基于物聯網技術的林區漿果冷鏈運輸智能監測系統

黃永暉，郭成波，張世鑫，孫術發

（東北林業大學 工程技術學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

1 引言

隨著生活水平的提高，人們的飲食結構正向著營養、保健方向發展。野生漿果具有極高的醫療、保健、營養價值，目前世界范圍內正興起開發野生水果的熱潮，野生水果也稱第三代黃金水果[1]。黑龍江省幅員遼闊，境內大小興安嶺、張廣財嶺重疊相連。在全境近70個縣（市）中有44個山區和半山區縣（市），山區面積約23km2。崇山峻嶺中，晝夜溫差大，雨量充沛。獨特的生境條件，造就了林中、林緣和低溫草地上的種類繁多的野生漿果植物。據測算，黑龍江省野生漿果年可采量達80多萬t。遺憾的是，這些野漿果只有極少數被利用。天然野漿果，實為各種綠色食品的上好原料，是具有巨大經濟效益的天然寶庫。開發這些資源，使其變成經濟優勢，是社會發展的需要，是消費者的渴望，其市場前景無限[2]。

以廣受市場歡迎的藍莓為代表的野生漿果，具有皮薄肉軟，含水量高，呼吸作用旺盛，采摘后極易腐爛，不耐儲藏的特點，這一特性使得運輸不當極易造成漿果變質，限制了野生漿果的市場推廣。大小興安嶺地區地理位置偏僻，漿果的消費和加工能力有限，距離生鮮漿果的主要消費和加工地區較遠，運輸距離較長，使得運輸過程的可控性較差，容易造成野生漿果品質的下降。因此，需要對野生漿果的運輸過程進行實時主動監控，并根據漿果狀態調整運輸條件，實現對運輸過程的實時監控。同時，由于野生漿果主要分布于偏遠林區，基于基站通信的移動通信網絡覆蓋面積有限，存在大量基站信號覆蓋盲區，因此基于基站通信建立監測系統具有一定的信息滯后性。

2 冷鏈運輸過程監測技術研究現狀

目前，運輸過程智能監控系統的研究主要圍繞生鮮蔬菜、水果、肉制品及海鮮產品等對運輸條件有比較嚴格要求的產品展開[3-4]，主要目的為通過對運輸過程進行有效監管，降低運輸過程對產品品質的影響，提高產品的市場競爭力。

在野生漿果冷鏈物流的所有環節中，運輸過程監控是其最薄弱的環節，因此，加強冷鏈運輸的全程無縫監控是保障野生漿果品質安全、減少營養流失的關鍵，通過對溫濕度與保鮮技術的有效耦合應用監控，調節運輸環境中的氣體濃度比例和低溫高濕環境，為漿果運輸營造最適宜的貯藏環境。而現有的冷鏈運輸監控系統存在著缺陷：一是缺乏及時性，用戶不能在第一時間發現產品的品質，只是事情發生之后才會有所察覺，不僅不能及時做出應對措施和避免損毀的發生，而且也不能確認事件的責任方；二是缺乏耦合性，只能單一的實現冷藏車內溫濕度信息的監測，缺乏溫濕度與保鮮技術的有效耦合應用監測[5]。因此，開展野生漿果運輸過程監測方法研究，確保運輸過程中多項環境參數與保鮮氣體濃度的有效采集、實時傳輸與精確控制，能夠有效改善運輸過程對野生漿果品質的影響。

目前在物流運輸監控系統中應用的技術主要包括溫濕度記錄儀、RFID、傳感器技術與無線傳感網（WSN）等技術。RFID是一種非接觸式的自動識別技術，通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據。Abad等研究了帶有溫濕度標簽的RFID在冷鏈運輸過程中對產品品質的監測[6]。Mira Trebara等設計了一種利用RFID溫度標簽監測運輸過程中水產品內部和所處環境中的溫度變化的方法，有助于對整個冷鏈物流過程中的溫度進行精細管理[7]。

