面向水产品溯源的运输环境多参数实时监测系统

刘 臻,袁红春,梅海彬

上海海洋大学 信息学院,上海 201306

面向水产品溯源的运输环境多参数实时监测系统

刘 臻,袁红春,梅海彬

上海海洋大学 信息学院,上海 201306

本文针对水产品运输环境监测参数少、节点分布不科学的问题，提出一种基于无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)与移动终端对水产品溯源过程中的运输环境进行实时多参数监测系统。首先给出了实时运输环境监测系统的总体框架，然后对系统中硬软件设计中涉及多种通信机制的融合、多参数采集结合等关键问题给出了相应的解决方案。该系统设计能够实现全面、准确的运输环境信息采集，较其他方法更有利于监测水产品在运输过程中间的质量问题，更具有实际应用价值。

水产品;运输环境;监测

近年来，随着人们生活水平的提高，水产品在人们的饮食结构中占据着越来越重要的地位，建立水产品的可追溯体系以保证水产品质量安全日趋紧迫[1]。水产品作为一种特殊的农产品，流通过程中易腐烂、变质，因此在生产、加工到最终的消费过程中具有一定的保质、保鲜要求和期限，且主要以鲜活或冷冻形式进行运输[2]。可见在运输过程中创建能全面、准确、实时地监测水产品所处环境的系统，对于水产品的质量保障显得尤为重要。随着物联网和云计算等新一代信息技术的发展，将物联网技术应用到水产品追溯系统的研究已备受研究者关注。

目前，研究冷链物流、水产品运输的学者较多[3-7]。但采用物联网技术，与本文相关的工作还不是很多，其中代表性的工作主要有文献[8,9]，在文献[8]中许敏等研究者设计了基于物联网水产品冷链物流运输监控系统，该系统能够实时采集运输过程中车厢内整体的温度和湿度信息，但运输过程中水产品并不是都和车厢内环境直接接触，而是还有更小的运输箱，显然该系统存在不能准确监测每个运输箱箱体内实际真实环境的不足；在文献[9]中，齐林等研究者设计了基于无线传感网络的水产品冷链物流监控系统，该系统虽然考虑到在周转箱上安装传感器节点，但是其采集参数较少，仅仅采集了温湿度参数。

可以看出，以上研究工作主要还存在以下两个方面的不足：(1)采集数据内容比较单一，大部分都只有温度和湿度这两个参数，而对于影响水产品质量的一些其他参数（如氧气、二氧化碳浓度）的监测则没有。(2)采集节点的分布不够科学，由于水产品个体的差异性，在监测时，不能笼统地只采集车厢内部的参数，而是需要对小环境——每个运输箱中的环境参数进行采集。

针对以上问题，本文结合CC2530的性能特点和工作原理，提出了以CC2530为微处理器和射频收发器的WSN节点。该类节点具有功耗低、监测参数全面且分布科学的特点。通过该类WSN节点及其应用软件，实现了对水产品溯源运输环境中多种参数的采集、处理和显示。

1 系统工作原理与系统架构

1.1 系统工作原理

本系统通过在水产品运输车厢中构建一个WSN来采集每个小运输箱内部的环境参数。整个系统根据其职能可划分为三个层次：采集数据的感知层、数据传输的网络传输层和数据分析及展示的应用层。系统体系结构如图1所示。

感知层由WSN组成，网络通信协议采用ZigBee协议。依据网络中各节点的功能，可将节点分为采集节点和汇聚节点。采集节点与汇聚节点分别对应着ZigBee网络中的终端节点与协调器。采集节点负责收集小运输箱中的环境数据；汇聚节点在收到采集节点的数据后，将数据转发给与之相连的手机端，并从手机端接收命令并广播给其他采集节点。在一辆车的WSN中，存在一个汇聚节点和若干个采集节点。

在网络传输层，手机通过使用移动数据网络（GPRS/3G/4G）将从汇聚节点收到的数据传输到数据存储中心。

应用层主要负责汇总前两层收集到的信息并进行分析，最终展示给用户。

整个系统的网络由WSN、移动数据网和Internet网三网互联而成，WSN负责车厢内部数据信息的近距离传输，移动数据网则负责车辆与数据存储中心之间的远距离数据传输，Internet网络负责数据的远程共享。

1.2 系统架构

基于上述分层结构，水产品运输环境监测系统的架构如图2所示。WSN中各采集节点通过连接三个传感器（温湿度、氧气浓度及二氧化碳浓度传感器）来实时获取运输箱中的环境信息。采集节点在获取到传感器的信息并处理后，通过ZigBee协议传输给汇聚节点；汇聚节点收到信息后，将收到的环境数据利用USB接口传输到手机；手机在加入经纬度位置信息后，按照规定格式封装成包，通过移动数据网络远程发送到数据存储中心。数据存储中心通过接收终端接收手机发送的运输环境信息，接收后按照数据库中的存储格式进行调整并存储。

应用服务器负责从数据库取出数据信息后进行统计分析，并以图表的形式展示给用户。

图1 系统体系结构Fig.1 Systemic structure

图2 水产品溯源运输环境实时监测系统的系统架构Fig.2 Framework of the transportation environment monitoring system

