基于WSID和WebGIS的農產品冷鏈監控追蹤系統

劉丹丹+李志剛

摘要：針對目前我國農產品冷鏈物流監測環節不協調、監測指標單一化、監測信息不透明、獲取信息不及時的現象，融合WSN（wireless sensor networks）和RFID（radio frequency identification）2種技術優勢，提出一種基于WSID（wireless sensor identification）融合網絡和WebGIS的冷鏈運輸監控追蹤系統，實現農產品冷藏管理和冷鏈運輸過程中環境溫濕度、CO2濃度、C2H4氣體含量及智能節點電量的采集，農產品自身信息的獲取與身份識別判斷，最后基于WebGIS技術實現冷鏈運輸環節監控信息的動態展示。結果證明，系統性能可靠，硬件成本較低，能夠滿足實時透明的冷鏈環境監測和產品身份追溯需求，具有較好的應用前景。

關鍵詞：農產品；冷鏈物流；WSID；WebGIS；監控追蹤；系統設計；系統實現

中圖分類號： S126文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）17-0200-05

通信作者：李志剛，博士，教授，主要研究農業信息技術及系統開發。E-mail：lzg_inf@shzu.edu.cn。生活水平的提高和飲食結構的顯著變化使消費者追求高品質商品和服務的理念已經逐步形成，對新鮮特色農產品的需求也日益增大。但由于農產品本身鮮明的品質特性，當農產品在庫冷藏和冷鏈運輸環境中溫濕度、CO2、C2H4氣體含量比例失衡時，都會造成產品軟化變質、果實衰老、果粒脫落、果實內部的呼吸作用加強帶來營養物質損耗和感官評價等級下降等，大大降低了農產品的營養價值和商業價值[1]。冷鏈物流的全程無縫監管與追溯是保障農產品品質安全的關鍵[2]。因此，開展農產品冷鏈物流監控和追蹤方法研究，確保冷鏈物流過程中各項參數的有效采集、實時傳輸與處理、動態展示，完善我國冷鏈物流體系的管理和監督工作已成為當今社會亟須解決的焦點問題。

在冷鏈物流監控追蹤技術方面，國內外相關學者利用射頻識別技術、ZigBee技術、無線傳感網絡和GPS等研究了各項冷鏈物流監測追溯技術的實現方法和手段。佟金等基于RFID、GPS和GPRS技術設計了冷鏈物流監控系統，用以實時監控生鮮農產品在運輸過程中的狀態和質量[3]。Abad等利用RFID的溫度標簽檢測生鮮食品在冷鏈運輸過程中的品質狀態[4]。汪庭滿等基于RFID技術開發了冷鏈物流溫度監控系統，并將貨架期模型嵌入到系統中，實現了對運輸后水產品的貨架期預測[5]。齊林等設計了基于WSN的水產品冷鏈物流實時監控系統[6]。Carullo等利用WSN技術，通過將微處理器、無線收發裝置和電源安放在牛奶瓶蓋內，傳感器則設置在奶瓶內來監控牛奶冷鏈運輸過程中的溫度[7]。Ruiz等采用ZigBee技術實現水果冷鏈運輸環境中溫濕度指標的實時監測[8]。劉國梅等結合WSN和RFID設計了農產品冷鏈物流監控系統[9]。但是目前國內現有的冷鏈物流監控追蹤系統，只是單一地利用射頻識別與有線通信結合的方式或是使用無線傳感器網絡進行數據采集與傳輸，而將2種技術優勢相融合來解決冷鏈物流監控追蹤系統監測效率低和實時性差等問題的研究比較缺乏，同時大多數研究只是做到運輸過程中溫濕度數據和GPS數據的全程記錄，并沒有考慮到CO2濃度、C2H4氣體含量等其他因素在整個冷鏈物流過程中對產品品質的影響，缺乏對智能節點電量使用情況的監測，無法保證各監測節點實時的數據采集，缺少農產品在庫監控管理和在途產品身份的識別與判斷環節，用戶也不能通過互聯網實時查詢冷鏈物流監測信息。

