基于ZigBee的冷链食品监控系统的设计与实现

2015-04-01王德永吴梅梅

河北软件职业技术学院学报 2015年1期

王德永，吴梅梅

（1.安富利（天津）国际物流有限公司北京分公司，北京100102；2.河北软件职业技术学院计算机应用工程系，河北保定 071000）

0 引言

随着国家政策的逐步完善和人民生活水平的提高，中国食品冷链将会在未来的几年内有长足发展，与食品链相关的生产加工、流通和消费终端的各种设备也将有很大的市场空间[1]。

目前我国的冷链系统还只是一个早期的冷冻设备市场，掌握的冷链技术在很多食品种类上还不能完全应用，相对于国际先进水平差距较大[2]。由于服务网络和信息系统不够健全，大大影响了食品运输的在途质量、准确性、及时性，食品流通过程中的安全问题存在很大隐患。因此，利用信息化技术，建立我国冷链运输体系中的温度监控与预警系统[3]，实时监控食品运输过程中的温度，对于保证食品安全具有重要的意义[4-5]。

基于上述原因，本文提出基于ZigBee的无线传感技术冷链食品监控系统，此系统集全球定位GPS技术、移动通信GPRS技术、地理信息技术、计算机网络技术于一体。同时，利用ZigBee无线传感器网络和嵌入式系统实现对运输冷藏车和车内货物的实时动态监控、位置跟踪等功能。所有对冷链食品的操作都能记录到相应系统中，特别是当违规操作发生时，系统会快速地报警并通知管理人员及客户进行及时处理，保证运输冷链食品的安全。

1 主要技术

本文主要研究冷链食品在运输过程中监控系统的技术可行性、经济可行性、管理可行性。系统涉及的技术主要包括 Zigbee、GPS、GPRS、GIS 等。

1.1 Zigbee技术

Zigbee遵循标准802.15.4协议，该协议分成5层，分别是应用层、应用支持层、网络层、MAC层、网络层。Zigbee具有AES-128的加密技术，所以相对于传统的WiFI、蓝牙具有很好的安全性。同时采用跳频和扩频技术，所以具有很强的抗干扰性。

1.2 GPS技术

GPS是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称。通过定位卫星可以在全球范围内实时进行定位、导航。本文利用GPS模块终端可以提供冷藏运输车辆的定位、防盗、反劫、行驶路线监控及呼叫指挥等功能。

1.3 GPRS技术

GPRS是通用分组无线服务技术（General Packet Radio Service）的简称。它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务。GPRS可以说是GSM的延续。GPRS与以往连续在频道传输的方式不同，是以封包（Packet）式来传输的，因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算的，并非使用其整个频道，理论上讲较为便宜。GPRS的传输速率可提升至56Kbps，甚至114Kbps。GPRS经常被描述成“2.5G”，也就是说，这项技术位于第二代（2G）和第三代（3G）移动通讯技术之间。

1.4 GIS技术

地理信息系统（Geographic Information System或 Geo-Information System，GIS）有时又称为“地学信息系统”，它是一种特定的十分重要的空间信息系统。本系统中物流管理平台通过GPS和GIS技术，对集装冷藏车辆进行地理定位和调度。

2 系统总体架构

本系统由三大模块组成，分别是冷库本地管理服务器模块、远程网络查询管理模块和冷藏车内现场信号采集模块。其中，远程网络查询管理模块利用服务器端的监控管理平台可以具体监管冷藏车的实时数据和具体位置等信息，查询手段支持PC机查询和手持终端无线查询两种方式。冷库本地管理服务器主要起到远端网络服务器的缓冲作用。冷藏车内现场信号采集模块主要采集冷藏车位置、冷藏车相关信息（比如温湿度），以及通过车门安装的门窗磁传感器随时对冷藏车门开启进行监测，避免冷冻食品在运输过程掉包现象的发生。

具体设计如系统总体拓扑结构图（见图1）所示。本文将重点讨论冷藏车内基于ZigBee的对冷链产品的实时监测及通信实现。监测内容包括冷链物流货车的位置、冷藏车内环境以及是否非法开门入侵。

图1 系统总体拓扑结构图

3 冷藏车内信号采集系统

3.1 冷藏车采集系统硬件实现

本部分硬件由网关节点和采集节点两部分组成。参看冷藏车采集系统图（如图2所示）。

冷藏车内会有很多固定的箱体用于存放冷冻产品，我们会实时对每个固定箱体内的冷冻产品进行相关的温湿度信息采集。同时设置相关温湿度报警上下线阈值。阈值的设置可以是本地设置，也可以通过远端服务器端远程设置。当冷藏车内实时采集的温湿度值超过相应设置的阈值，报警信息会通过网关节点的GPRS网络上传到服务器端，服务器会有报警信息输出。考虑到系统的可靠性，本系统同时会有报警事件的冗余设计。当服务器收到2次以上报警信息后而未通过GPRS网络对冷藏车内的报警事件做出相关响应时，网关节点就会通过GPRS通信模块以短信的方式把报警信息事件发到事先绑定的管理员手机上。

本系统以两个箱体为例进行研究。每个箱体内放置4个采集节点。4个采集点会把采集的温湿度信息通过ZigBee模块上传到网关节点。网关节点通过GPRS通信模块按照事先规定的相关协议实时传递相关数据到服务器端，同时通过网关节点上的GPS接收机模块定位运行的冷藏车的具体位置。远端服务器根据此定位信息在监控管理平台上显示冷藏车的行进轨迹。同时管理员也可以通过手机短信以AT指令形式查询冷藏车在途信息。

