基于RFID技术红酒温湿度监测系统设计

何健　郝学韬　曹恩欣　郑平

摘 要：影响红酒品质的关键因素是温湿度，稳定的温湿度环境对高品质红酒储存和运输质量极为重要。为解决红酒储运过程中温湿度实时监测问题，可利用RFID无线传感技术自动采集酒品温湿度数据，实现对被测酒品的温湿度监控和追溯。文中介绍了温湿度电子标签、读写器以及通信协议的设计方法，同时给出了防碰撞设计和系统各功能模块的设计方案，并结合实际应用给出了监测数据图表。本系统具有功耗低、信息量大、可多点实时监测、保存和打印温湿度数据并生成曲线图等特点，可为酒品质量安全监测提供有力的技术支持。

关键词：RFID；温湿度；实时；防碰撞

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）12-00-03

0 引 言

温湿度数据采集在现代化工业领域有着非常重要的作用，如在红酒、食品、印刷等行业的生产和储运过程中，对温湿度都有着严格要求，一旦超出规定范围，将会对产品造成重大影响。传统的温湿度数据采集主要通过人工抄录方式来完成，但在恶劣环境下或储运过程中难以实现人工抄录，在这种情况下，市场迫切需要一种新型的采集方式来解决上述问题。随着物联网技术[1]的发展，基于RFID技术[2]的无线数据采集系统将成为监控环境变化的最佳监测手段。

RFID（Radio Frequency Identification，无线射频识别） 系统主要由读写器、电子标签和计算机网络等几部分组成。电子标签分为无源、半有源和有源三种类型。本文介绍的RFID温湿度采集系统是采用有源电子标签，这种电子标签集成了温湿度传感器、无线收发芯片、存储芯片和供电电源，集“传感识别”、“录入存储”、“无线传输”等功能于一体，实现了无需人工抄录的电子采集方式，解决了由于环境因素造成的数据采集无法实现的问题，并能做到实时监测报警。基于RFID技术温湿度标签组成的监测系统有效防范了储运过程中可能发生的影响产品质量安全的各类风险，保障了储存和运输过程的产品质量。

本文阐述了利用有源电子标签采集红酒储运过程中温湿度数据的过程，并利用2.4 GHz无线收发模块[3]将数据发送到读写器中。读写器经数据处理后通过网络接口将数据实时上传到后台数据库，以供使用者实现对被测物品的温湿度监控和追溯。此技术成果已在王朝葡萄酿酒有限公司陈酿型干红葡萄酒上进行了试点应用，有效地解决了酒品在储运过程中温湿度实时跟踪的问题，为酒厂事故责任鉴定提供了有力的技术支持。

1 需求分析

红酒的运输是其生命周期中比较重要的环节，与其他产品的区别是它容易受到环境的影响产生变质。影响红酒品质的关键因素是温度和湿度，过高过低都会造成红酒的品质和相关的口感出现问题。

红酒一般都是750 ml，要求恒温保存和运输（温度12-14℃和湿度65%～80%），而在运输过程中，则有可能会出现超温超湿的现象，所以我们要对其进行温度和湿度的监测和控制，这就需要准确地记录运输过程中环境温度和湿度的变化情况。如果运输过程是外包的，利用这些数据就可以有效地对运输公司进行监督，从而保证红酒的品质。

其次就是红酒的储存。红酒一般要求放置在恒温恒湿的环境中，也就是我们常说的酒窖，而酒窖大多设置在地下，所以，我们就要对地下储存环境进行温湿度的监测和控制。在红酒的储存过程中，要想将红酒的味道和香气最好的发挥出来，就要保持一定的温度和湿度。红酒理想的窖存温度为10-15 ℃、湿度在75%左右，过度的温度变化促使酒加速成熟，过度的湿度变化导致木塞腐烂或收缩，造成酒品自然氧化。本系统对温湿度进行集中监测，如果超温超湿了，就可以在第一时间通过电话和短信的方式来通知值班人员，这样就可以确保红酒的品质。

2 系统硬件设计

本系统硬件主要由温湿度电子标签、天线、读写器、计算机系统（装有温湿度监控软件）组成。

电子标签主要由高精度温湿度传感器和无线传输模块构成。温湿度传感器采集现场温湿度并将值存入电子标签中，通过无线传输模块传输数据。读写器接收到来自电子标签的数据后，经过算法处理将数据通过网络接口传送到计算机上进行分析。

2.1 温湿度电子标签的设计

温湿度电子标签主要由微处理器、温湿度传感器、射频模块、存储器、电池等几部分组成。电子标签通过射频模块进行无线数据信号的收/发，存储器存储标签的身份识别码、酒品的属性及历史数据等信息，温湿度传感器用来检测红酒所处环境的温度和湿度。

