基于RFID技術紅酒溫濕度監測系統設計

何健　郝學韜　曹恩欣　鄭平

摘 要：影響紅酒品質的關鍵因素是溫濕度，穩定的溫濕度環境對高品質紅酒儲存和運輸質量極為重要。為解決紅酒儲運過程中溫濕度實時監測問題，可利用RFID無線傳感技術自動采集酒品溫濕度數據，實現對被測酒品的溫濕度監控和追溯。文中介紹了溫濕度電子標簽、讀寫器以及通信協議的設計方法，同時給出了防碰撞設計和系統各功能模塊的設計方案，并結合實際應用給出了監測數據圖表。本系統具有功耗低、信息量大、可多點實時監測、保存和打印溫濕度數據并生成曲線圖等特點，可為酒品質量安全監測提供有力的技術支持。

關鍵詞：RFID；溫濕度；實時；防碰撞

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）12-00-03

0 引 言

溫濕度數據采集在現代化工業領域有著非常重要的作用，如在紅酒、食品、印刷等行業的生產和儲運過程中，對溫濕度都有著嚴格要求，一旦超出規定范圍，將會對產品造成重大影響。傳統的溫濕度數據采集主要通過人工抄錄方式來完成，但在惡劣環境下或儲運過程中難以實現人工抄錄，在這種情況下，市場迫切需要一種新型的采集方式來解決上述問題。隨著物聯網技術[1]的發展，基于RFID技術[2]的無線數據采集系統將成為監控環境變化的最佳監測手段。

RFID（Radio Frequency Identification，無線射頻識別） 系統主要由讀寫器、電子標簽和計算機網絡等幾部分組成。電子標簽分為無源、半有源和有源三種類型。本文介紹的RFID溫濕度采集系統是采用有源電子標簽，這種電子標簽集成了溫濕度傳感器、無線收發芯片、存儲芯片和供電電源，集“傳感識別”、“錄入存儲”、“無線傳輸”等功能于一體，實現了無需人工抄錄的電子采集方式，解決了由于環境因素造成的數據采集無法實現的問題，并能做到實時監測報警。基于RFID技術溫濕度標簽組成的監測系統有效防范了儲運過程中可能發生的影響產品質量安全的各類風險，保障了儲存和運輸過程的產品質量。

本文闡述了利用有源電子標簽采集紅酒儲運過程中溫濕度數據的過程，并利用2.4 GHz無線收發模塊[3]將數據發送到讀寫器中。讀寫器經數據處理后通過網絡接口將數據實時上傳到后臺數據庫，以供使用者實現對被測物品的溫濕度監控和追溯。此技術成果已在王朝葡萄釀酒有限公司陳釀型干紅葡萄酒上進行了試點應用，有效地解決了酒品在儲運過程中溫濕度實時跟蹤的問題，為酒廠事故責任鑒定提供了有力的技術支持。

1 需求分析

紅酒的運輸是其生命周期中比較重要的環節，與其他產品的區別是它容易受到環境的影響產生變質。影響紅酒品質的關鍵因素是溫度和濕度，過高過低都會造成紅酒的品質和相關的口感出現問題。

紅酒一般都是750 ml，要求恒溫保存和運輸（溫度12-14℃和濕度65%～80%），而在運輸過程中，則有可能會出現超溫超濕的現象，所以我們要對其進行溫度和濕度的監測和控制，這就需要準確地記錄運輸過程中環境溫度和濕度的變化情況。如果運輸過程是外包的，利用這些數據就可以有效地對運輸公司進行監督，從而保證紅酒的品質。

其次就是紅酒的儲存。紅酒一般要求放置在恒溫恒濕的環境中，也就是我們常說的酒窖，而酒窖大多設置在地下，所以，我們就要對地下儲存環境進行溫濕度的監測和控制。在紅酒的儲存過程中，要想將紅酒的味道和香氣最好的發揮出來，就要保持一定的溫度和濕度。紅酒理想的窖存溫度為10-15 ℃、濕度在75%左右，過度的溫度變化促使酒加速成熟，過度的濕度變化導致木塞腐爛或收縮，造成酒品自然氧化。本系統對溫濕度進行集中監測，如果超溫超濕了，就可以在第一時間通過電話和短信的方式來通知值班人員，這樣就可以確保紅酒的品質。

2 系統硬件設計

本系統硬件主要由溫濕度電子標簽、天線、讀寫器、計算機系統（裝有溫濕度監控軟件）組成。

電子標簽主要由高精度溫濕度傳感器和無線傳輸模塊構成。溫濕度傳感器采集現場溫濕度并將值存入電子標簽中，通過無線傳輸模塊傳輸數據。讀寫器接收到來自電子標簽的數據后，經過算法處理將數據通過網絡接口傳送到計算機上進行分析。

