基于WSN和RFID的生鲜果蔬冷链监测系统设计及应用

石丽娟+李志刚

摘要：随着现代科技的发展和生鲜电商平台的兴起，冷链温度监控系统的应用也越来越广泛。冷链温度监控系统能够对生鲜储藏运输环境进行严格的监控、记录，无线传输到计算机，进行详细分析和决策，从而对环境温度实现智能化管理。该文将无线传感器网络WSN和非接触式自动识别技术RFID相结合，设计一款适用于生鲜果蔬冷链监测的系统，并应用于生鲜果蔬的冷库监测管理和冷藏车运输配送过程中。

关键词：生鲜果蔬；WSN；RFID；冷链监测

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）01-0248-02

我国生鲜果蔬资源丰富、品质优良，但由于保鲜、贮存、运输等环节的制约，造成产后损失十分严重。据中国冷链产业网公布的数据显示，我国每年约有1/4的水果和1/3的蔬菜在采摘后的儲藏存放和中转运输过程中腐烂变质损坏，价值高达750亿元。为减少生产后损失，需要改变传统的常温物流和自然物流，尽量采用冷链存放和运输，指果蔬产品在销售前的各个环节中始终处于能保证果蔬质量和性能的低温环境，所以，对果蔬冷链的温湿度监测十分重要。

1 WSN和RFID的融合技术

无线传感器网络WSN是一种分布式传感网络，由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成，它的末梢是传感器，使用传感器的元器件感知和监测外部环境，还可以跟互联网进行连接，实现数据的采集、处理和传输。具有低功耗、低成本、自组织、动态性的主要特点，广泛应用于智能交通、环境监控等多个领域。RFID又称射频识别，通过阅读器和电子标签的射频信号相互耦合，产生磁场电流，从而实现非接触式的信息传输。

在冷链物流智能化监测方面，国内学者采用WSN技术、ZigBee技术、GRPS技术和RFID技术等设计了各项冷链物流智能化监测系统。刘亮基于ZigBee和GPRS设计由采集节点和主控节点构成的冷链监测系统，通过各个采集节点来获取温度等数据，并利用ZigBee方式将数据汇集在主控节点[1]；冯贺平等采用CC2530 片上系统构建ZigBee 网络，实现对冷藏库温度、湿度的实时在线监控[2]；刘国梅等提出了一种基于WSN和RFID技术的农产品冷链物流监控追踪系统，给出了农产品在冷藏运输过程中及冷库中的监控与管理方案[3]；刘丹丹等融合WSN和RFID2种技术优势，提出了一种基于WSID融合网络和WebGIS的冷链运输监控追踪系统[4]。本文采用刘国梅等的关键部分设计方案，在刘丹丹等的设计思路基础上，把基于WSN和RFID的监测系统应用于新疆生鲜果蔬的长距离远途冷藏运输的监测及冷库监测和管理中。

2 生鲜果蔬冷链物流分析

新疆是我国农产品生产大区，随着果蔬生产基地加快建设和设施农业加快发展，全区已形成瓜果、蔬菜区域性优质高产特色农业产业带，生鲜果蔬的产量和流通量不断增长，目前新疆生鲜果蔬冷链物流具有如下特点：

1） 大部分瓜果、蔬菜，属于时令果蔬，如葡萄、桃子、西瓜、西红柿、辣椒等都是非常典型的鲜货易腐品，采摘后如果不经过恰当处理，特别容易腐烂变质。所以，对温湿度要求明显，需要低温适度潮湿环境从而尽可能保鲜。

2） 生鲜果蔬在物流过程中损耗较大，新疆目前的果蔬运输大多采用集装车常温物流运输，致使生鲜果蔬在物流过程中的损耗率达到了30%以上，而发达国家则可控制在5%以下，因此发展冷链物流、控制损耗是优化新疆生鲜果蔬物流的关键因素。