2 WSN节点硬件设计

数据采集、处理、传输以及电源管理单元等模块组成了WSN的节点[10,11]。本系统的数据采集单元由三个传感器组成，用于监测运输箱中环境的多个参数。MCU及存储模块构成了数据处理单元。数据传输单元根据节点类型有一些不同：采集节点采用射频模块来进行WSN内部通信及数据传输；汇聚节点除了射频模块外，还连接了用于远距离传输数据的手机。此外，手机在转发从汇聚节点收到的信息前，还加入了从自身的定位信息，通过整合后再发送到远程服务器上。系统的供电主要采用5V移动电源。针对运输车辆监测的特殊性，在设计节点时进行了相关优化，硬件设计的具体细节如下。

2.1 采集节点

采集节点由微处理器（MCU）、无线传输模块（射频模块）、以及传感器接口组成。为优化电路设计、提高节点的集成度，本系统选用美国德州仪器公司(Texas Instruments，TI)生产的CC2530 F256型无线传输片上系统(System On Chips，SoC)作为微处理器和射频模块的解决方案。CC2530 F256内嵌一个业界标准的增强型8051 CPU，含256KB系统内可编程闪存，其射频前端为适应2.4-GHz IEEE 802.15.4的RF收发器，具有极高的接收灵敏度和抗干扰性能，其能耗也相当低，可以适应2.0～3.6 V直流电源，芯片尺寸6 mm×6 mm。

为了监测运输箱中的温度和湿度参数，采集节点选用的是AM2302温湿度传感器。AM2302是一款输出数字信号的复合传感器，它具有工作温度范围广、分辨率高以及精确度准的特点，温度具有0.1℃分辨率和±0.5℃的精确度，湿度具有0.1%RH的分辨率和±2%RH的精确度。该传感器与MCU之间通过一条数据线相连，使用3.3～6.0V的直流电源对其进行供电。

氧气浓度传感器采用氧气传感器。该传感器具有低功耗、高精度、高灵敏度的特点。氧气浓度传感器通过TX和RX两条线与MCU相连，以模拟串口的通信方式与MCU进行通信。

二氧化碳浓度传感器采用的是MH-410D传感器红外气体传感器。MH-410D二氧化碳气体传感器具有很好的选择性，无氧气依赖性，性能稳定、寿命长。其与MCU的通信方式同氧气传感器，也是使用的模拟串口的方式。采集节点的硬件框图如图3所示。

图3 采集节点硬件框图Fig.3 The framework of hardware in acquisition node

图4 汇聚节点的硬件框图Fig.4 The framework of hardware in sink node

2.2 汇聚节点

汇聚节点除了收集采集节点所采集的环境参数，还负责ZigBee网络的建立和维护，在本系统中，汇聚节点接收上位机（即手机）的数据采集命令并向其传递运输箱中的环境参数。因此，该节点需要由MCU、射频模块、USB接口和电源构成。汇聚节点的也是选取CC2530芯片作为节点的MCU和射频模块。汇聚节点采用USB接口与手机进行通信，本系统采用CH340G作为串口转USB接口芯片，CH340G是一个转接芯片，能实现USB转串口的功能，从而实现手机与汇聚节点的USB通信连接。该芯片使用3.3 V～5.0 V直流电源。汇聚节点的硬件框图如图4所示。

3 WSN节点软件设计

节点上的软件系统开发采用IAR Embedded Workbench for 8051嵌入式集成开发环境，以基于C语言为开发语言的Z-Stack操作系统为基础编写。Z-Stack是TI公司针对CC2530等SoC开发的嵌入式操作系统[12]。手机端软件主要转发汇聚节点通过USB接口传出来的运输箱中的温湿度等监测数据。

3.1 采集节点

Z-Stack是半开源操作系统，用户只需对节点硬件抽象层中的引脚进行定义以及应用层中的函数进行编写。在硬件抽象层中，存储了CC2530与三种传感器通信的引脚定义；在节点应用层中主要编写了系统初始化请求函数，传感器数据采集、存储及发送函数。

采集节点在上电后首先进行自检；自检通过后，对系统进行初始化，通过向汇聚节点发送请求指令，获取采集间隔时间等参数；系统在初始化成功后进入休眠状态；当系统收到汇聚节点广播的数据采集命令或者到达指定的采集时间时，与传感器进行通信完成数据收集。然后将收集的数据通过无线射频模块传输至汇聚节点。采集节点的数据采集、存储及传输的流程如图5所示。

3.2 汇聚节点

汇聚节点也是ZigBee网络中的协调器，与采集节点类似，汇聚节点在通电启动后也是首先执行系统自检；自检通过后完成系统的初始化，初始化包括向手机端请求采集时间间隔等，然后进入休眠状态；当收到手机端传来的指令时，分析并处理该命令；收到采集节点传来的数据时，通过USB端口将数据转发至手机端。汇聚节点的数据接收和转发流程如图6所示。