2.1 溫濕度電子標簽的設計

溫濕度電子標簽主要由微處理器、溫濕度傳感器、射頻模塊、存儲器、電池等幾部分組成。電子標簽通過射頻模塊進行無線數據信號的收/發，存儲器存儲標簽的身份識別碼、酒品的屬性及歷史數據等信息，溫濕度傳感器用來檢測紅酒所處環境的溫度和濕度。

標簽采用“主動方式”進行工作，將采集的溫濕度數據通過無線射頻方式實時傳送給讀寫器。標簽供電采用CR3032 的3 V紐扣式鋰電池，電池可更換，

一般情況下，單電池提供的能量可以保證標簽連續工作3～5年時間左右。所以在標簽的設計中降低功耗，延長電池壽命十分必要。

微處理器采用超低功耗單片機MSP430G2553[4]，其架構設計與5種低功耗模式相結合，為便攜式測量延長電池使用壽命提供了保證，其待機模式耗電僅為0.5 μA。

溫濕度傳感器采用低功耗數字式芯片SHT20[5]。該傳感器在測量和傳輸完成后將自動轉入休眠模式，等待下次命令的開始，從而降低傳感器模塊的功耗，該傳感器的平均功耗為3.2μW。

射頻模塊采用低功耗收發芯片nRF24L01P[6]，芯片預置了兩種待機模式和一種掉電模式，掉電模式下的耗電為900nA ，待機模式下的耗電為22 μA。標簽在空閑時進入掉電模式，只有在發送/接收時進入發送和接受模式，通過這樣的模式轉換有效降低了功耗。

2.2 讀寫器設計

讀寫器主要由天線、主控芯片（MCU）、射頻模塊、網絡通訊模塊等幾部分組成。STC12LE5A60S2[7]為主控芯片（MCU），nRF24L01P作為RFID射頻通信模塊，W5100[8]作為網絡通信模塊。

STC12LE5A60S2作為主控芯片，它比傳統的8051快8-12倍，具有高速低功耗超強抗干擾的特點，滿足設計要求。

nRF24L01P通信模塊以2.4 GHz定向天線為載體與標簽進行數據交換。讀寫器通過計算機設置接收功率，最大支持32級功率控制，以實現接收距離的調節。

W5100網絡通信模塊完成與后臺數據庫的數據交換，其內部集成 10/100 Mb/s 以太網控制器，全硬件的 TCP/IP 協議棧[9]極大地簡化了編程。

讀寫器設計為主動接收模式。電子標簽將采集到的數據通過無線射頻模塊發送給讀寫器，讀寫器將接收到的數據進行去重處理后通過以太網接口將數據傳輸到服務器進行數據分析。當發生斷網時，讀寫器存儲標簽采集的數據，待網絡恢復后再行上傳。

3 系統的軟件設計

系統設計為主動式上傳的TCP/UDP工作模式。這種工作方式尤其適合高速移動的目標，可在極短的時間內進行多標簽的快速識別與數據傳輸。由于在讀寫器信號作用范圍內往往存在多個標簽，同一時刻有兩個或者以上的標簽向讀寫器返回信息時將產生碰撞，這一現象稱為標簽碰撞。所以在系統軟件設計中防碰撞算法[10]的設計至關重要。

3.1 系統功能設計

本系統的功能模塊設計共分為7個模塊，圖1所示為本系統的功能體系圖。

（1）用戶安全管理系統：設置用戶的管理權限，設置讀寫器密鑰。

（2）設備管理系統：對讀寫器的各個參數進行設置，包括通信速率、增益、過濾時長、標簽類型等。

（3）網絡管理系統：對讀寫器的網絡通訊參數設置，包括IP地址、網關、通信模式、端口等。

（4）數據庫管理系統：完成數據庫數據的導入導出、備份、恢復、查詢、刪除、報表管理等。

（5）實時數據采集系統：經過過濾算法完成溫濕度標簽的讀取，由標簽信息實時狀態顯示窗口實時顯示溫濕度標簽信息。格式為：標簽ID+溫度值+濕度值+電壓狀態。

（6）歷史數據采集系統：對單個標簽進行設置，包括采集的起始記錄、時間間隔等，對標簽采集的數據進行顯示并生成曲線圖。

（7）報警管理子系統：根據不同應用設定溫濕度檢測的上下限，超出預警值將進行報警并發出短信通知。

3.2 標簽與讀寫器通信設計

標簽與讀寫器的通信數據格式參見表1所列，其中數據頭為用戶自定義，標簽ID為用戶定義的邏輯編號，校驗值為所有數據校驗和。

讀寫器在完成射頻芯片初始化后就進入接收模式，等待電子標簽數據的到來。如有數據到來則首先判斷數據是否合法，如數據合法則送MCU處理，MCU通過特定算法將數據處理后再加上自身的編碼通過以太網接口送到后臺服務器進行數據分析。

