无线传感器网络在食品冷链物流监控中的应用研究

毕思远　李金峰　徐臻　付辉　林季敏　朱海

摘要物联网作为解决食品冷链物流监管不严的有效手段，成为各国关注的焦点，但由于物联网存在高功耗、可控距离短和价格昂贵等缺陷，限制了其在食品冷链物流中的推广，随着基于ZigBee技术的无线传感器网络成为物联网的核心技术，很好地解决了这些问题。利用基于ZigBee技术的多频段组网协调器和木质卡板监控系统，使用价格较低且布置密集的传感器，由无线传感器作为多跳路由进行传输，并结合RFID、GPS和GPRS等技术达到多频段密集采集数据，长、短距离传输自主切换，低功耗和低投入等目的，加快物联网在食品冷链物流中的应用和食品安全监管规范化的进程。

关键词物联网；无线传感器网络；食品冷链物流；多频段组网协调器；木质卡板监控系统

中图分类号S1269文献标识码A文章编号0517-6611（2014）22-07553-04

作者简介毕思远（1983- ），男，山东济南人，讲师，博士，从事食品安全检测和毒物分析研究。

收稿日期20140630近年来，食品安全问题日益突出，从食品的生产、运输到餐桌，每一步都十分紧要，尤其是一些需要低温储存的食品，在运输和储藏过程中发生变质的现象十分常见。低温储存的食品对储运环境有较高的要求，而目前对于冷链物流环节的监管力度相对薄弱，如何加强对食品在冷链物流过程中的实时控制成为保证食品质量的重要一环。目前的控制现状主要是通过纸质证书、密封标识和车载车厢温度记录仪相结合的手段来保证冷链物流中温度的控制和冷链物流过程中食品品质的监控，而这些监管手短均存在一定的缺陷，如证书内容与实物的一致性、食品在运输途中的可置换性以及运输途中温度监控的准确性等[1]。那么就需要一种更有效的和可实时的监控手段来提高冷链物流食品的安全性。

冷链运输的货物多以动物源性食品和果蔬类食品为主，其品质、保鲜度受环境温度影响极大，与消费者健康关系又非常密切，在消费者和各媒体对于食品安全高度关注的环境下，公众的眼光已逐渐从食品源头和加工安全等核心内容转移到物流和储存等相关的外围领域[2]。无论是乳制品还是其他生鲜等产品在运输和存储过程中都需要冷链监控系统作为保障，开发研制可靠性高、性价比高的冷链温度监控系统来监控乳制品和生鲜产品在储运过程中的温度变化和微生物量的变化是现代冷链物流发展的关键所在。

现代物联网（Internet of Things）技术的应用为解决食物冷链物流问题带来新的希望，而无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）在物联网中担当者连接传统网络的重任，这就使得对WSN在食物冷链物流中的研究开始逐渐增多。

1无线传感器网络概述

从日本的“UJapan”计划、韩国的“UKarea”、美国的“智慧地球”、欧盟的“物联网行动计划”以及我国的“感知中国计划”可知，物联网的应用已经受到世界各国的紧密关注，并且已经处于应用的初级阶段[3]。

物联网主要是指解决物品到物品、人到人和人到物之间， 可以让能够独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络[4]，其核心技术是通过信息传感设备，实时采集需要监控、连接、互动的物体或者过程，对其光、声、热、电、化学、力学、生物和位置等各种信息进行采集，并结合互联网达到信息实时传输、监控的目的，尤其是应用于冷链食品安全中，就需要将无线传感器网络与RFID、GPS和GPRS等多种技术进行整合、优化和升级，达到对食品冷链物流过程中各项指标的智能化监控[5]。

无线传感器网络作为物联网中的关键技术，同时覆盖物联网构架的3个层次（感知域、网络域和应用域），是由部署在监测区域内大量微型传感器节点组成，通过无线通信的方式形成一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。随着无线通信、嵌入式计算和传感器等相关技术的日益成熟，无线传感器网络的研究与应用也越来越广泛。无线传感器网络体系包括分布式传感器节点、目标节点（Sink）、Internet和用户端。目标节点也就是数据中心，其处理能力、存储能力和通信能力都相对较强，可同时连通传感器网络与外部网络，从而实现协议栈之间的通信互换，用户可以通过互联网或者卫星与目标节点进行通讯[5]。

1.1基于ZigBee技术的多频段组网协调器技术ZigBee多频段组网技术是一种部署无线传感器网络的新技术，是一种介于无线标记技术和Bluetooth之间的短距离、低速率和低功耗的无线通信技术。此技术利用ZigBee芯片与ARM芯片相连，并且分别工作于不同的频段上，分别完成ZigBee网络的组件，当收到来自不同网络的信息后，分别在不同的ZigBee芯片上处理，最后将采集到的数据和命令发往ARM芯片处理，由于可在多个频段同时工作，这就减小了相互之间的干扰，同时提高了工作效率[6]。

图1中，ZigBee芯片和ARM芯片相连，而外部存储器、液晶屏、电源模块、时钟、按键和LED与ARM芯片相连。ZigBee无线调制解调器（Modem）和一种低功耗的微处理器（MCU）构成ZigBee芯片，主要功能是负责ZigBee组网、无线通信和处理传感器模块数据等功能，然后和ARM芯片通过非同步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART ）连接[6]。

图1基于ZigBee技术的多频段组网结构1.2基于ZigBee技术的木质卡板监控系统新研发的基于ZigBee技术的木质卡板监控系统包括控制中心和多个带有GPRS模块的ZigBee路由器节点以及木质卡板终端监控设备（图2）。其中，ZigBee路由器节点通过GPRS与控制中心相连，而ZigBee路由器节点与木质卡板终端监控设备无线连接。由于该卡板上加装了传感器节点，所以可以做到唯一标识，并且做到非接触式读取，同时可以对高温消毒过程实现有效的监管，还可以记录每次通关时间，这就非常显著地提高了对卡板地监管力度，同时极大地提高了监管效率[7]。

