面向水產品溯源的運輸環境多參數實時監測系統

劉 臻,袁紅春,梅海彬

上海海洋大學 信息學院,上海 201306

面向水產品溯源的運輸環境多參數實時監測系統

劉 臻,袁紅春,梅海彬

上海海洋大學 信息學院,上海 201306

本文針對水產品運輸環境監測參數少、節點分布不科學的問題，提出一種基于無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks,WSN)與移動終端對水產品溯源過程中的運輸環境進行實時多參數監測系統。首先給出了實時運輸環境監測系統的總體框架，然后對系統中硬軟件設計中涉及多種通信機制的融合、多參數采集結合等關鍵問題給出了相應的解決方案。該系統設計能夠實現全面、準確的運輸環境信息采集，較其他方法更有利于監測水產品在運輸過程中間的質量問題，更具有實際應用價值。

水產品;運輸環境;監測

近年來，隨著人們生活水平的提高，水產品在人們的飲食結構中占據著越來越重要的地位，建立水產品的可追溯體系以保證水產品質量安全日趨緊迫[1]。水產品作為一種特殊的農產品，流通過程中易腐爛、變質，因此在生產、加工到最終的消費過程中具有一定的保質、保鮮要求和期限，且主要以鮮活或冷凍形式進行運輸[2]。可見在運輸過程中創建能全面、準確、實時地監測水產品所處環境的系統，對于水產品的質量保障顯得尤為重要。隨著物聯網和云計算等新一代信息技術的發展，將物聯網技術應用到水產品追溯系統的研究已備受研究者關注。

目前，研究冷鏈物流、水產品運輸的學者較多[3-7]。但采用物聯網技術，與本文相關的工作還不是很多，其中代表性的工作主要有文獻[8,9]，在文獻[8]中許敏等研究者設計了基于物聯網水產品冷鏈物流運輸監控系統，該系統能夠實時采集運輸過程中車廂內整體的溫度和濕度信息，但運輸過程中水產品并不是都和車廂內環境直接接觸，而是還有更小的運輸箱，顯然該系統存在不能準確監測每個運輸箱箱體內實際真實環境的不足；在文獻[9]中，齊林等研究者設計了基于無線傳感網絡的水產品冷鏈物流監控系統，該系統雖然考慮到在周轉箱上安裝傳感器節點，但是其采集參數較少，僅僅采集了溫濕度參數。

可以看出，以上研究工作主要還存在以下兩個方面的不足：(1)采集數據內容比較單一，大部分都只有溫度和濕度這兩個參數，而對于影響水產品質量的一些其他參數（如氧氣、二氧化碳濃度）的監測則沒有。(2)采集節點的分布不夠科學，由于水產品個體的差異性，在監測時，不能籠統地只采集車廂內部的參數，而是需要對小環境——每個運輸箱中的環境參數進行采集。

針對以上問題，本文結合CC2530的性能特點和工作原理，提出了以CC2530為微處理器和射頻收發器的WSN節點。該類節點具有功耗低、監測參數全面且分布科學的特點。通過該類WSN節點及其應用軟件，實現了對水產品溯源運輸環境中多種參數的采集、處理和顯示。

1 系統工作原理與系統架構

1.1 系統工作原理

本系統通過在水產品運輸車廂中構建一個WSN來采集每個小運輸箱內部的環境參數。整個系統根據其職能可劃分為三個層次：采集數據的感知層、數據傳輸的網絡傳輸層和數據分析及展示的應用層。系統體系結構如圖1所示。

感知層由WSN組成，網絡通信協議采用ZigBee協議。依據網絡中各節點的功能，可將節點分為采集節點和匯聚節點。采集節點與匯聚節點分別對應著ZigBee網絡中的終端節點與協調器。采集節點負責收集小運輸箱中的環境數據；匯聚節點在收到采集節點的數據后，將數據轉發給與之相連的手機端，并從手機端接收命令并廣播給其他采集節點。在一輛車的WSN中，存在一個匯聚節點和若干個采集節點。

