基于WSN和RFID的生鮮果蔬冷鏈監測系統設計及應用

石麗娟+李志剛

摘要：隨著現代科技的發展和生鮮電商平臺的興起，冷鏈溫度監控系統的應用也越來越廣泛。冷鏈溫度監控系統能夠對生鮮儲藏運輸環境進行嚴格的監控、記錄，無線傳輸到計算機，進行詳細分析和決策，從而對環境溫度實現智能化管理。該文將無線傳感器網絡WSN和非接觸式自動識別技術RFID相結合，設計一款適用于生鮮果蔬冷鏈監測的系統，并應用于生鮮果蔬的冷庫監測管理和冷藏車運輸配送過程中。

關鍵詞：生鮮果蔬；WSN；RFID；冷鏈監測

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）01-0248-02

我國生鮮果蔬資源豐富、品質優良，但由于保鮮、貯存、運輸等環節的制約，造成產后損失十分嚴重。據中國冷鏈產業網公布的數據顯示，我國每年約有1/4的水果和1/3的蔬菜在采摘后的儲藏存放和中轉運輸過程中腐爛變質損壞，價值高達750億元。為減少生產后損失，需要改變傳統的常溫物流和自然物流，盡量采用冷鏈存放和運輸，指果蔬產品在銷售前的各個環節中始終處于能保證果蔬質量和性能的低溫環境，所以，對果蔬冷鏈的溫濕度監測十分重要。

1 WSN和RFID的融合技術

無線傳感器網絡WSN是一種分布式傳感網絡，由大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構成，它的末梢是傳感器，使用傳感器的元器件感知和監測外部環境，還可以跟互聯網進行連接，實現數據的采集、處理和傳輸。具有低功耗、低成本、自組織、動態性的主要特點，廣泛應用于智能交通、環境監控等多個領域。RFID又稱射頻識別，通過閱讀器和電子標簽的射頻信號相互耦合，產生磁場電流，從而實現非接觸式的信息傳輸。

在冷鏈物流智能化監測方面，國內學者采用WSN技術、ZigBee技術、GRPS技術和RFID技術等設計了各項冷鏈物流智能化監測系統。劉亮基于ZigBee和GPRS設計由采集節點和主控節點構成的冷鏈監測系統，通過各個采集節點來獲取溫度等數據，并利用ZigBee方式將數據匯集在主控節點[1]；馮賀平等采用CC2530 片上系統構建ZigBee 網絡，實現對冷藏庫溫度、濕度的實時在線監控[2]；劉國梅等提出了一種基于WSN和RFID技術的農產品冷鏈物流監控追蹤系統，給出了農產品在冷藏運輸過程中及冷庫中的監控與管理方案[3]；劉丹丹等融合WSN和RFID2種技術優勢，提出了一種基于WSID融合網絡和WebGIS的冷鏈運輸監控追蹤系統[4]。本文采用劉國梅等的關鍵部分設計方案，在劉丹丹等的設計思路基礎上，把基于WSN和RFID的監測系統應用于新疆生鮮果蔬的長距離遠途冷藏運輸的監測及冷庫監測和管理中。

2 生鮮果蔬冷鏈物流分析

新疆是我國農產品生產大區，隨著果蔬生產基地加快建設和設施農業加快發展，全區已形成瓜果、蔬菜區域性優質高產特色農業產業帶，生鮮果蔬的產量和流通量不斷增長，目前新疆生鮮果蔬冷鏈物流具有如下特點：

1） 大部分瓜果、蔬菜，屬于時令果蔬，如葡萄、桃子、西瓜、西紅柿、辣椒等都是非常典型的鮮貨易腐品，采摘后如果不經過恰當處理，特別容易腐爛變質。所以，對溫濕度要求明顯，需要低溫適度潮濕環境從而盡可能保鮮。

2） 生鮮果蔬在物流過程中損耗較大，新疆目前的果蔬運輸大多采用集裝車常溫物流運輸，致使生鮮果蔬在物流過程中的損耗率達到了30%以上，而發達國家則可控制在5%以下，因此發展冷鏈物流、控制損耗是優化新疆生鮮果蔬物流的關鍵因素。

3） 冷庫內和冷藏車的溫濕度監測不到位，冷庫和冷藏車內的果蔬一般不是均勻分布的，再加上制冷機的風向作用和開關門通風效果，勢必導致冷藏環境溫濕度分布不均勻，因此要盡可能監測到更全面、更準確、更實時的有效數據，在溫度達到一個閾值時應發出提醒。

4） 國內一二線城市對新鮮果蔬的需求量不斷升高，和對食品安全的警覺度的增加，加快新疆生鮮果蔬的冷鏈運輸勢在必行，也有著極大的商業利潤。但冷藏運輸受到了現實條件的制約，新疆路途遙遠需要長距離運輸，沿途氣溫高、太陽毒，生鮮果蔬易腐爛變質。

3 生鮮果蔬冷鏈監測設計

3.1 系統總體結構

生鮮果蔬冷鏈監測系統由三個主要部分：

1） 作為從節點也稱為智能節點的溫濕度采集部分，融合了WSN節點和RFID閱讀器，布置在冷庫內和冷藏車廂中；

2） 作為主節點也稱發送節點的終端采集模塊，負責冷鏈環境中溫濕度數據傳輸，一般置于冷藏車頂和冷庫中心部位；

3） 具有服務器功能的冷鏈監測服務平臺，負責接收遠程采集上傳的各項監測數據，并能夠提供信息查詢服務。果蔬冷鏈監測系統總體結構如圖1所示。

3.2 主從節點設計

3.2.1 主節點設計

主節點的功能主要負責發送從節點采集到的溫濕度數據信息，由負責無線通信的CC2530模塊和GSM以及串口結構組成。CC2530 是一個兼容IEEE802.15.4的真正的片上系統[6]，提供了101dB的鏈路質量，用于2.4-GHz、ZigBee 和RF4CE 應用，支持專有的802.15.4市場。它具有優秀的接收器靈敏度和健壯的抗干擾性，能夠以非常低材料成本建立強大的網絡節點，支持一般的低功耗無線通信。GSM是全球移動通信系統的簡稱，已普及應用，是當前應用最為廣泛的移動電話標準，使用靈活、抗干擾強、安全性高。

