姚 洁, 邱 劲
(1. 福州外语外贸学院, 福州 350000; 2. 福建省高速公路有限责任公司福州管理分公司 福州西监控分中心, 福州 350000)
基于WSN的冷链物流监控系统的研究
姚 洁1, 邱 劲2
(1. 福州外语外贸学院, 福州 350000; 2. 福建省高速公路有限责任公司福州管理分公司 福州西监控分中心, 福州 350000)
为了对冷链物流状态进行实时监控, 减少运输环节的“断链”现象, 设计了基于WSN的冷链物流监控系统. 该系统以ZigBee网络为基础组建了无线传感网络, 实现对冷藏车温湿度的控制. 再由协调器节点控制各传感节点监控工作.最后由协调器节点通过GPS和GPRS结合的通信模块将相关信息发送到监控中心. 监控中心采用B/S构架, 方便用户实时查询冷链物流信息. 通过测试表明, 该系统能极大方便产品企业、物流企业和消费者对冷鲜产品的实时监控和车辆定位等服务, 有效降低了冷鲜产品的损失率.
冷链物流; 监控; ZigBee; 无线传感网络
随着经济的发展和人们生活水平的提高, 对冷鲜食品的需求也进一步加大. 我国冷鲜产品腐损率一直居高不下(果蔬为20%~30%、肉类为12%、水产品为15%), 每年果蔬损失高达4807万吨、肉类为555万吨、水产品为730万吨. 而发达国家冷鲜品的腐损率低于5%. 损耗率高的原因在于冷链物流体系全面落后. 许多低温处理的农产品在运输、销售等环节时常出现“断链”现象, 全程冷链监控的比率过低. 因此,产品在运输中是否按要求存贮、存储环境的实时监控、运输车的实时定位等都成为产品生产者、物流公司及消费者关心的问题. 随着物联网的推广, 国内外对冷链物流的实时监控系统有了进一步的发展. 例如,文[3]设计的系统将监控深入到生产环节, 但是其缺少实时监控, 无法适应冷链物流监控. 而其他冷链实时监控系统, 虽然功能能够满足冷链物流的实时监控, 但基本都采用GSM模块作为其协调器节点, 产生的通信费用较高且传输速度较低.
本文从如何有效方便地让物流公司和产品企业通过终端设备获得产品的运输存储信息和位置信息,消费者又能方便、快捷地查询产品溯源入手, 提出基于WSN的冷链物流监控系统, 以期达到产品企业、物流企业、消费者共赢的目的[1~3].
WSN环境下的冷链物流监控系统主要由三部分组成, 如: 冷藏车车载监控平台、骨干传输网络和监控中心. 系统结构图如图1所示.
(1) 冷藏车车载监控平台通过无线传感网络实现冷藏车车内组网. 即利用分布在冷藏车内的多个传感器节点采集车内的湿度和温度并通过Zigbee网络传输实时信息.
(2) 骨干传输网络采用GPS+GPRS通信模块, 负责将采集到的实时温度和湿度信息结合定位信息封装成TCP/IP数据包, 通过通讯网(2.5G)发送到监控中心.
(3) 监控中心负责将从骨干网收集到的数据(如温度湿度信息、车辆当前位置等)存储到数据库中, 再结合上位机软件进行设置, 方便用户的实时监控和查询.
图1 系统架构图
2.1 硬件设计
硬件系统结构图如图2所示.
图2 硬件系统结构图
2.1.1 Zigbee网络硬件设计
Zigbee网络主要负责对冷藏车车内的温度和湿度进行实时采集和传输. Zigbee网络主要由传感器节点、路由节点和协调器节点三部分构成:
(1) 传感器节点负责实施监控车内温湿度并发送数据;
(2) 路由节点用于构建Zigbee网络;
(3) 协调器节点是车内主网的控制系统, 负责接收传感器节点发来的温湿度信息、GPS定位的数据,最后, 通过GPRS移动通信模块(2.5G)将数据传输到远程控制中心.
无线传感器节点是WSN的关键组成部分, 因为感知、处理和通信都是靠节点来完成的, 节点存储数据并执行通信协议和数据处理算法. 传感器节点由传感器子系统、处理器子系统、无线通信模块和能量供应模块四部分构成. 为提高系统的可靠性和集成性, 采用无线传感网络片上集成系统来实现. 通过比较多种自带内核并符合IEEE 802.15.4规范的Zigbee网络协议芯片, 本系统采用CC2530片上系统解决方案. CC2530芯片还带有8051CPU、128KB系统内可编程闪存、2个支持多种串行通信协议的强大USART、21 个通用I/O 引脚. 它能够低功耗、低成本、高灵敏度地建立强大的网络节点[4,5].
CC2530芯片自带模拟温度传感器, 但其获取温度范围较小, 考虑到冷藏车内空间较大等因素, 还需使用外部温度传感器, 两者同时来获取温湿度数据. 本系统采用了DS18B20温湿度数字传感器, 测温范围−55℃~+125℃, 体积小, 适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域. 在使用中不需要任何外围元件, 具有节点低功耗、电路简单的特点, 同时灵敏度高, 在温度突变情况下其温度转换时的延时时间为750ms; 安装方便, 用杜邦线将之与传感器节点相连接即可.