隨著傳感技術的發展，ZigBee無線傳感網技術作為計算機技術和網絡技術深刻融入現實世界的產物。因能夠在任何自然環境下多節點采集數據的特點使得它成為冷鏈物流實時監控的首選技術[8]。Carullo等將微處理器、WSN無線收發裝置和電源安放在牛奶瓶蓋內來監控牛奶在冷鏈運輸過程中的溫度狀況[9]。Ruiz等基于ZigBee通信協議實現了水果冷鏈運輸過程中溫濕度狀況的實時監測[10]。Reiner Jedemann等設計了應用于大型冷鏈配送系統的Zig-Bee無線傳感器網絡環境監測系統，實現對車廂內溫度變化的精確監測[11]。劉宸等研究了基于WSN無線傳感網絡的農產品冷鏈監測系統，實現了農產品冷鏈運輸過程中溫濕度的實時監測[12]。Zhang J等以ZigBee通信協議為基礎，完成了冷鏈物流溫控系統的設計與開發[13]。Xiao Xinqing等學者為了延長系統壽命，降低冷鏈物流損耗，提出了一種基于WSN和壓縮感知的冷鏈監測方法，實現了數據的壓縮采樣傳輸，減少冷鏈監測網絡數據傳輸量[14]。

目前對漿果品質的研究主要集中于如何通過各種手段抑制其腐敗過程，最大限度的延長漿果食用周期。針對林區特殊地理環境的漿果運輸過程品質監測系統，目前鮮有專門的研究，因此以林區漿果的運輸過程為研究對象，為了降低運輸過程對漿果品質的影響，展開了對林區漿果運輸過程品質監測系統的研究。

3 基于ZigBee的漿果運輸狀態無線傳感網絡構建

3.1 ZigBee感知節點和匯聚節點硬件設計

考慮冷鏈運輸車輛在漿果運輸過程中，漿果所在環境為比較局限的封閉環境，為了避免各感知節點之間采用線路連接影響感知節點的靈活布局和網絡拓撲，采用ZigBee CC2530短距離射頻通信技術構建一套微型化、無線化、遠程化和低功耗的無線傳感器網絡。根據監測需求，將車載部分的漿果運輸過程監測系統分為ZigBee感知節點和ZigBee匯聚節點進行功能設計。

為了便于感知節點根據車輛運輸漿果的多少進行靈活調整，感知節點采用電池供電的模塊化設計，無需連接有線電源。因此感知節點安裝于運輸車輛內，可以根據需求隨意安放位置，感知節點個數可以根據車廂空間大小進行調整。感知節點根據硬件和程序控制要求，負責采集所在位置的溫度、濕度、加速度及震動信息，并實現與匯聚節點之間的通信，按照程序設定的時間將所采集信息發送給匯聚節點，同時負責實時響應上級匯聚節點的感知信息查詢。為了監測漿果品質的變化，采用CO2傳感器檢測車廂內CO2氣體的濃度，進而監控漿果的呼吸作用，在結合溫濕度傳感器所檢測到的溫濕度信息，判斷漿果品質的變化。考慮能量供給控制及有效通信距離，設計融合溫度傳感器、濕度傳感器、CO2傳感器、加速度傳感器和震動傳感器的ZigBee感知節點模塊，其結構示意圖如圖1所示。

圖1 感知節點模塊框架圖

匯聚節點安裝于駕駛室內，既要實現與下層車廂內各個感知節點的通信，也要實現與上層后方管理平臺的通信，因此設計中采用ZigBee CC2530實現與感知節點的通信，考慮林區移動通信覆蓋有限的難題，采用北斗通信模塊，利用其短報文通信功能實現匯聚節點與后方管理平臺的通信。匯聚節點負責接收匯總感知節點采集的數據、數據存儲、數據處理、數據可視化、閾值提醒和向北斗模塊上傳感知數據等功能，其結構示意圖如圖2所示。

圖2 匯聚節點模塊示意圖

3.2 ZigBee感知節點和匯聚節點軟件設計

在進行ZigBee感知節點和匯聚節點的軟件設計中，針對溫度傳感器、濕度傳感器、加速度傳感器及震動傳感器所采集數據格式的不同，根據數據傳輸的要求，分別設計專門的數據處理程序，規范數據格式。基于時分復用的分配型MAC協議和以數據為中心的路由協議，考慮通信過程中可能會發生的通信沖突，采用Z-Stack協議棧實現各ZigBee感知節點與匯聚節點的自動組網通信功能，當發生數據碰撞沖突時，發送節點會執行退避算法，延遲一段時間后才再次嘗試發送。具體流程如圖3所示。