在網絡傳輸層，手機通過使用移動數據網絡（GPRS/3G/4G）將從匯聚節點收到的數據傳輸到數據存儲中心。

應用層主要負責匯總前兩層收集到的信息并進行分析，最終展示給用戶。

整個系統的網絡由WSN、移動數據網和Internet網三網互聯而成，WSN負責車廂內部數據信息的近距離傳輸，移動數據網則負責車輛與數據存儲中心之間的遠距離數據傳輸，Internet網絡負責數據的遠程共享。

1.2 系統架構

基于上述分層結構，水產品運輸環境監測系統的架構如圖2所示。WSN中各采集節點通過連接三個傳感器（溫濕度、氧氣濃度及二氧化碳濃度傳感器）來實時獲取運輸箱中的環境信息。采集節點在獲取到傳感器的信息并處理后，通過ZigBee協議傳輸給匯聚節點；匯聚節點收到信息后，將收到的環境數據利用USB接口傳輸到手機；手機在加入經緯度位置信息后，按照規定格式封裝成包，通過移動數據網絡遠程發送到數據存儲中心。數據存儲中心通過接收終端接收手機發送的運輸環境信息，接收后按照數據庫中的存儲格式進行調整并存儲。

應用服務器負責從數據庫取出數據信息后進行統計分析，并以圖表的形式展示給用戶。

圖1 系統體系結構Fig.1 Systemic structure

圖2 水產品溯源運輸環境實時監測系統的系統架構Fig.2 Framework of the transportation environment monitoring system

2 WSN節點硬件設計

數據采集、處理、傳輸以及電源管理單元等模塊組成了WSN的節點[10,11]。本系統的數據采集單元由三個傳感器組成，用于監測運輸箱中環境的多個參數。MCU及存儲模塊構成了數據處理單元。數據傳輸單元根據節點類型有一些不同：采集節點采用射頻模塊來進行WSN內部通信及數據傳輸；匯聚節點除了射頻模塊外，還連接了用于遠距離傳輸數據的手機。此外，手機在轉發從匯聚節點收到的信息前，還加入了從自身的定位信息，通過整合后再發送到遠程服務器上。系統的供電主要采用5V移動電源。針對運輸車輛監測的特殊性，在設計節點時進行了相關優化，硬件設計的具體細節如下。

2.1 采集節點

采集節點由微處理器（MCU）、無線傳輸模塊（射頻模塊）、以及傳感器接口組成。為優化電路設計、提高節點的集成度，本系統選用美國德州儀器公司(Texas Instruments，TI)生產的CC2530 F256型無線傳輸片上系統(System On Chips，SoC)作為微處理器和射頻模塊的解決方案。CC2530 F256內嵌一個業界標準的增強型8051 CPU，含256KB系統內可編程閃存，其射頻前端為適應2.4-GHz IEEE 802.15.4的RF收發器，具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能，其能耗也相當低，可以適應2.0～3.6 V直流電源，芯片尺寸6 mm×6 mm。

為了監測運輸箱中的溫度和濕度參數，采集節點選用的是AM2302溫濕度傳感器。AM2302是一款輸出數字信號的復合傳感器，它具有工作溫度范圍廣、分辨率高以及精確度準的特點，溫度具有0.1℃分辨率和±0.5℃的精確度，濕度具有0.1%RH的分辨率和±2%RH的精確度。該傳感器與MCU之間通過一條數據線相連，使用3.3～6.0V的直流電源對其進行供電。

氧氣濃度傳感器采用氧氣傳感器。該傳感器具有低功耗、高精度、高靈敏度的特點。氧氣濃度傳感器通過TX和RX兩條線與MCU相連，以模擬串口的通信方式與MCU進行通信。

二氧化碳濃度傳感器采用的是MH-410D傳感器紅外氣體傳感器。MH-410D二氧化碳氣體傳感器具有很好的選擇性，無氧氣依賴性，性能穩定、壽命長。其與MCU的通信方式同氧氣傳感器，也是使用的模擬串口的方式。采集節點的硬件框圖如圖3所示。