3.3 手机端

Android手机上客户端软件的主要功能是接收汇聚节点传输来的运输箱环境监测数据。客户端的开发工具是Android Studio 2.1，开发语言采用Java。

客户端软件主程序中声明串口通信类接口uart Interface实例，调用Usb Feature Supported方法检测串口是否有可用设备连接，通过Open Device Listener类开启和进行接收数据的监听，当可用设备连接成功，可通过客户端上的按钮开启接收状态，客户端通过read Thread线程对手机micro-USB接口传入数据的进行读取；读取之后在其中加入手机自身定位模块中获取的GPS数据并进行整合；最后开启异步传输任务建立与数据存储中心Web Server的HTTP连接，通过POST方式向的Web Server提交整合的数据。Android手机端上软件工作流程图如图7所示。

图5 采集节点工作流程图Fig.5 Process on acquisition node

图6 汇聚节点软件工作流程图Fig.6 Process on sink node

图7 手机端接收数据软件流程图Fig.7 Process on mobile terminal

4 数据中心接受终端的软件设计

数据存储中心的功能是通过接收终端接收手机发送的运输环境信息，接收后按照数据库中的存储格式进行调整并存储。软件的开发环境为My Eclipse，开发语言采用Java。Web Server获取手机端以POST方式发送的表单数据，然后向手机端发送确认信息；将收到的信息进行自动调整后以规定的各执存入SQL Server 2008数据库中。数据库中的数据供应用层的各种软件使用。数据存储中心软件工作流程图如图8所示。

图8 数据中心接收数据软件流程图Fig.8 Process on software in data center

5 系统实验测试

根据节点的原理图，使用Altium Designer软件完成PCB板的设计，通过对元器件的焊接调试，完成了硬件制作。节点实物图如图9所示。其中，图9(a)为采集节点，包括主控板、各传感器和电源；图9(b)为汇聚节点，包括主控板和电源。

图9 节点实物图Fig.9 WSN node

试验过程分为以下几个步骤：

首先根据用户需求在手机客户端软件上输入节点的采集时间间隔（本次试验的采集时间间隔设定为5 min）。汇聚节点向手机端发送请求完成采集时间间隔的初始化。采集节点搭载温湿度传感器、氧气浓度传感器和二氧化碳浓度传感器，主要采集的参数为温度、湿度、氧气浓度和二氧化碳浓度参数。采集节点通过向汇聚节点请求采集时间间隔来完成节点初始化。

汇聚节点广播采集指令，采集节点在收到指令之后，进行数据采集，然后通过射频发射模块将采集的环境数据发送给汇聚节点；当汇聚节点接收到了采集节点的数据后通过串口将压缩数据发送到手机；手机在接收到汇聚节点传入的数据之后，加入GPS信息，再通过自身的GPRS/3G/4G网络发送给远程数据存储中心；数据存储中心收到手机端发送的数据之后进行解析并存到数据库中。试验表明系统运行稳定，且能准确的将采集节点获取并压缩的数据传输到远程数据库中。

表1为随机选取的某一时间点多个监测节点的环境监测数据，表明各节点可以实时获取温度、湿度、氧气浓度和二氧化碳浓度的数据。

表1 某时刻节点上传数据库的环境数据Table 1 Data on database uploaded from nodes during test period

6 结语

运输途中水产品所处的环境质量参数实时监控是水产品溯源中的一个重要组成部分。本文根据实际需求出发，利用WSN技术、多网传输技术和移动终端技术设计并实现了应用于水产品溯源过程的物流环境的多参数实时监测系统。系统可以对运输中的温度、湿度、氧气浓度、二氧化碳浓度这四个影响水产品质量的关键参数，以及当前运输车辆所处的位置，进行24 h的连续监测，且不受地域、时域的限制。与同类系统相比，本系统监测参数多、节点分布科学、精度高等优点，在水产品运输过程的监测中具有更好的实际意义。目前，该系统已成功应用在“基于物联网技术的水产品溯源与安全预警平台建设及应用示范”上海市科委项目示范应用中，取得较好的效果。

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The RealTime Monitoring SystemforParameters ofTransportation EnvironmentTracing to Resource ofAquatic Products

LIU Zhen,YUAN Hong-chun,MEI Hai-bin
College of Information Technology/Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China

Aiming to few environmental monitoring parameters for aquatic product transportation and unscientific distribution of nodes,this paper proposed the real time monitoring system for parameters of transportation environment tracing to resource of aquatic products with the wireless sensor network and mobile terminal.Firstly,it provided the overall monitoring framework for transportation environment and then gave the corresponding solutions for some key problems of the integration,parameter acquisition and so on in design for hardware and software.The system designed to achieve a comprehensive and accurate collection of environment information in transporting,which was more conducive to monitoring the quality of aquatic products in the middle of the transport process than other methods.

Aquatic products;transportation environment;monitoring

TN931.3

:A

:1000-2324(2017)02-0297-06

10.3969/j.issn.1000-2324.2017.02.028

2016-10-09

:2016-11-03

上海市科学技术委员会科研计划项目:基于物联网技术的水产品溯源与安全预警平台建设及应用示范(14391901400)

刘 臻(1992-),男,在读硕士,主要研究方向为无线传感器网络.E-mail:liuzhen0721@126.com