無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在食品冷鏈物流監(jiān)控中的應(yīng)用研究

畢思遠(yuǎn)　李金峰　徐臻　付輝　林季敏　朱海

摘要物聯(lián)網(wǎng)作為解決食品冷鏈物流監(jiān)管不嚴(yán)的有效手段，成為各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn)，但由于物聯(lián)網(wǎng)存在高功耗、可控距離短和價(jià)格昂貴等缺陷，限制了其在食品冷鏈物流中的推廣，隨著基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)成為物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)，很好地解決了這些問(wèn)題。利用基于ZigBee技術(shù)的多頻段組網(wǎng)協(xié)調(diào)器和木質(zhì)卡板監(jiān)控系統(tǒng)，使用價(jià)格較低且布置密集的傳感器，由無(wú)線傳感器作為多跳路由進(jìn)行傳輸，并結(jié)合RFID、GPS和GPRS等技術(shù)達(dá)到多頻段密集采集數(shù)據(jù)，長(zhǎng)、短距離傳輸自主切換，低功耗和低投入等目的，加快物聯(lián)網(wǎng)在食品冷鏈物流中的應(yīng)用和食品安全監(jiān)管規(guī)范化的進(jìn)程。

關(guān)鍵詞物聯(lián)網(wǎng)；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；食品冷鏈物流；多頻段組網(wǎng)協(xié)調(diào)器；木質(zhì)卡板監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號(hào)S1269文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2014）22-07553-04

作者簡(jiǎn)介畢思遠(yuǎn)（1983- ），男，山東濟(jì)南人，講師，博士，從事食品安全檢測(cè)和毒物分析研究。

收稿日期20140630近年來(lái)，食品安全問(wèn)題日益突出，從食品的生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)讲妥溃恳徊蕉际志o要，尤其是一些需要低溫儲(chǔ)存的食品，在運(yùn)輸和儲(chǔ)藏過(guò)程中發(fā)生變質(zhì)的現(xiàn)象十分常見(jiàn)。低溫儲(chǔ)存的食品對(duì)儲(chǔ)運(yùn)環(huán)境有較高的要求，而目前對(duì)于冷鏈物流環(huán)節(jié)的監(jiān)管力度相對(duì)薄弱，如何加強(qiáng)對(duì)食品在冷鏈物流過(guò)程中的實(shí)時(shí)控制成為保證食品質(zhì)量的重要一環(huán)。目前的控制現(xiàn)狀主要是通過(guò)紙質(zhì)證書(shū)、密封標(biāo)識(shí)和車載車廂溫度記錄儀相結(jié)合的手段來(lái)保證冷鏈物流中溫度的控制和冷鏈物流過(guò)程中食品品質(zhì)的監(jiān)控，而這些監(jiān)管手短均存在一定的缺陷，如證書(shū)內(nèi)容與實(shí)物的一致性、食品在運(yùn)輸途中的可置換性以及運(yùn)輸途中溫度監(jiān)控的準(zhǔn)確性等[1]。那么就需要一種更有效的和可實(shí)時(shí)的監(jiān)控手段來(lái)提高冷鏈物流食品的安全性。

冷鏈運(yùn)輸?shù)呢浳锒嘁詣?dòng)物源性食品和果蔬類食品為主，其品質(zhì)、保鮮度受環(huán)境溫度影響極大，與消費(fèi)者健康關(guān)系又非常密切，在消費(fèi)者和各媒體對(duì)于食品安全高度關(guān)注的環(huán)境下，公眾的眼光已逐漸從食品源頭和加工安全等核心內(nèi)容轉(zhuǎn)移到物流和儲(chǔ)存等相關(guān)的外圍領(lǐng)域[2]。無(wú)論是乳制品還是其他生鮮等產(chǎn)品在運(yùn)輸和存儲(chǔ)過(guò)程中都需要冷鏈監(jiān)控系統(tǒng)作為保障，開(kāi)發(fā)研制可靠性高、性價(jià)比高的冷鏈溫度監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)監(jiān)控乳制品和生鮮產(chǎn)品在儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中的溫度變化和微生物量的變化是現(xiàn)代冷鏈物流發(fā)展的關(guān)鍵所在。

現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）技術(shù)的應(yīng)用為解決食物冷鏈物流問(wèn)題帶來(lái)新的希望，而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）在物聯(lián)網(wǎng)中擔(dān)當(dāng)者連接傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的重任，這就使得對(duì)WSN在食物冷鏈物流中的研究開(kāi)始逐漸增多。