讀寫器與標簽的通信流程如圖2所示。有源電子標簽將采集到的溫濕度數據值，以不同時間間隔不斷地向讀寫器發送。本系統無線收發芯片nRF24L01P的收發模式是Enhanced ShockBurstTM方式。當讀寫器正確收到標簽數據后會發出一個應答信號，以便標簽檢測有無數據丟失。如果沒有應答信號標簽重發數據包，系統設定重發次數為3次，超過3次則生成隨機延遲時間，重新采集數據再次發送。

3.3 系統防碰撞設計

本系統為獲得較高的標簽識別效率，選用具有載波檢測功能的芯片nRF24L01P。設備在接收數據前先檢測載波信息和地址匹配信息，只有當載波存在且發送地址正確時才接收數據包，發送數據前也要先轉到接收模式偵聽，確認要傳輸的頻率通道未被占用方才轉入發射模式發送數據。此功能可以實現簡單有效的防碰撞。

載波檢測雖然可以在很大程度上減少沖突發生的可能，但是如果在同一時刻發送數據的標簽太多，沖突還是會發生，并且會造成信道利用率降低。設計考慮到所有的標簽都是按照每隔400 ms發送數據，有沖突的可能性存在。為了進一步減少沖突發生的機會，所以在程序設計中使用隨機函數產生定時間隔。不管電子標簽是否被識別，都會隨機地退避一段時間，該退避時間是在350 ms～450 ms之間產生的隨機數，再加上nRF24L01P每次發送之前有載波檢測功能，這樣就使得系統的碰撞機率大大降低。

4 系統應用

將RFID有源溫濕度標簽加載到紅酒包裝箱（目標物品）上，待裝運出發后持續記錄物品所處環境的溫濕度。一般有兩種應用模式，一種是電子標簽記錄并存儲采集的數據，在每個中間站點或目的地一次性上傳，物流管理平臺整合所有上傳數據，分環節監控物品質量；另一種是在運輸車輛/船舶上設置GPRS[11]實時傳輸設備，物流管理平臺能夠不間斷地對目標酒品進行監測。這兩種模式的唯一區別在于，后一種即實時模式能夠起到搶救部分貴重酒品的作用，而不僅僅是像前一種模式那樣只能鑒定酒品是否遭到損壞。當然，有源電子標簽標識的是指定包裝單位，同一個集裝箱內的不同包裝單位可以通過安裝多個有源標簽進行監測。

將ID=921標簽粘貼在紅酒的包裝箱上，隨酒品一同運輸記錄的溫濕度曲線如圖3所示。

圖3中顯示的是集裝箱內測試點24 h的溫濕度記錄曲線，上面的曲線代表濕度值，從圖中可以得出RH=73%，下面的曲線代表溫度值（華氏），從圖中可得出溫度值T=54?F/12.2℃。

紅酒的預警值設定溫度范圍為5℃～20℃，濕度范圍為50%～85%。從測量結果看出溫度和濕度都沒有超出警戒線，其均在預定報警值的上下限范圍內，故沒有產生報警。

系統將采集的數據保存到中央服務器，用戶可將特定時段的數據提取出來進行分析和打印。通過分析測試數據可以有效預防事故的發生，給酒廠或酒品研究提供有效的數據分析手段，這些數據也是責任認定的有力證據。

本系統的應用為廠商節約了大量的人力開支，也為高檔酒品的儲運環境監測提供了高效便捷的監管工具。

5 結 語

本文設計的基于RFID技術紅酒溫濕度監測系統，目前已成功應用于紅酒儲存和運輸等場所，并隨著市場的不斷擴大逐漸推廣應用。本系統設計的載波檢測和隨機時間函數間隔發送數據法的防沖突措施已基本滿足實際需求。但標簽防碰撞問題尚未徹底解決，在大量標簽應用的實際環境中，還需要考慮其他措施，比如讀寫器和標簽的分區域控制，或者采用專門的防碰撞算法。目前，本系統識別率高達200張/秒，實現了物體快速采集的功能，為藥品、食品、易變質產品冷鏈物流管理和倉儲管理提供了很好的解決方案，其使用價值和應用價值十分廣泛。

參考文獻

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[6] nRF24L01+ Product Specification[R].Nordic Semiconductor，2008.

[7] STC12C5A60S2_PDF[R].宏晶科技，2011.

[8] W5100數據手冊[R].WIZnet Co.，Ltd，2014.

[9] 蘭少華，楊余旺，呂建勇.TCP/IP網絡與協議[M].北京：清華大學出版社，2006.

[10] 陶云聰.RFID系統多標簽防碰撞算法研究[D].重慶：重慶大學，2010.

[11] （美）R.J.（Bud）Bates.通用分組無線業務（GPRS）技術與應用[M].北京：人民郵電出版社，2004.