因此本研究在劉國梅等相關學者研究[9]基礎上，針對農產品冷鏈監控追蹤系統實時、高效、獲取信息更為全面的需求，融合WSN和RFID 2種技術優勢，設計一種能夠實現農產品在庫管理和冷鏈運輸過程中環境溫濕度、CO2濃度、C2H4含量、節點電量的實時動態監測與控制，運輸農產品的身份識別和判斷的監控追蹤系統，最后基于WebGIS技術將冷鏈物流中的監測信息以電子地圖的形式展示給管理人員，進一步降低各地方特色農產品的物流損耗，提高農產品冷鏈運輸過程的安全化和信息化水平，實現特色農產品鮮到鮮得。

1農產品監控追蹤系統分析

1.1監測需求分析

農產品冷鏈物流過程中，當冷鏈環境不符合行業標準時，導致農產品水分、碳水化合物及其產品體內色素的變化而造成產品營養價值和商業價值的流失。同時鮮活農產品在采摘之后會不同程度地受到一些微生物的侵染，果實內部呼吸強度、碳水化合物分解速率以及蛋白質、有機酸、膜透性等的變化速率加快[10]，加速農產品衰老過程。因此通過對可能影響農產品在冷庫、運輸等冷鏈環境中安全存儲的各種因素，如溫濕度、CO2濃度、C2H4濃度、制冷設施和運輸設備運行狀況進行全面實時的監測、記錄、預警、報警、數據存儲備份、歷史事件查詢等管理，確保一旦出現潛在的冷鏈物流危險事件，在其還沒有影響農產品品質之前，采取應急措施，控制危險因素；同時實現冷鏈物流中在途農產品身份識別與判斷，防止貨物的錯誤配送、竄貨或者丟失，冷鏈運輸途中發現產品質量問題時立即終止運輸與產品召回，降低物流成本，保證產品質量安全。

1.2系統性能分析

根據農產品冷鏈物流監控追蹤系統的目的和需求，系統的性能要求如下：（1）WSN和RFID融合形成的WSID自組織網絡冗余性好，抗干擾能力強，易于擴展、便于維護；（2）系統基本上能夠實現多點、多環境因子的高度感知；（3）基本實現對溫濕度、二氧化碳濃度和乙烯氣體含量的精確控制；（4）車載終端具備與融合傳感網絡的前向鏈路以及與監控中心的通信能力，實時上傳環境信息和產品本身信息、冷鏈運輸車輛運行軌跡、運行參數等，方便監控中心管理人員實時掌握運輸狀況和產品品質狀態；（5）基于WebGIS的監控中心為用戶提供友好圖形界面，操作簡單，功能齊全。

2農產品冷鏈監控追蹤系統設計endprint

2.1系統總體結構

農產品冷鏈物流監控追蹤系統主要由3個模塊組成：布置在冷庫和冷藏車廂內的智能節點和網關組成終端采集模塊，實現冷鏈環境中溫濕度、CO2濃度、C2H4含量和節點電量的采集和傳輸；數據庫服務器、應用服務器、WebGIS地圖服務器、路由器和防火墻作為系統服務層，負責接收遠程采集層上傳的各項監測信息；管理計算機作為用戶訪問層，負責實時向用戶提供冷鏈監測信息。系統總體拓撲結構如圖1所示。

2.2智能節點設計

2.2.1智能節點硬件設計農產品冷鏈監控追蹤系統中采用RFID閱讀和WSN節點相融合的網絡架構，包括集成了RFID閱讀器的智能節點、普通電子標簽、普通傳感器節點和基站。其中集成了RFID閱讀器的智能節點不僅能感知與采集冷鏈環境信息，同時也能讀取農產品自身信息，實現冷鏈物流過程中農產品身份的識別和判斷，最后基于WSN網絡將所獲取的所有信息傳遞至協調器節點。協調器節點對所獲取的信息簡單處理之后上傳至本地管理中心和遠程控制中心。系統中智能節點主要由感知環境信息的傳感器部分、讀取標簽信息的RFID閱讀器、WSN無線通信模塊和能量供應模塊組成。硬件框圖如圖2所示。