1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述

從日本的“UJapan”計(jì)劃、韓國(guó)的“UKarea”、美國(guó)的“智慧地球”、歐盟的“物聯(lián)網(wǎng)行動(dòng)計(jì)劃”以及我國(guó)的“感知中國(guó)計(jì)劃”可知，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用已經(jīng)受到世界各國(guó)的緊密關(guān)注，并且已經(jīng)處于應(yīng)用的初級(jí)階段[3]。

物聯(lián)網(wǎng)主要是指解決物品到物品、人到人和人到物之間， 可以讓能夠獨(dú)立尋址的普通物理對(duì)象實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)[4]，其核心技術(shù)是通過(guò)信息傳感設(shè)備，實(shí)時(shí)采集需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物體或者過(guò)程，對(duì)其光、聲、熱、電、化學(xué)、力學(xué)、生物和位置等各種信息進(jìn)行采集，并結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)達(dá)到信息實(shí)時(shí)傳輸、監(jiān)控的目的，尤其是應(yīng)用于冷鏈?zhǔn)称钒踩校托枰獙o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與RFID、GPS和GPRS等多種技術(shù)進(jìn)行整合、優(yōu)化和升級(jí)，達(dá)到對(duì)食品冷鏈物流過(guò)程中各項(xiàng)指標(biāo)的智能化監(jiān)控[5]。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為物聯(lián)網(wǎng)中的關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)覆蓋物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架的3個(gè)層次（感知域、網(wǎng)絡(luò)域和應(yīng)用域），是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信的方式形成一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。隨著無(wú)線通信、嵌入式計(jì)算和傳感器等相關(guān)技術(shù)的日益成熟，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究與應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系包括分布式傳感器節(jié)點(diǎn)、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)（Sink）、Internet和用戶端。目標(biāo)節(jié)點(diǎn)也就是數(shù)據(jù)中心，其處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力都相對(duì)較強(qiáng)，可同時(shí)連通傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)協(xié)議棧之間的通信互換，用戶可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或者衛(wèi)星與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊[5]。

1.1基于ZigBee技術(shù)的多頻段組網(wǎng)協(xié)調(diào)器技術(shù)ZigBee多頻段組網(wǎng)技術(shù)是一種部署無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的新技術(shù)，是一種介于無(wú)線標(biāo)記技術(shù)和Bluetooth之間的短距離、低速率和低功耗的無(wú)線通信技術(shù)。此技術(shù)利用ZigBee芯片與ARM芯片相連，并且分別工作于不同的頻段上，分別完成ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組件，當(dāng)收到來(lái)自不同網(wǎng)絡(luò)的信息后，分別在不同的ZigBee芯片上處理，最后將采集到的數(shù)據(jù)和命令發(fā)往ARM芯片處理，由于可在多個(gè)頻段同時(shí)工作，這就減小了相互之間的干擾，同時(shí)提高了工作效率[6]。

圖1中，ZigBee芯片和ARM芯片相連，而外部存儲(chǔ)器、液晶屏、電源模塊、時(shí)鐘、按鍵和LED與ARM芯片相連。ZigBee無(wú)線調(diào)制解調(diào)器（Modem）和一種低功耗的微處理器（MCU）構(gòu)成ZigBee芯片，主要功能是負(fù)責(zé)ZigBee組網(wǎng)、無(wú)線通信和處理傳感器模塊數(shù)據(jù)等功能，然后和ARM芯片通過(guò)非同步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART ）連接[6]。

圖1基于ZigBee技術(shù)的多頻段組網(wǎng)結(jié)構(gòu)1.2基于ZigBee技術(shù)的木質(zhì)卡板監(jiān)控系統(tǒng)新研發(fā)的基于ZigBee技術(shù)的木質(zhì)卡板監(jiān)控系統(tǒng)包括控制中心和多個(gè)帶有GPRS模塊的ZigBee路由器節(jié)點(diǎn)以及木質(zhì)卡板終端監(jiān)控設(shè)備（圖2）。其中，ZigBee路由器節(jié)點(diǎn)通過(guò)GPRS與控制中心相連，而ZigBee路由器節(jié)點(diǎn)與木質(zhì)卡板終端監(jiān)控設(shè)備無(wú)線連接。由于該卡板上加裝了傳感器節(jié)點(diǎn)，所以可以做到唯一標(biāo)識(shí)，并且做到非接觸式讀取，同時(shí)可以對(duì)高溫消毒過(guò)程實(shí)現(xiàn)有效的監(jiān)管，還可以記錄每次通關(guān)時(shí)間，這就非常顯著地提高了對(duì)卡板地監(jiān)管力度，同時(shí)極大地提高了監(jiān)管效率[7]。

