(shí)也允許客戶在物品運(yùn)輸過程中借助管理系統(tǒng)動(dòng)態(tài)進(jìn)行跟蹤和監(jiān)督[9],。
5 監(jiān)控系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)測試
    為了驗(yàn)證本冷鏈物流監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的狀態(tài),，構(gòu)建了一個(gè)仿真測試實(shí)驗(yàn)， 在一個(gè)冷藏運(yùn)輸車中安裝了ZigBee節(jié)點(diǎn),、路由器,、電子標(biāo)簽、終端控制器,。ZigBee節(jié)點(diǎn)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(dòng)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(yùn)行一段時(shí)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(shí)驗(yàn)是在理想狀態(tài)(車輛靜止、空廂狀態(tài))下進(jìn)行測試,實(shí)際冷鏈物流活動(dòng)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(huì)的發(fā)展,、生活水平的提高，對(duì)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(chǔ),、運(yùn)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(hào)的方式,，布線費(fèi)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(shì),；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(dú)特的優(yōu)勢(shì),。將ZigBee,、GPRS和RFID 引入溫度控制系統(tǒng)中，既能實(shí)現(xiàn)溫度的在線監(jiān)控和智能控制,，又能實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)以便溯源,。
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