标签采用“主动方式”进行工作，将采集的温湿度数据通过无线射频方式实时传送给读写器。标签供电采用CR3032 的3 V纽扣式锂电池，电池可更换，

一般情况下，单电池提供的能量可以保证标签连续工作3～5年时间左右。所以在标签的设计中降低功耗，延长电池寿命十分必要。

微处理器采用超低功耗单片机MSP430G2553[4]，其架构设计与5种低功耗模式相结合，为便携式测量延长电池使用寿命提供了保证，其待机模式耗电仅为0.5 μA。

温湿度传感器采用低功耗数字式芯片SHT20[5]。该传感器在测量和传输完成后将自动转入休眠模式，等待下次命令的开始，从而降低传感器模块的功耗，该传感器的平均功耗为3.2μW。

射频模块采用低功耗收发芯片nRF24L01P[6]，芯片预置了两种待机模式和一种掉电模式，掉电模式下的耗电为900nA ，待机模式下的耗电为22 μA。标签在空闲时进入掉电模式，只有在发送/接收时进入发送和接受模式，通过这样的模式转换有效降低了功耗。

2.2 读写器设计

读写器主要由天线、主控芯片（MCU）、射频模块、网络通讯模块等几部分组成。STC12LE5A60S2[7]为主控芯片（MCU），nRF24L01P作为RFID射频通信模块，W5100[8]作为网络通信模块。

STC12LE5A60S2作为主控芯片，它比传统的8051快8-12倍，具有高速低功耗超强抗干扰的特点，满足设计要求。

nRF24L01P通信模块以2.4 GHz定向天线为载体与标签进行数据交换。读写器通过计算机设置接收功率，最大支持32级功率控制，以实现接收距离的调节。

W5100网络通信模块完成与后台数据库的数据交换，其内部集成 10/100 Mb/s 以太网控制器，全硬件的 TCP/IP 协议栈[9]极大地简化了编程。

读写器设计为主动接收模式。电子标签将采集到的数据通过无线射频模块发送给读写器，读写器将接收到的数据进行去重处理后通过以太网接口将数据传输到服务器进行数据分析。当发生断网时，读写器存储标签采集的数据，待网络恢复后再行上传。

3 系统的软件设计

系统设计为主动式上传的TCP/UDP工作模式。这种工作方式尤其适合高速移动的目标，可在极短的时间内进行多标签的快速识别与数据传输。由于在读写器信号作用范围内往往存在多个标签，同一时刻有两个或者以上的标签向读写器返回信息时将产生碰撞，这一现象称为标签碰撞。所以在系统软件设计中防碰撞算法[10]的设计至关重要。

3.1 系统功能设计

本系统的功能模块设计共分为7个模块，图1所示为本系统的功能体系图。

（1）用户安全管理系统：设置用户的管理权限，设置读写器密钥。

（2）设备管理系统：对读写器的各个参数进行设置，包括通信速率、增益、过滤时长、标签类型等。

（3）网络管理系统：对读写器的网络通讯参数设置，包括IP地址、网关、通信模式、端口等。

（4）数据库管理系统：完成数据库数据的导入导出、备份、恢复、查询、删除、报表管理等。

（5）实时数据采集系统：经过过滤算法完成温湿度标签的读取，由标签信息实时状态显示窗口实时显示温湿度标签信息。格式为：标签ID+温度值+湿度值+电压状态。

（6）历史数据采集系统：对单个标签进行设置，包括采集的起始记录、时间间隔等，对标签采集的数据进行显示并生成曲线图。

（7）报警管理子系统：根据不同应用设定温湿度检测的上下限，超出预警值将进行报警并发出短信通知。

3.2 标签与读写器通信设计

标签与读写器的通信数据格式参见表1所列，其中数据头为用户自定义，标签ID为用户定义的逻辑编号，校验值为所有数据校验和。

读写器在完成射频芯片初始化后就进入接收模式，等待电子标签数据的到来。如有数据到来则首先判断数据是否合法，如数据合法则送MCU处理，MCU通过特定算法将数据处理后再加上自身的编码通过以太网接口送到后台服务器进行数据分析。

读写器与标签的通信流程如图2所示。有源电子标签将采集到的温湿度数据值，以不同时间间隔不断地向读写器发送。本系统无线收发芯片nRF24L01P的收发模式是Enhanced ShockBurstTM方式。当读写器正确收到标签数据后会发出一个应答信号，以便标签检测有无数据丢失。如果没有应答信号标签重发数据包，系统设定重发次数为3次，超过3次则生成随机延迟时间，重新采集数据再次发送。

