無線傳感器網絡在食品冷鏈物流監控中的應用研究

畢思遠　李金峰　徐臻　付輝　林季敏　朱海

摘要物聯網作為解決食品冷鏈物流監管不嚴的有效手段，成為各國關注的焦點，但由于物聯網存在高功耗、可控距離短和價格昂貴等缺陷，限制了其在食品冷鏈物流中的推廣，隨著基于ZigBee技術的無線傳感器網絡成為物聯網的核心技術，很好地解決了這些問題。利用基于ZigBee技術的多頻段組網協調器和木質卡板監控系統，使用價格較低且布置密集的傳感器，由無線傳感器作為多跳路由進行傳輸，并結合RFID、GPS和GPRS等技術達到多頻段密集采集數據，長、短距離傳輸自主切換，低功耗和低投入等目的，加快物聯網在食品冷鏈物流中的應用和食品安全監管規范化的進程。

關鍵詞物聯網；無線傳感器網絡；食品冷鏈物流；多頻段組網協調器；木質卡板監控系統

中圖分類號S1269文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）22-07553-04

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

收稿日期20140630近年來，食品安全問題日益突出，從食品的生產、運輸到餐桌，每一步都十分緊要，尤其是一些需要低溫儲存的食品，在運輸和儲藏過程中發生變質的現象十分常見。低溫儲存的食品對儲運環境有較高的要求，而目前對于冷鏈物流環節的監管力度相對薄弱，如何加強對食品在冷鏈物流過程中的實時控制成為保證食品質量的重要一環。目前的控制現狀主要是通過紙質證書、密封標識和車載車廂溫度記錄儀相結合的手段來保證冷鏈物流中溫度的控制和冷鏈物流過程中食品品質的監控，而這些監管手短均存在一定的缺陷，如證書內容與實物的一致性、食品在運輸途中的可置換性以及運輸途中溫度監控的準確性等[1]。那么就需要一種更有效的和可實時的監控手段來提高冷鏈物流食品的安全性。

冷鏈運輸的貨物多以動物源性食品和果蔬類食品為主，其品質、保鮮度受環境溫度影響極大，與消費者健康關系又非常密切，在消費者和各媒體對于食品安全高度關注的環境下，公眾的眼光已逐漸從食品源頭和加工安全等核心內容轉移到物流和儲存等相關的外圍領域[2]。無論是乳制品還是其他生鮮等產品在運輸和存儲過程中都需要冷鏈監控系統作為保障，開發研制可靠性高、性價比高的冷鏈溫度監控系統來監控乳制品和生鮮產品在儲運過程中的溫度變化和微生物量的變化是現代冷鏈物流發展的關鍵所在。

現代物聯網（Internet of Things）技術的應用為解決食物冷鏈物流問題帶來新的希望，而無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSN）在物聯網中擔當者連接傳統網絡的重任，這就使得對WSN在食物冷鏈物流中的研究開始逐漸增多。

1無線傳感器網絡概述

從日本的“UJapan”計劃、韓國的“UKarea”、美國的“智慧地球”、歐盟的“物聯網行動計劃”以及我國的“感知中國計劃”可知，物聯網的應用已經受到世界各國的緊密關注，并且已經處于應用的初級階段[3]。

物聯網主要是指解決物品到物品、人到人和人到物之間， 可以讓能夠獨立尋址的普通物理對象實現互聯互通的網絡[4]，其核心技術是通過信息傳感設備，實時采集需要監控、連接、互動的物體或者過程，對其光、聲、熱、電、化學、力學、生物和位置等各種信息進行采集，并結合互聯網達到信息實時傳輸、監控的目的，尤其是應用于冷鏈食品安全中，就需要將無線傳感器網絡與RFID、GPS和GPRS等多種技術進行整合、優化和升級，達到對食品冷鏈物流過程中各項指標的智能化監控[5]。