圖2基于ZigBee技術(shù)的木質(zhì)卡板監(jiān)控系統(tǒng)2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

2.1節(jié)點(diǎn)眾多，分部密集在整個(gè)目標(biāo)監(jiān)控區(qū)分部數(shù)量巨大的傳感器節(jié)點(diǎn)，這樣就可極大地提高了監(jiān)控區(qū)域的范圍和監(jiān)控的精度，以及減少監(jiān)控盲區(qū)的出現(xiàn)，同時(shí)利用傳感器之間的高度連接性來(lái)保證系統(tǒng)的容錯(cuò)性[8]。

2.2自由組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的布施和展開(kāi)不依賴于任何網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，各節(jié)點(diǎn)通過(guò)分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調(diào)各自的行為，自動(dòng)地組成獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行自動(dòng)管理和自動(dòng)配置[9]。

2.3以數(shù)據(jù)為主由于節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的靈活性，就使得節(jié)點(diǎn)編號(hào)與傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)系是隨機(jī)動(dòng)態(tài)的，因此，對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信來(lái)說(shuō)，傳感器所采集的事件比確定編號(hào)節(jié)點(diǎn)更加重要，也就是以數(shù)據(jù)為中心[9]。

2.4無(wú)中心無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的地位是平等的，是一個(gè)對(duì)等式的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)地加入或者離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)的無(wú)中心性賦予整個(gè)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的抗毀性[5]。

2.5多跳路由由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信距離有限，一般在幾十米到幾百米的范圍內(nèi)，所以各節(jié)點(diǎn)間只能尋找短距離目標(biāo)通信，這樣就需要中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由。多跳路由使用網(wǎng)關(guān)和普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣每個(gè)路由就同時(shí)充當(dāng)了信息的發(fā)起者和轉(zhuǎn)發(fā)者[5]。

2.6動(dòng)態(tài)拓?fù)溆捎诰W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)加入整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的隨機(jī)性，使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時(shí)地在發(fā)生變化，因此，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有動(dòng)態(tài)拓?fù)浣M織的能力[10]。

2.7多頻段、非接觸式讀取由于該設(shè)計(jì)使用了基于ZigBee的多頻段組網(wǎng)協(xié)調(diào)器技術(shù)和木質(zhì)卡板監(jiān)控系統(tǒng)，所以達(dá)到可以多頻段、非接觸式讀取標(biāo)識(shí)的效果。這就大大提高了整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作效率，并彌補(bǔ)了功耗大的缺點(diǎn)[6-7]。

3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在冷鏈物流中的組織結(jié)構(gòu)

由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)，且采用對(duì)等式節(jié)點(diǎn)拓?fù)洳贾脗鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)，在較集中的監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)布置傳感器網(wǎng)絡(luò)，然后通過(guò)網(wǎng)關(guān)與控制中心進(jìn)行通信，是一個(gè)以數(shù)據(jù)為中心的傳感器網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)融合的數(shù)據(jù)相當(dāng)于來(lái)自一個(gè)分布式的數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖3所示是一個(gè)層次型網(wǎng)絡(luò)機(jī)構(gòu)，最底層為部署在實(shí)際監(jiān)測(cè)環(huán)境中的傳感器節(jié)點(diǎn)，向上依次為傳輸網(wǎng)絡(luò)、基站，最終連接到Internet。此系統(tǒng)構(gòu)架可分為3個(gè)部分：感知域、網(wǎng)絡(luò)域和應(yīng)用域。其中，圖3食品物流冷鏈控制監(jiān)測(cè)中的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)感知域主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)興趣信息的采集和處理，采用的主要技術(shù)手為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要節(jié)點(diǎn)包括傳感節(jié)點(diǎn)、匯聚（Sink）節(jié)點(diǎn)；網(wǎng)絡(luò)域主要是實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)信息的承載和傳送，如Internet網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信網(wǎng)等；應(yīng)用域主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)獲取到的信息的表示及分析應(yīng)用，主要是信息管理節(jié)點(diǎn)。