為提高系統集成度和可靠性，優化電路整體設計，系統選用德州儀器公司生產的支持2.4 GHZz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的CC2530型無線傳感網絡片上系統（system on chips，簡稱SoC）作為處理器模塊的解決方案。CC2530結合了RF收發器的優良性能及業界領先的黃金單元ZigBee協議棧，內嵌1個增強型8051單片機，含256 kB程序存儲器，具有極高的接收靈敏度（-97 dBm）和抗干擾性能，使用2.0 ～3.6 V直流電源，小尺寸QFP-40封裝6 mm×6 mm，CC2530具有不同的運行模式，運行模式之間的轉換時間短，進一步滿足了系統的低功耗要求[11]。

系統選用英國GSS公司的集溫濕度、二氧化碳濃度測量為一體的新型傳感器COZIR-W，實現冷鏈環境中溫濕度、CO2濃度的實時感知與采集。該傳感器內部集成了信號處理電路，使用3.3 V電壓驅動，功耗僅為3.5 mW，可測量溫度范圍為-25～55 ℃，絕對精度為±1 ℃；濕度范圍為0～95%（非凝結），絕對精度為±3%；二氧化碳體積分數范圍為0～20 000×10-6，精度為±50×10-6[12]。采用瑞士SENSIRION公司生產的C2H4/C-2000測量農產品冷鏈運輸過程中的C2H4濃度，該傳感器反應速度快、無零點漂移、低誤差率、抗干擾能力強。系統中傳感器自行采集監測數據，并將所采集的數據轉換為數字信息，通過串口把采集信息傳輸到單片機，由單片機對這些數據進行整理、打包并通過無線模塊傳送到控制中心[13]。

2.2.2智能節點軟件設計系統中程序啟動之后，智能節點開始查找網絡并加入，若為路由器則轉發其他節點信息至協調器節點，否則負責操控COZIR-W和C2H4/C-2000傳感器測量得到當前冷鏈環境的溫濕度、CO2濃度、C2H4濃度和監測節點剩余電量，另一方面讀取貨物上的標簽信息，將所獲得數據通過路由轉發或直接傳送給協調器。循環采集模式之后，若接收到睡眠指令則進入睡眠狀態，以降低系統功耗，延長網絡生命周期。傳感器數據采集程序和傳輸流程如圖3、圖4、圖5所示。

在冷鏈監控追蹤系統設計中，由于對節點電量的監測精度要求較低，因此采用低成本的電壓檢測法獲取監測節點剩余電量信息[14]。電池電壓先經過放大器處理后，送入單片機接口進行采樣，利用電池電壓與電量之間的函數關系，經過數據處理后得到監測節點剩余電量。其采集程序流程如圖6所示。

2.3農產品在庫監控與追蹤

在鮮食農產品冷庫的監控與管理工作中，首先將功能較強的RFID閱讀器設置在冷庫出入口處，該閱讀器一方面讀取出入庫產品的所有信息，另一方面還可以向出入庫農產品上的標簽寫入相關產品信息，實現所有出入庫農產品信息登記和錄入的完全自動化。布置在冷庫特定位置的智能節點主要負責感知與采集冷庫環境信息，同時讀取冷庫中所有物品的RFID標簽信息，最后將獲取的環境參數和產品信息上傳至冷庫本地管理中心，本地管理人員根據接收到的數據可以隨時掌握產品儲藏信息[15]和冷藏環境。同時，管理人員可以利用融合之后智能節點的定位功能，根據智能節點和RFID標簽之間射頻信號的強弱，大致判斷出農產品在冷庫中的儲存位置，真正實現細致與高效的冷庫管理模式。冷庫網絡架構如圖7所示。

2.4農產品冷鏈運輸監控與追蹤

鮮活易腐農產品冷鏈運輸過程中，要實時監測運輸環境信息、運輸設備及制冷設施運行狀況和追溯產品自身信息，確保各項監測指標符合行業標準，各種冷鏈設備運行正常，保證產品質量安全。系統利用WSN和RFID 2種技術融合集成的智能節點，實現對每輛冷鏈車車廂環境溫濕度、CO2濃度、C2H4含量、節點電量的采集和冷鏈設備運行狀況的故障點監控。同時為了降低系統功耗，控制冷鏈成本，在不影響其監測精度的情況下，系統對冷藏車廂內的智能節點進行優化部署來減少智能節點數量，如圖8所示。