無線傳感器網絡作為物聯網中的關鍵技術，同時覆蓋物聯網構架的3個層次（感知域、網絡域和應用域），是由部署在監測區域內大量微型傳感器節點組成，通過無線通信的方式形成一個多跳的自組織的網絡系統，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息，并發送給觀察者。隨著無線通信、嵌入式計算和傳感器等相關技術的日益成熟，無線傳感器網絡的研究與應用也越來越廣泛。無線傳感器網絡體系包括分布式傳感器節點、目標節點（Sink）、Internet和用戶端。目標節點也就是數據中心，其處理能力、存儲能力和通信能力都相對較強，可同時連通傳感器網絡與外部網絡，從而實現協議棧之間的通信互換，用戶可以通過互聯網或者衛星與目標節點進行通訊[5]。

1.1基于ZigBee技術的多頻段組網協調器技術ZigBee多頻段組網技術是一種部署無線傳感器網絡的新技術，是一種介于無線標記技術和Bluetooth之間的短距離、低速率和低功耗的無線通信技術。此技術利用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網絡的組件，當收到來自不同網絡的信息后，分別在不同的ZigBee芯片上處理，最后將采集到的數據和命令發往ARM芯片處理，由于可在多個頻段同時工作，這就減小了相互之間的干擾，同時提高了工作效率[6]。

圖1中，ZigBee芯片和ARM芯片相連，而外部存儲器、液晶屏、電源模塊、時鐘、按鍵和LED與ARM芯片相連。ZigBee無線調制解調器（Modem）和一種低功耗的微處理器（MCU）構成ZigBee芯片，主要功能是負責ZigBee組網、無線通信和處理傳感器模塊數據等功能，然后和ARM芯片通過非同步收發傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART ）連接[6]。

圖1基于ZigBee技術的多頻段組網結構1.2基于ZigBee技術的木質卡板監控系統新研發的基于ZigBee技術的木質卡板監控系統包括控制中心和多個帶有GPRS模塊的ZigBee路由器節點以及木質卡板終端監控設備（圖2）。其中，ZigBee路由器節點通過GPRS與控制中心相連，而ZigBee路由器節點與木質卡板終端監控設備無線連接。由于該卡板上加裝了傳感器節點，所以可以做到唯一標識，并且做到非接觸式讀取，同時可以對高溫消毒過程實現有效的監管，還可以記錄每次通關時間，這就非常顯著地提高了對卡板地監管力度，同時極大地提高了監管效率[7]。

圖2基于ZigBee技術的木質卡板監控系統2無線傳感器網絡特點

2.1節點眾多，分部密集在整個目標監控區分部數量巨大的傳感器節點，這樣就可極大地提高了監控區域的范圍和監控的精度，以及減少監控盲區的出現，同時利用傳感器之間的高度連接性來保證系統的容錯性[8]。

2.2自由組網網絡的布施和展開不依賴于任何網絡設施，各節點通過分層協議和分布式算法協調各自的行為，自動地組成獨立網絡，進行自動管理和自動配置[9]。

2.3以數據為主由于節點設計的靈活性，就使得節點編號與傳感器網絡之間的關系是隨機動態的，因此，對于無線傳感器網絡通信來說，傳感器所采集的事件比確定編號節點更加重要，也就是以數據為中心[9]。

2.4無中心無線傳感器網絡中各個節點之間的地位是平等的，是一個對等式的網絡，節點可以隨時地加入或者離開網絡，節點的無中心性賦予整個網絡具有很強的抗毀性[5]。

2.5多跳路由由于網絡節點的通信距離有限，一般在幾十米到幾百米的范圍內，所以各節點間只能尋找短距離目標通信，這樣就需要中間節點進行路由。多跳路由使用網關和普通網絡節點來實現，這樣每個路由就同時充當了信息的發起者和轉發者[5]。

2.6動態拓撲由于網絡節點加入整個網絡的隨機性，使得整個網絡的拓撲結構隨時地在發生變化，因此，無線傳感器網絡應該具有動態拓撲組織的能力[10]。

2.7多頻段、非接觸式讀取由于該設計使用了基于ZigBee的多頻段組網協調器技術和木質卡板監控系統，所以達到可以多頻段、非接觸式讀取標識的效果。這就大大提高了整個無線傳感器網絡的工作效率，并彌補了功耗大的缺點[6-7]。