通過匯聚節點發送指令進行組網和網絡地址的分配，若網絡組建成功，感知節點則進行自身參數的配置和環境信息的采集，而未成功加入網絡的感知節點則進入睡眠狀態，等待下一次的組網指令，成功加入網絡的感知節點將自身所采集的環境感知數據等信息上傳至匯聚節點，匯聚節點對所接收到的各節點數據進行匯總處理并存儲，等待上傳給北斗短報文通信模塊將數據提供北斗通信衛星以短報文的形式發送給遠程的后方監測管理平臺。

最后，進行ZigBee感知網絡的規劃，根據運輸漿果的數量和運輸車輛的格局，結合無線傳感器網絡通信距離的限制，確定車廂所需要感知節點的個數，對感知節點進行合理布局，實現對運輸車輛運行狀態（加速度、震動）和漿果實時品質（溫濕度、CO2濃度）的實時監測。通過組網調試，檢驗所設計ZigBee感知網絡的具體工作狀況，并根據測試所發現的問題對感知節點和匯聚節點的軟硬件系統進行改進。最終完成基于ZigBee CC2530的感知節點和匯聚節點模塊硬件和軟件設計，實現感知節點能夠可靠的采集溫濕度、CO2濃度、加速度和震動等車輛和車廂環境數據；匯聚節點實現實時接收感知信息并實時顯示，對超過閾值的感知信息能夠實現自動報警提醒，并保障與感知節點和北斗通信模塊通信的穩定。

圖3 感知節點及匯聚節點軟件控制流程圖

4 基于北斗通信的漿果運輸過程智能監測系統研究

將智能監測系統劃分為車載系統和遠程企業后方管理平臺兩部分，如圖4所示。由于林區基站布局較少，覆蓋面積比較局限，采用移動通信在林區實現實時通信比較困難，因此林區漿果運輸狀態感知數據匯總到匯聚節點向后方企業管理平臺的傳輸需要新的途徑。我國北斗通信定位衛星特有的短報文雙向通信功能現已實現全國覆蓋，因此林區中遠程的數據傳輸采用北斗通信定位衛星的短報文功能來完成。

車載系統包括感知節點模塊、匯聚節點模塊和北斗通信定位模塊，其中匯聚節點模塊和北斗通信定位模塊安置于駕駛室內，匯聚節點負責實現各感知節點的數據實時匯總、存儲、顯示及對超閾值感知數據的提醒，方便駕駛員實時掌握車廂內漿果的運輸狀態。為方便企業后方對運輸過程的管理，ZigBee匯聚節點還設計有與北斗通信定位模塊的串口通信，通過格式化各傳感器運輸狀態數據，編寫程序，利用北斗通信定位模塊特色的短報文通信功能，將漿果的運輸狀態感知數據實時傳送給后方的企業管理平臺。北斗通信定位模塊自身還可以實現對車輛位置的實時定位，并將位置信息也提供給后方管理平臺，以方便后方管理人員的車輛進行調控。

企業后方管理平臺主要實現北斗衛星發送數據的接收、數據存儲、數據處理、數據可視化，從而使得后方管理人員能夠實時獲取運輸車輛及漿果運輸狀態的實時信息，并能夠通過北斗衛星的短報文功能，將相應的管理指令發送給車載系統，達到前方車輛與后方管理平臺實時通信的目的。

圖4 智能監測系統結構示意圖

5 結論

針對林區野生漿果冷鏈運輸的特殊條件，采用ZigBee CC2530低功耗短距離射頻通信技術，融合多種功能傳感器，對感知節點和匯聚節點進行了硬件和軟件設計，建立了漿果運輸狀態監測無線傳感器網絡，實現了對冷鏈運輸車輛運行狀態和漿果實時品質的實時監測。針對林區移動基站通信覆蓋面積有限，無法實現運輸車輛與后方企業管理人員實時通信的問題，采用北斗定位通信衛星的短報文功能，實現了車載運輸狀態數據感知向后方企業管理平臺的傳輸，以及后臺管理人員管理指令向車載系統的傳輸，建立了基于北斗通信的漿果運輸過程智能監測管理系統。該技術的應用，能夠提高漿果運輸過程的管理水平，降低運輸過程對漿果品質的影響，促進林區天然野生漿果的市場推廣，推動林下經濟的高質量發展。