3.3 系统防碰撞设计

本系统为获得较高的标签识别效率，选用具有载波检测功能的芯片nRF24L01P。设备在接收数据前先检测载波信息和地址匹配信息，只有当载波存在且发送地址正确时才接收数据包，发送数据前也要先转到接收模式侦听，确认要传输的频率通道未被占用方才转入发射模式发送数据。此功能可以实现简单有效的防碰撞。

载波检测虽然可以在很大程度上减少冲突发生的可能，但是如果在同一时刻发送数据的标签太多，冲突还是会发生，并且会造成信道利用率降低。设计考虑到所有的标签都是按照每隔400 ms发送数据，有冲突的可能性存在。为了进一步减少冲突发生的机会，所以在程序设计中使用随机函数产生定时间隔。不管电子标签是否被识别，都会随机地退避一段时间，该退避时间是在350 ms～450 ms之间产生的随机数，再加上nRF24L01P每次发送之前有载波检测功能，这样就使得系统的碰撞机率大大降低。

4 系统应用

将RFID有源温湿度标签加载到红酒包装箱（目标物品）上，待装运出发后持续记录物品所处环境的温湿度。一般有两种应用模式，一种是电子标签记录并存储采集的数据，在每个中间站点或目的地一次性上传，物流管理平台整合所有上传数据，分环节监控物品质量；另一种是在运输车辆/船舶上设置GPRS[11]实时传输设备，物流管理平台能够不间断地对目标酒品进行监测。这两种模式的唯一区别在于，后一种即实时模式能够起到抢救部分贵重酒品的作用，而不仅仅是像前一种模式那样只能鉴定酒品是否遭到损坏。当然，有源电子标签标识的是指定包装单位，同一个集装箱内的不同包装单位可以通过安装多个有源标签进行监测。

将ID=921标签粘贴在红酒的包装箱上，随酒品一同运输记录的温湿度曲线如图3所示。

图3中显示的是集装箱内测试点24 h的温湿度记录曲线，上面的曲线代表湿度值，从图中可以得出RH=73%，下面的曲线代表温度值（华氏），从图中可得出温度值T=54?F/12.2℃。

红酒的预警值设定温度范围为5℃～20℃，湿度范围为50%～85%。从测量结果看出温度和湿度都没有超出警戒线，其均在预定报警值的上下限范围内，故没有产生报警。

系统将采集的数据保存到中央服务器，用户可将特定时段的数据提取出来进行分析和打印。通过分析测试数据可以有效预防事故的发生，给酒厂或酒品研究提供有效的数据分析手段，这些数据也是责任认定的有力证据。

本系统的应用为厂商节约了大量的人力开支，也为高档酒品的储运环境监测提供了高效便捷的监管工具。

5 结 语

本文设计的基于RFID技术红酒温湿度监测系统，目前已成功应用于红酒储存和运输等场所，并随着市场的不断扩大逐渐推广应用。本系统设计的载波检测和随机时间函数间隔发送数据法的防冲突措施已基本满足实际需求。但标签防碰撞问题尚未彻底解决，在大量标签应用的实际环境中，还需要考虑其他措施，比如读写器和标签的分区域控制，或者采用专门的防碰撞算法。目前，本系统识别率高达200张/秒，实现了物体快速采集的功能，为药品、食品、易变质产品冷链物流管理和仓储管理提供了很好的解决方案，其使用价值和应用价值十分广泛。

参考文献

[1] 暴建民.物联网技术与应用导论（战略性新兴产业系列丛书——物联网）[M].北京：人民邮电出版社，2011.

[2] 游战清，李苏剑.无线射频识别技术（RFID理论与应用[M].北京：电子工业出版社，2004.

[3] 单承赣，单玉峰，姚磊，等.射频识别（RFID）原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2008.

[4] MSP430x2xx Family User's Guide[R].Texas Instruments，2013.

[5] Datasheet_SHT20_V2_C1[R].Sensirion sensor，2011.

[6] nRF24L01+ Product Specification[R].Nordic Semiconductor，2008.

[7] STC12C5A60S2_PDF[R].宏晶科技，2011.

[8] W5100数据手册[R].WIZnet Co.，Ltd，2014.

[9] 兰少华，杨余旺，吕建勇.TCP/IP网络与协议[M].北京：清华大学出版社，2006.

[10] 陶云聪.RFID系统多标签防碰撞算法研究[D].重庆：重庆大学，2010.

[11] （美）R.J.（Bud）Bates.通用分组无线业务（GPRS）技术与应用[M].北京：人民邮电出版社，2004.