3.2.2 從節點設計

本部分又稱為智能節點，是WSN和RFID技術融合的體現，也是實現智能化監測的核心部件，有微內核、WSN、RFID閱讀器、溫濕度傳感器和微電池組成。

微內核和通信部分由CC2530 結合業界標準增強8051MCU內核、通過優秀的RF 收發器構成，使用2個USART、12位ADC和21個通用GPIO外設集，系統內可編程閃存，通過專有的網絡協議棧來簡化開發。endprint

傳感器部分負責監測周圍的溫濕度環境參數，選用奧松電子廠商的DHT11溫濕度傳感器。DHT11是一款溫濕度復合傳感器，可由電商平臺購買，其精度濕度+-5%RH， 溫度+-2℃，量程范圍25℃+-0.2℃ 至 -40℃，采樣周期每次大于2秒。

果蔬包裝箱上粘貼低成本的無源RFID標簽，由淘寶平臺購買，選用ISO14443A M1 S50電子標簽。RFID閱讀器采用有源RFID產品，采用ISO 18000-6C信息技術，選用LH-1000讀卡模塊，由Philips MFRC522原裝芯片+進口單片機設計而成，外部通過RS232接口與模塊通信，自帶MCU無需編寫協議，通過簡單指令讀寫IC卡，讀卡距離遠，工作電壓為DC3.3-5.5V。

3.3 主從節點功能流程

冷鏈監測系統啟動后，首先進行初始化，包括串口波特率的設置和時間間隔設置，之后智能節點開始查找網絡節點，若為主節點則定時發送命令至從節點，否則負責操控傳感器測量當前冷鏈環境的溫濕度數據，讀取標簽信息，并發送至主節點。果蔬冷鏈監測系統主從節點的功能流程圖如圖2所示。

4 冷鏈監測系統應用

4.1 冷庫的監測和管理

生鮮果蔬在采摘之后需要經過加工預冷和控溫貯藏環節，該環節是為了確保果蔬在儲存過程中維持在低溫環境中，以便能夠保持果蔬的最佳儲藏狀態。果蔬具有通過生命活動與周圍環境發生作用，影響自身狀態和產品重量的特點，果蔬對于溫濕度有嚴格的要求，因此冷鏈庫存過程中必須保持在一定的溫度中，這需要進行全程溫濕度監測[5]。本文基于WSN和RFID技術設計的冷鏈監測系統應用于冷庫監測和管理的網絡架構示意圖如圖3所示。

網絡架構有帶有RFID標簽的果蔬箱、WSN+RFID閱讀器的智能節點、發送節點以及具有服務器功能的冷鏈監測服務平臺組成。智能節點通過RFID閱讀器負責收集每一個帶有RFID標簽的果蔬箱的溫濕度信息，并可附加記錄出入庫信息。各個智能節點之間和發送節點通過自組織單跳或多跳形成WSN網絡，并無線通信發送溫濕度數據至發送節點，由發送節點傳輸至服務器平臺。

4.2 車載運輸中的監測

果蔬產品在冷藏車中的擺放較為密集，一般不是均勻分布的，受果蔬呼吸熱、與周圍環境作用、車輛內制冷機的風向和車門漏風等因素的影響[7]，必然會導致冷藏車廂內溫度、濕度分布的不均勻，因此要想監測到更全面、更準確、更實時的有效數據，智能節點應盡可能多。將智能節點按照一定的密度擺放在冷藏車內，盡可能密集，越密集數據越完善。把發送節點置于車廂頂部，以便在車輛行駛過程中有更好的GSM信號傳輸數據信息。果蔬冷鏈監測系統的冷藏車載運輸應用如圖4所示。

5 結束語

本文基于比較成熟的WSN和RFID融合技術，在前人研究的基礎上設計了冷鏈監測系統，并將其應用于生鮮果蔬冷鏈監測中，該系統網絡性能穩定、數據傳輸率快，能夠實現溫濕度的實時監測，并可通過服務器平臺給出預警。但存在硬件設計成本費用較高，對智能節點的需求多等不足之處，硬件設計需要進一步改進，或者通過智能節點的優化布局，減少智能節點數量。

參考文獻：

[1] 劉亮. 基于ZigBee和GPRS的冷鏈監測系統的研制[D].哈爾濱工業大學，2015.

[2] 馮賀平，吳梅梅，楊敬娜.基于ZigBee 技術的果蔬冷鏈物流實時監測系統[J].江蘇農業科學，201，45（6）：219-221.

[3] 劉國梅，孫新德. 基于WSN和RFID的農產品冷鏈物流監控追蹤系統[J].農機化研究，2011，33（4）：179-182.

[4] 劉丹丹，李志剛.基于WSID 和WebGIS 的農產品冷鏈監控追蹤系統[J].江蘇農業科學，2017，45（17）：200-204.

[5] 孫超. 果蔬冷鏈物流庫存控制模型及應用[D].南京農業大學，2013.

[6] 劉宸. 農產品冷鏈運輸WSN監測系統設計與實現[D].西北農林科技大學，2014.

[7] 郭斌. 基于Zigbee技術的果蔬冷鏈車載環境信息監測系統的研究與實現[D].新疆農業大學，2010.endprint