智能節點同時讀取農產品包裝箱上的普通無源RFID標簽信息，實現在途農產品身份的識別與判斷。最后智能節點將所獲取的所有信息通過WSN網絡以單跳或多跳的方式傳遞至協調器。系統中智能節點獲取數據的時間間隔設置為 1 s，放置在駕駛室的副駕駛車座下邊的協調器將智能節點所讀取的信息進行匯聚、自適應融合和壓縮之后以TCP/IP協議通過GPRS模塊傳入監控中心，設置網絡協調器發送數據的時間間隔為1 min[16]， 同時在協調器節點中集成了GPS模

塊，實現了對冷鏈運輸車輛軌跡的實時追蹤。當協調器節點處理智能節點傳輸的數據時，如果發現異常，監測指標達到閾值或超過閾值，產品本身信息與數據庫信息不符時，發出預警報警信號，提醒遠程控制中心及監管機構采取應急方案。同時遠程控制中心也可以通過GPRS模塊向協調器發出查詢命令。endprint

3農產品冷鏈物流監控追蹤系統實現

3.1系統功能結構

基于WSID和WebGIS的農產品冷鏈監控追蹤系統平臺，以生鮮農產品產地生產與流通的產業鏈為主線，面向農戶、消費者和管理者，滿足集監控追蹤、防偽管理于一體的功能需求，系統綜合功能框架設計如圖9所示。

3.2系統功能實現

該系統采用了C/S與B/S模式相結合的運行體系結構，監測系統中傳感器、GPRS模塊和服務器之間的通信模塊以及系統管理部分模塊采用C/S結構，從而提高硬件與軟件通信過程的數據運算和處理能力，并且對數據的釆集、轉換只需要在服務器端進行即可，降低系統成本；用于監測數據展示的部分采用B/S結構，實現系統中的冷鏈環境信息的發布、瀏覽和數據統計分析等功能需求；ASP.NET為前臺開發工具，數據監控中心的服務器是通過Microsoft SQL Server 2010與Arc GIS Server搭建的，系統實現了農產品冷鏈環境信息的動態交互、實時更新以及基于地圖的監測信息動態展示等功能，農產品冷鏈監控追蹤系統主界面如圖10所示。

3.3WebGIS功能實現

監控中心采用基于百度地圖車聯網API的WebGIS技術

實現冷鏈運輸中無線傳感網絡各監測節點及GPS數據的地圖展示。如圖11所示，用戶通過客戶端的Web瀏覽器按HTTP協議提交各種冷鏈事件請求并發送到WebGIS服務器；WebGIS服務器接受客戶端發送來的請求，處理并重新定向這些請求到GIS數據庫服務器；CIS數據庫服務器接受客戶端的任務請求，調用相關處理功能模塊，再將處理結果傳回WebGIS服務器；最后WebGIS服務器遵循HTTP協議以HTML格式及Script語言格式封裝處理結果返回客戶端的Web瀏覽器，使得農產品冷鏈物流環境中的溫濕度、CO2濃度、C2H4含量、節點電量、產品身份和車輛位置等信息以WebGIS的形式發布更便利、更準確。

4結論

相對于傳統的冷鏈物流監測系統，研究中，以WSN與RFID融合集成的智能節點為核心，利用兩者的優勢互補特性設計的農產品冷鏈監控追蹤系統，覆蓋了農產品冷鏈物流倉儲運輸的全過程，保證了獲取信息的全面性和及時性。基于WebGIS實現了運輸環節監測信息的動態展示，通信性能測試表明，在通信距離30 m的范圍內，-3 dBm及以上的發射功率均能保證8%以內的丟包率，數據傳輸比較可靠，從整體上提高了農產品冷鏈物流安全化、信息化和智能化水平。

系統中利用的融合技術在其監測功能較為完善的同時，也帶來了比較高的冷鏈物流成本，其中融合之后的大數據量傳輸造成的能耗問題是最為突出的問題。

下一步系統將在智能節點布局優化部署、多數據融合壓縮方面進行一定的深入研究和改進，在提高監測精度的條件下盡量減少智能節點數量，降低多環節、多節點和多指標監控追蹤所帶來的冷鏈物流成本

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doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2017.17.055endprint