3無線傳感器網絡在冷鏈物流中的組織結構

由于無線傳感器網絡采用微型傳感器節點組成的傳感器網絡，且采用對等式節點拓撲布置傳感器網絡，在較集中的監測區域內布置傳感器網絡，然后通過網關與控制中心進行通信，是一個以數據為中心的傳感器網絡，網關節點融合的數據相當于來自一個分布式的數據庫。

圖3所示是一個層次型網絡機構，最底層為部署在實際監測環境中的傳感器節點，向上依次為傳輸網絡、基站，最終連接到Internet。此系統構架可分為3個部分：感知域、網絡域和應用域。其中，圖3食品物流冷鏈控制監測中的系統體系結構感知域主要是實現對興趣信息的采集和處理，采用的主要技術手為無線傳感器網絡技術，主要節點包括傳感節點、匯聚（Sink）節點；網絡域主要是實現傳感器網絡信息的承載和傳送，如Internet網、移動通信網絡、衛星通信網等；應用域主要是實現對獲取到的信息的表示及分析應用，主要是信息管理節點。

4移動節點的構成

4.1低成本節點布置方案在貨柜或集裝箱上安裝無線傳感器網絡節點，RFID讀卡器、傳感器、GPS以及GPRS等模塊作為外掛模塊與其連接，無線節點采用路由器設計，當貨柜或集裝箱處于監管區域時，無線節點加入監管區域的無線傳感器網絡并傳輸數據，被監管物品由RFID標簽標識，監管人員可以通過無線傳感器網絡發送命令，啟動RFID讀卡器，讀取內容物的信息，同時無線節點定期喚醒傳感器和GPS，記錄環境信息、位置和速度等信息，存儲于內部數據庫中。當環境參數超標和運載工具未按預定路線行駛時，無線節點啟動突發傳送，上傳警報信息，一旦集裝箱或貨柜脫離無線傳感器網絡時，所有的警報信息傳輸由GPRS負責（圖4）。

圖4低成本節點布置結構42卷22期畢思遠等無線傳感器網絡在食品冷鏈物流監控中的應用研究這一節點的布置方式成本低廉、結構簡單、功能可滿足現有需求，但存在一定的監控盲區。以冷凍食品為例，在產品生產完到進入冷庫之前，冷凍食品有一段時間處于受控環境外，可能因受到污染或環境溫度超標引起的品質變化，而系統無法得知；作為一種折衷的處理方法可以在食品生產商信息裝載完成，且脫離受控環境后，在食品生產商信息的RFID中記錄時間，回到受控環境后再次讀取時間，得到脫離受控環境的時間長度，從而間接推斷其承載貨品受影響的程度。同時，此布置方式對食品生產商信息的監控力度較弱，不能自動記錄食品生產商信息。

4.2全功能的布置方案在食品生產完成后在食品生產商信息上加裝無線傳感器節點，實時記錄食品生產商信息及其承載物的周邊環境信息，貨柜或集裝箱上的無線節點只完成路由功能，路由節點定期喚醒傳感器節點讀取數據，在無線傳感器網絡覆蓋的區域，食品生產商信息上的節點可以通過路由器節點獨自加入網絡實現通訊，處在網絡之外時可以通過路由節點使用GPRS上報數據與報警信息，當路由節點不可見時，則傳感器節點定期采集環境信息并記錄在本地數據庫中，待加入網絡后再上傳數據（圖5）。

此節點布置方式將環境信息的采集和記錄放在食品生產商信息上進行，由于在運輸過程中食品生產商信息為最小轉運單位，不會與其上的承載物分離，所以可以避免監測盲區的出現。由于食品生產商信息存在易偽造和易出錯的缺陷，一旦食品生產商信息加裝了無線傳感器網絡節點，一方面，可以標識每次食品離境時間；另一方面，食品運輸工具上帶的溫度傳感器可以準確無誤地記載食品生產商信息是否接受合格的消毒處理程序。但全功能節點布置方式成本較高，且網絡拓撲結構復雜，實現難度相對較高。

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