路由节点和协调器节点包括微处理器、无线传输模块和电源这几个部件. 通过对传感节点芯片的选择分析, 该芯片模块完全满足其需求, 增强了系统的兼容性. 同时, 还可以根据用户自己需要编程调试, 构建ZigBee网络. 芯片拥有的两个串行接口可与GPS模块和GPRS模块实现无缝传输. 因此系统也采用CC2530作为路由节点和协调器节点.
2.1.2 GPS+GPRS通信平台设计
通信平台主要负责将ZigBee网络中协调器采集到的实时数据信息和车辆定位信息通过GPRS网络传送到上位机监控中心.
通信平台采用杭州晶控电子有限公司开发的GPS和GPRS二合一模块, 即SIMCOM GPRS模块与SIRF StarIII Gstar GS-89 GPS模块相结合. 该模块保留了原来SIM300 GPRS和GPS的全部功能, 还新增加了蓝牙接口资源, 方便外部设备接入. 该二合一模块的源程序包可以实现将接收到的定位信息通过GPRS移动通信方式发到上位机,提高了兼容性和可靠性. GPRS通信模块与ZigBee网络中的协调器节点相采用串口或者TTL口相连接, 将实时采集到的温湿度信息结合GPS定位模块输出的时间、经度、纬度、速度等相关信息通过短信或者GPRS连接到Internet传输到监控中心[6].
图3 WSN传感器节点工作流程图
2.2 软件设计
WSN传感器节点和协调器节点在EW(IAR Embedded Workbench)开发环境中通过ZigBee通信协议实现自组网. ZigBee网中各节点采用的CC2530芯片能够无缝支持ZigBee协议. 通信模块由于使用GPS+GPRS通信模块, 因此不要另行开发, 可以直接在EW中通过AT指令完成调试.监控中心上位机采用B/S开发模式,用户可以通过Internet访问上位机得到实时数据.
2.2.1 ZigBee 网络软件实现
传感器节点启动后首先发送入网信息, 一旦同意入网后, 就听从协调器节点的命令: 若收到数据采集命令,则进行温湿度采集并将结果发送给协调器; 若收到休眠命令, 则进入休眠状态, 直至休眠时间结束再进入如此循环. 其流程图如图3所示.
WSN协调器主要负责组建ZigBee网络, 通过发送控制信号对各个传感器节点进行信息采集, 并按协议打包封装发往通信模块, 通信模块再结合GPS信息通过GPRS模块将信息发送至Internet. 其流程图如图4所示.
图4 WSN协调器节点工作流程图
2.2.2 监控中心上位机软件设计
监控中心负责接收从二合一通信模块发来的数据包, 因此监控中心只需要安装宽带, 将信息接收到服务器中即可.
监控中心上位机软件采用B/S(浏览器/服务器模式)结构, 采用ASP.NET开发前台, SQL Server 2008作为其后台数据库. 主要完成三大模块的搭建:
(1) 终端控制模块: 主要负责发送采集、休眠和入网命令;
(2) 通信模块: 主要负责远程终端访问服务器;
(3) 人机对话模块: 主要负责冷链物流信息管理模块(车辆、人员信息管理)和冷链物流监控模块(物流车辆定位、车内温湿度监控和查询)[7].
本次测试采用福田时代驭菱冷藏运输车, 货箱内部尺寸2600mm×1460mm×1470mm, 是最小的一款冷藏车, 可运输1吨以内的货物. 根据冷藏车体积小的特点, 在箱体顶部对角处和车厢中间放置了3个WSN传感器节点, 在箱体顶部中间放置了1个WSN协调器节点, 并将通信模块放于车头. 所有节点均采用车内电路系统供电. 车辆运行后, 监控中心接收到的数据见表1.
表1 监控数据
本文对基于WSN的冷链物流监控系统进行了研究, 结合ZigBee技术实现了车内数据联网控制, 保证了冷藏车在运输过程中对温度和湿度的实时监控和车辆的定位追踪. 但本文对上位机的研究和开发还不够, 比如上位机的界面还不能满足自动化控制, 定位信息的经度纬度还未与第三方电子地图软件相结合实现实景定位.
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Research on Cold Chain Logistics Monitoring System Based on WSN
YAO Jie1, QIU Jin2
(1. Fuzhou Branch, Fujian Provincial Expressway Company Ltd, Fuzhou 350000, China; 2. Fuzhou College of Foreign studies and Trade, Fuzhou 350000, China)
In order to carry out real-time monitoring of cold chain logistics status, reduce the "chain" phenomenon of transport links, we design a cold chain logistics monitoring system based on WSN. The system based on the ZigBee network, the wireless sensor network is set up to realize the control of temperature and humidity of the refrigerator car. Control of the sensor nodes by the coordinator node. Finally, the communication module which is combined with the GPS and the GPRS is transmitted to the monitoring center by the communication module. Monitoring center using B/S architecture, the user real-time query cold chain logistics information. Through the test, the system greatly facilitates the real-time monitoring and positioning of the products, logistics enterprises and consumers, and can effectively reduce the loss rate of cold fresh products.
cold chain logistics; monitoring; ZigBee; wireless sensor network
TN92
: A
: 1672-5298(2015)04-0032-05
2015-09-21
福建省中青年教师教育科研项目(科技) (JA15584)
姚 洁(1983− ), 女, 福建宁德人, 硕士, 福州外语外贸学院讲师. 主要研究方向: 通信技术