4移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的構(gòu)成

4.1低成本節(jié)點(diǎn)布置方案在貨柜或集裝箱上安裝無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，RFID讀卡器、傳感器、GPS以及GPRS等模塊作為外掛模塊與其連接，無(wú)線節(jié)點(diǎn)采用路由器設(shè)計(jì)，當(dāng)貨柜或集裝箱處于監(jiān)管區(qū)域時(shí)，無(wú)線節(jié)點(diǎn)加入監(jiān)管區(qū)域的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)并傳輸數(shù)據(jù)，被監(jiān)管物品由RFID標(biāo)簽標(biāo)識(shí)，監(jiān)管人員可以通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送命令，啟動(dòng)RFID讀卡器，讀取內(nèi)容物的信息，同時(shí)無(wú)線節(jié)點(diǎn)定期喚醒傳感器和GPS，記錄環(huán)境信息、位置和速度等信息，存儲(chǔ)于內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)中。當(dāng)環(huán)境參數(shù)超標(biāo)和運(yùn)載工具未按預(yù)定路線行駛時(shí)，無(wú)線節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)突發(fā)傳送，上傳警報(bào)信息，一旦集裝箱或貨柜脫離無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)，所有的警報(bào)信息傳輸由GPRS負(fù)責(zé)（圖4）。

圖4低成本節(jié)點(diǎn)布置結(jié)構(gòu)42卷22期畢思遠(yuǎn)等無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在食品冷鏈物流監(jiān)控中的應(yīng)用研究這一節(jié)點(diǎn)的布置方式成本低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能可滿足現(xiàn)有需求，但存在一定的監(jiān)控盲區(qū)。以冷凍食品為例，在產(chǎn)品生產(chǎn)完到進(jìn)入冷庫(kù)之前，冷凍食品有一段時(shí)間處于受控環(huán)境外，可能因受到污染或環(huán)境溫度超標(biāo)引起的品質(zhì)變化，而系統(tǒng)無(wú)法得知；作為一種折衷的處理方法可以在食品生產(chǎn)商信息裝載完成，且脫離受控環(huán)境后，在食品生產(chǎn)商信息的RFID中記錄時(shí)間，回到受控環(huán)境后再次讀取時(shí)間，得到脫離受控環(huán)境的時(shí)間長(zhǎng)度，從而間接推斷其承載貨品受影響的程度。同時(shí)，此布置方式對(duì)食品生產(chǎn)商信息的監(jiān)控力度較弱，不能自動(dòng)記錄食品生產(chǎn)商信息。

4.2全功能的布置方案在食品生產(chǎn)完成后在食品生產(chǎn)商信息上加裝無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，實(shí)時(shí)記錄食品生產(chǎn)商信息及其承載物的周邊環(huán)境信息，貨柜或集裝箱上的無(wú)線節(jié)點(diǎn)只完成路由功能，路由節(jié)點(diǎn)定期喚醒傳感器節(jié)點(diǎn)讀取數(shù)據(jù)，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域，食品生產(chǎn)商信息上的節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)路由器節(jié)點(diǎn)獨(dú)自加入網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通訊，處在網(wǎng)絡(luò)之外時(shí)可以通過(guò)路由節(jié)點(diǎn)使用GPRS上報(bào)數(shù)據(jù)與報(bào)警信息，當(dāng)路由節(jié)點(diǎn)不可見(jiàn)時(shí)，則傳感器節(jié)點(diǎn)定期采集環(huán)境信息并記錄在本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中，待加入網(wǎng)絡(luò)后再上傳數(shù)據(jù)（圖5）。

此節(jié)點(diǎn)布置方式將環(huán)境信息的采集和記錄放在食品生產(chǎn)商信息上進(jìn)行，由于在運(yùn)輸過(guò)程中食品生產(chǎn)商信息為最小轉(zhuǎn)運(yùn)單位，不會(huì)與其上的承載物分離，所以可以避免監(jiān)測(cè)盲區(qū)的出現(xiàn)。由于食品生產(chǎn)商信息存在易偽造和易出錯(cuò)的缺陷，一旦食品生產(chǎn)商信息加裝了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，一方面，可以標(biāo)識(shí)每次食品離境時(shí)間；另一方面，食品運(yùn)輸工具上帶的溫度傳感器可以準(zhǔn)確無(wú)誤地記載食品生產(chǎn)商信息是否接受合格的消毒處理程序。但全功能節(jié)點(diǎn)布置方式成本較高，且網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)難度相對(duì)較高。

這兩種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，可從第一種方案方便升級(jí)到第二種方案，也可兩種方案兼容并存，按需求選擇。