圖3 采集節點硬件框圖Fig.3 The framework of hardware in acquisition node

圖4 匯聚節點的硬件框圖Fig.4 The framework of hardware in sink node

2.2 匯聚節點

匯聚節點除了收集采集節點所采集的環境參數，還負責ZigBee網絡的建立和維護，在本系統中，匯聚節點接收上位機（即手機）的數據采集命令并向其傳遞運輸箱中的環境參數。因此，該節點需要由MCU、射頻模塊、USB接口和電源構成。匯聚節點的也是選取CC2530芯片作為節點的MCU和射頻模塊。匯聚節點采用USB接口與手機進行通信，本系統采用CH340G作為串口轉USB接口芯片，CH340G是一個轉接芯片，能實現USB轉串口的功能，從而實現手機與匯聚節點的USB通信連接。該芯片使用3.3 V～5.0 V直流電源。匯聚節點的硬件框圖如圖4所示。

3 WSN節點軟件設計

節點上的軟件系統開發采用IAR Embedded Workbench for 8051嵌入式集成開發環境，以基于C語言為開發語言的Z-Stack操作系統為基礎編寫。Z-Stack是TI公司針對CC2530等SoC開發的嵌入式操作系統[12]。手機端軟件主要轉發匯聚節點通過USB接口傳出來的運輸箱中的溫濕度等監測數據。

3.1 采集節點

Z-Stack是半開源操作系統，用戶只需對節點硬件抽象層中的引腳進行定義以及應用層中的函數進行編寫。在硬件抽象層中，存儲了CC2530與三種傳感器通信的引腳定義；在節點應用層中主要編寫了系統初始化請求函數，傳感器數據采集、存儲及發送函數。

采集節點在上電后首先進行自檢；自檢通過后，對系統進行初始化，通過向匯聚節點發送請求指令，獲取采集間隔時間等參數；系統在初始化成功后進入休眠狀態；當系統收到匯聚節點廣播的數據采集命令或者到達指定的采集時間時，與傳感器進行通信完成數據收集。然后將收集的數據通過無線射頻模塊傳輸至匯聚節點。采集節點的數據采集、存儲及傳輸的流程如圖5所示。

3.2 匯聚節點

匯聚節點也是ZigBee網絡中的協調器，與采集節點類似，匯聚節點在通電啟動后也是首先執行系統自檢；自檢通過后完成系統的初始化，初始化包括向手機端請求采集時間間隔等，然后進入休眠狀態；當收到手機端傳來的指令時，分析并處理該命令；收到采集節點傳來的數據時，通過USB端口將數據轉發至手機端。匯聚節點的數據接收和轉發流程如圖6所示。

3.3 手機端

Android手機上客戶端軟件的主要功能是接收匯聚節點傳輸來的運輸箱環境監測數據。客戶端的開發工具是Android Studio 2.1，開發語言采用Java。

客戶端軟件主程序中聲明串口通信類接口uart Interface實例，調用Usb Feature Supported方法檢測串口是否有可用設備連接，通過Open Device Listener類開啟和進行接收數據的監聽，當可用設備連接成功，可通過客戶端上的按鈕開啟接收狀態，客戶端通過read Thread線程對手機micro-USB接口傳入數據的進行讀取；讀取之后在其中加入手機自身定位模塊中獲取的GPS數據并進行整合；最后開啟異步傳輸任務建立與數據存儲中心Web Server的HTTP連接，通過POST方式向的Web Server提交整合的數據。Android手機端上軟件工作流程圖如圖7所示。

圖5 采集節點工作流程圖Fig.5 Process on acquisition node

圖6 匯聚節點軟件工作流程圖Fig.6 Process on sink node

圖7 手機端接收數據軟件流程圖Fig.7 Process on mobile terminal

4 數據中心接受終端的軟件設計

數據存儲中心的功能是通過接收終端接收手機發送的運輸環境信息，接收后按照數據庫中的存儲格式進行調整并存儲。軟件的開發環境為My Eclipse，開發語言采用Java。Web Server獲取手機端以POST方式發送的表單數據，然后向手機端發送確認信息；將收到的信息進行自動調整后以規定的各執存入SQL Server 2008數據庫中。數據庫中的數據供應用層的各種軟件使用。數據存儲中心軟件工作流程圖如圖8所示。