图2基于ZigBee技术的木质卡板监控系统2无线传感器网络特点

2.1节点众多，分部密集在整个目标监控区分部数量巨大的传感器节点，这样就可极大地提高了监控区域的范围和监控的精度，以及减少监控盲区的出现，同时利用传感器之间的高度连接性来保证系统的容错性[8]。

2.2自由组网网络的布施和展开不依赖于任何网络设施，各节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，自动地组成独立网络，进行自动管理和自动配置[9]。

2.3以数据为主由于节点设计的灵活性，就使得节点编号与传感器网络之间的关系是随机动态的，因此，对于无线传感器网络通信来说，传感器所采集的事件比确定编号节点更加重要，也就是以数据为中心[9]。

2.4无中心无线传感器网络中各个节点之间的地位是平等的，是一个对等式的网络，节点可以随时地加入或者离开网络，节点的无中心性赋予整个网络具有很强的抗毁性[5]。

2.5多跳路由由于网络节点的通信距离有限，一般在几十米到几百米的范围内，所以各节点间只能寻找短距离目标通信，这样就需要中间节点进行路由。多跳路由使用网关和普通网络节点来实现，这样每个路由就同时充当了信息的发起者和转发者[5]。

2.6动态拓扑由于网络节点加入整个网络的随机性，使得整个网络的拓扑结构随时地在发生变化，因此，无线传感器网络应该具有动态拓扑组织的能力[10]。

2.7多频段、非接触式读取由于该设计使用了基于ZigBee的多频段组网协调器技术和木质卡板监控系统，所以达到可以多频段、非接触式读取标识的效果。这就大大提高了整个无线传感器网络的工作效率，并弥补了功耗大的缺点[6-7]。

3无线传感器网络在冷链物流中的组织结构

由于无线传感器网络采用微型传感器节点组成的传感器网络，且采用对等式节点拓扑布置传感器网络，在较集中的监测区域内布置传感器网络，然后通过网关与控制中心进行通信，是一个以数据为中心的传感器网络，网关节点融合的数据相当于来自一个分布式的数据库。

图3所示是一个层次型网络机构，最底层为部署在实际监测环境中的传感器节点，向上依次为传输网络、基站，最终连接到Internet。此系统构架可分为3个部分：感知域、网络域和应用域。其中，图3食品物流冷链控制监测中的系统体系结构感知域主要是实现对兴趣信息的采集和处理，采用的主要技术手为无线传感器网络技术，主要节点包括传感节点、汇聚（Sink）节点；网络域主要是实现传感器网络信息的承载和传送，如Internet网、移动通信网络、卫星通信网等；应用域主要是实现对获取到的信息的表示及分析应用，主要是信息管理节点。

4移动节点的构成

4.1低成本节点布置方案在货柜或集装箱上安装无线传感器网络节点，RFID读卡器、传感器、GPS以及GPRS等模块作为外挂模块与其连接，无线节点采用路由器设计，当货柜或集装箱处于监管区域时，无线节点加入监管区域的无线传感器网络并传输数据，被监管物品由RFID标签标识，监管人员可以通过无线传感器网络发送命令，启动RFID读卡器，读取内容物的信息，同时无线节点定期唤醒传感器和GPS，记录环境信息、位置和速度等信息，存储于内部数据库中。当环境参数超标和运载工具未按预定路线行驶时，无线节点启动突发传送，上传警报信息，一旦集装箱或货柜脱离无线传感器网络时，所有的警报信息传输由GPRS负责（图4）。

图4低成本节点布置结构42卷22期毕思远等无线传感器网络在食品冷链物流监控中的应用研究这一节点的布置方式成本低廉、结构简单、功能可满足现有需求，但存在一定的监控盲区。以冷冻食品为例，在产品生产完到进入冷库之前，冷冻食品有一段时间处于受控环境外，可能因受到污染或环境温度超标引起的品质变化，而系统无法得知；作为一种折衷的处理方法可以在食品生产商信息装载完成，且脱离受控环境后，在食品生产商信息的RFID中记录时间，回到受控环境后再次读取时间，得到脱离受控环境的时间长度，从而间接推断其承载货品受影响的程度。同时，此布置方式对食品生产商信息的监控力度较弱，不能自动记录食品生产商信息。

4.2全功能的布置方案在食品生产完成后在食品生产商信息上加装无线传感器节点，实时记录食品生产商信息及其承载物的周边环境信息，货柜或集装箱上的无线节点只完成路由功能，路由节点定期唤醒传感器节点读取数据，在无线传感器网络覆盖的区域，食品生产商信息上的节点可以通过路由器节点独自加入网络实现通讯，处在网络之外时可以通过路由节点使用GPRS上报数据与报警信息，当路由节点不可见时，则传感器节点定期采集环境信息并记录在本地数据库中，待加入网络后再上传数据（图5）。

此节点布置方式将环境信息的采集和记录放在食品生产商信息上进行，由于在运输过程中食品生产商信息为最小转运单位，不会与其上的承载物分离，所以可以避免监测盲区的出现。由于食品生产商信息存在易伪造和易出错的缺陷，一旦食品生产商信息加装了无线传感器网络节点，一方面，可以标识每次食品离境时间；另一方面，食品运输工具上带的温度传感器可以准确无误地记载食品生产商信息是否接受合格的消毒处理程序。但全功能节点布置方式成本较高，且网络拓扑结构复杂，实现难度相对较高。

这两种方案各有优缺点，可从第一种方案方便升级到第二种方案，也可两种方案兼容并存，按需求选择。