图2 冷藏车采集系统图

3.1.1 采集节点硬件结构

采集节点的硬件结构如图3所示。

图3 采集节点的硬件结构图

采集节点使用电池供电，对系统功耗是个考验，因此需要选用低功耗MCU作为控制器。本系统选用LPC1100芯片，此芯片是基于ARM 32位Cortex M 0的微控制器，具有体积小、功耗低、节能等特点，同时具有64kB程序存储器，8kB数据存储器，1路I2C接口，2路SPI接口，1路UART接口，4个Timer定时器。

采集节点在冷链车物流过程中实时检测冷藏车不同箱体内的环境温湿度，并按照一定频率上传至网关节点。本系统采用3s上传，一次上传到网关节点。

子节点图中温湿度传感器采用盛世瑞恩的SHT15（如图4所示），该传感器为复合温度传感器，可以同时检测温度和湿度。采用标准I2C接口输出，内部含有AD转换器，每个传感器在出厂前经过高精度的校准，整个量程范围内湿度精度可以控制在+-2%RH，温度精度可以控制+-0.3℃。

图4 SHT15内部结构图

ZigBee模块采用Digi公司X Bee模块。该模块自带ZigBee协议栈的程序，体积小，数据传输可靠，工作在ISM 2.4GHz频率频段，采用工作电压3.3V，硬件通信接口TTL电平UART，工作温度范围为-40-85℃，可以满足低成本、低功耗传感器网络需求。X Bee模块同MCU之间通过UART进行通信。

能量收集和电源管理模块采用凌力尔特公司的LTC3331实现。LTC3331支持能量源输入和电池输入。能量源输入同时可以支持太阳能和压力震动，单路Buck-Boost DC/DC输出。

图5为LTC3331典型应用图。

3.1.2 网关节点的硬件结构

网关节点MCU采用NXP公司的LPC1758，该处理器是ARM Cortex M3核，硬件支持4个UART口和1个Ethernet网口，网关节点硬件主要包括GPRS模块、GPS模块、ZigBee模块及DC/DC电源几个部分。GPRS模块采用Simcomm公司的SIM 300模块。GPS模块采用Falcom公司的GP7-T模块。ZigBee模块与采集节点一样采用Digi的XBe e模块。DC/DC电源采用 MAXIM公司的MAX17504和Micrel公司的MIC29302.MAX17504，支持输入电压范围4.5-60V，输出3.5A电流能力。MAX17504转换3.3V给各模块供电。同时考虑到掉电情况，本系统有锂电池作为GPS和GPRS备用电源。

图5 LTC3331典型应用图

网关节点架构如图6所示。

图6 网关节点架构图

3.2 冷藏车内采集系统软件架构

子节点和网关节点MCU软件设计引入了实时操作系统Free RTOS，Free RTOS为免费开源系统，其内核可以设置成剥夺型和不可剥夺型方式。它特别适用于多任务的实时控制系统，内核包含了实时内核、任务管理、时间管理、任务通信等功能。Free RTOS采用双向链表而不是采用查询任务就绪表的方法进行任务管理和调度。操作系统将系统程序分为多个小任务，系统并发运行多个任务，从而提高了MCU的利用率，加快了程序的执行时间，从而做到系统的实时响应。

本系统使用流行的Keil 4作为IDE开发环境，硬件JTAG使用ULINK作为调试器。

3.2.1 子节点软件架构

子节点主要承载两个方面的工作，即采集传感器温度并上传发送给网关节点。另外，由于子节点采用电池供电，为了减少功耗，子节点始终处于活动任务和睡眠任务之间。具体工作流程见图7。

图7 采集节点软件流程图

系统上电复位后，首先进行处理器和外部设备的初始化，然后系统时钟中断配置。硬件资源分配如下：串口中断用于同网关节点进行通信，IIC中断用于读取STH15的采集温度和湿度数据，定时器中断1用作FreeRTOS的系统时钟节拍。

3.2.2 网关节点软件架构

网关节点主要承载几方面的工作，包括同各采集点通信，收集各子节点采集的数据，通过GPS定位当前冷藏车运行的位置，包括经度、纬度、时间。通过GPRS网络上传相关信息到远端服务器，同时接收服务器的访问命令。网关节点软件流程图见图8。

3.3 冷链运输信息系统架构设计

系统查询平台：远程系统软件采用C/S架构，操作管理员可以通过网络对冷藏车整个运输过程的实时信息和状态以及历史数据进行远程查询。远程系统采用Visual Basic.Net和SQL Server数据库实现。本系统目前采用的是C/S架构，后续可以升级到B/S架构。整个系统软件由多个模块组成，如图9所示。

其中实时信息监控模块包括：冷藏车的位置及运行轨迹监控，冷藏车是否有非法开启，传感器数据实时查询，各传感器子节点的电池容量。数据管理查询模块通过对数据库的查询功能可以针对历史记录进行检索查询。

图8 网关节点软件流程图

4 结束语

由于冷链产品在生产、加工、储运、物流等环节存在多种风险，因此在整个过程中实现自动的信息采集和管理，做到可追溯和追踪，显得尤为重要。本文重点介绍了物流冷藏车内环境温湿度及冷藏车定位，实时通过无线移动网路上传的实现，并对冷链车传输物流过程中的监控系统的设计与实现方法进行了描述，能够保障在物流环节及时发现问题，并消除此过程中的潜在风险，从而构建有效的监控体系。本文所描述的研究成果表明，以上技术在冷链食品传输领域应用前景非常广阔。