圖8 數據中心接收數據軟件流程圖Fig.8 Process on software in data center

5 系統實驗測試

根據節點的原理圖，使用Altium Designer軟件完成PCB板的設計，通過對元器件的焊接調試，完成了硬件制作。節點實物圖如圖9所示。其中，圖9(a)為采集節點，包括主控板、各傳感器和電源；圖9(b)為匯聚節點，包括主控板和電源。

圖9 節點實物圖Fig.9 WSN node

試驗過程分為以下幾個步驟：

首先根據用戶需求在手機客戶端軟件上輸入節點的采集時間間隔（本次試驗的采集時間間隔設定為5 min）。匯聚節點向手機端發送請求完成采集時間間隔的初始化。采集節點搭載溫濕度傳感器、氧氣濃度傳感器和二氧化碳濃度傳感器，主要采集的參數為溫度、濕度、氧氣濃度和二氧化碳濃度參數。采集節點通過向匯聚節點請求采集時間間隔來完成節點初始化。

匯聚節點廣播采集指令，采集節點在收到指令之后，進行數據采集，然后通過射頻發射模塊將采集的環境數據發送給匯聚節點；當匯聚節點接收到了采集節點的數據后通過串口將壓縮數據發送到手機；手機在接收到匯聚節點傳入的數據之后，加入GPS信息，再通過自身的GPRS/3G/4G網絡發送給遠程數據存儲中心；數據存儲中心收到手機端發送的數據之后進行解析并存到數據庫中。試驗表明系統運行穩定，且能準確的將采集節點獲取并壓縮的數據傳輸到遠程數據庫中。

表1為隨機選取的某一時間點多個監測節點的環境監測數據，表明各節點可以實時獲取溫度、濕度、氧氣濃度和二氧化碳濃度的數據。

表1 某時刻節點上傳數據庫的環境數據Table 1 Data on database uploaded from nodes during test period

6 結語

運輸途中水產品所處的環境質量參數實時監控是水產品溯源中的一個重要組成部分。本文根據實際需求出發，利用WSN技術、多網傳輸技術和移動終端技術設計并實現了應用于水產品溯源過程的物流環境的多參數實時監測系統。系統可以對運輸中的溫度、濕度、氧氣濃度、二氧化碳濃度這四個影響水產品質量的關鍵參數，以及當前運輸車輛所處的位置，進行24 h的連續監測，且不受地域、時域的限制。與同類系統相比，本系統監測參數多、節點分布科學、精度高等優點，在水產品運輸過程的監測中具有更好的實際意義。目前，該系統已成功應用在“基于物聯網技術的水產品溯源與安全預警平臺建設及應用示范”上海市科委項目示范應用中，取得較好的效果。

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The RealTime Monitoring SystemforParameters ofTransportation EnvironmentTracing to Resource ofAquatic Products

LIU Zhen,YUAN Hong-chun,MEI Hai-bin
College of Information Technology/Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China

Aiming to few environmental monitoring parameters for aquatic product transportation and unscientific distribution of nodes,this paper proposed the real time monitoring system for parameters of transportation environment tracing to resource of aquatic products with the wireless sensor network and mobile terminal.Firstly,it provided the overall monitoring framework for transportation environment and then gave the corresponding solutions for some key problems of the integration,parameter acquisition and so on in design for hardware and software.The system designed to achieve a comprehensive and accurate collection of environment information in transporting,which was more conducive to monitoring the quality of aquatic products in the middle of the transport process than other methods.

Aquatic products;transportation environment;monitoring

TN931.3

:A

:1000-2324(2017)02-0297-06

10.3969/j.issn.1000-2324.2017.02.028

2016-10-09

:2016-11-03

上海市科學技術委員會科研計劃項目:基于物聯網技術的水產品溯源與安全預警平臺建設及應用示范(14391901400)

劉 臻(1992-),男,在讀碩士,主要研究方向為無線傳感器網絡.E-mail:liuzhen0721@126.com