3） 冷库内和冷藏车的温湿度监测不到位，冷库和冷藏车内的果蔬一般不是均匀分布的，再加上制冷机的风向作用和开关门通风效果，势必导致冷藏环境温湿度分布不均匀，因此要尽可能监测到更全面、更准确、更实时的有效数据，在温度达到一个阈值时应发出提醒。

4） 国内一二线城市对新鲜果蔬的需求量不断升高，和对食品安全的警觉度的增加，加快新疆生鲜果蔬的冷链运输势在必行，也有着极大的商业利润。但冷藏运输受到了现实条件的制约，新疆路途遥远需要长距离运输，沿途气温高、太阳毒，生鲜果蔬易腐烂变质。

3 生鲜果蔬冷链监测设计

3.1 系统总体结构

生鲜果蔬冷链监测系统由三个主要部分：

1） 作为从节点也称为智能节点的温湿度采集部分，融合了WSN节点和RFID阅读器，布置在冷库内和冷藏车厢中；

2） 作为主节点也称发送节点的终端采集模块，负责冷链环境中温湿度数据传输，一般置于冷藏车顶和冷库中心部位；

3） 具有服务器功能的冷链监测服务平台，负责接收远程采集上传的各项监测数据，并能够提供信息查询服务。果蔬冷链监测系统总体结构如图1所示。

3.2 主从节点设计

3.2.1 主节点设计

主节点的功能主要负责发送从节点采集到的温湿度数据信息，由负责无线通信的CC2530模块和GSM以及串口结构组成。CC2530 是一个兼容IEEE802.15.4的真正的片上系统[6]，提供了101dB的链路质量，用于2.4-GHz、ZigBee 和RF4CE 应用，支持专有的802.15.4市场。它具有优秀的接收器灵敏度和健壮的抗干扰性，能够以非常低材料成本建立强大的网络节点，支持一般的低功耗无线通信。GSM是全球移动通信系统的简称，已普及应用，是当前应用最为广泛的移动电话标准，使用灵活、抗干扰强、安全性高。

3.2.2 从节点设计

本部分又称为智能节点，是WSN和RFID技术融合的体现，也是实现智能化监测的核心部件，有微内核、WSN、RFID阅读器、温湿度传感器和微电池组成。

微内核和通信部分由CC2530 结合业界标准增强8051MCU内核、通过优秀的RF 收发器构成，使用2个USART、12位ADC和21个通用GPIO外设集，系统内可编程闪存，通过专有的网络协议栈来简化开发。endprint

传感器部分负责监测周围的温湿度环境参数，选用奥松电子厂商的DHT11温湿度传感器。DHT11是一款温湿度复合传感器，可由电商平台购买，其精度湿度+-5%RH， 温度+-2℃，量程范围25℃+-0.2℃ 至 -40℃，采样周期每次大于2秒。

果蔬包装箱上粘贴低成本的无源RFID标签，由淘宝平台购买，选用ISO14443A M1 S50电子标签。RFID阅读器采用有源RFID产品，采用ISO 18000-6C信息技术，选用LH-1000读卡模块，由Philips MFRC522原装芯片+进口单片机设计而成，外部通过RS232接口与模块通信，自带MCU无需编写协议，通过简单指令读写IC卡，读卡距离远，工作电压为DC3.3-5.5V。

3.3 主从节点功能流程

冷链监测系统启动后，首先进行初始化，包括串口波特率的设置和时间间隔设置，之后智能节点开始查找网络节点，若为主节点则定时发送命令至从节点，否则负责操控传感器测量当前冷链环境的温湿度数据，读取标签信息，并发送至主节点。果蔬冷链监测系统主从节点的功能流程图如图2所示。

4 冷链监测系统应用

4.1 冷库的监测和管理

生鲜果蔬在采摘之后需要经过加工预冷和控温贮藏环节，该环节是為了确保果蔬在储存过程中维持在低温环境中，以便能够保持果蔬的最佳储藏状态。果蔬具有通过生命活动与周围环境发生作用，影响自身状态和产品重量的特点，果蔬对于温湿度有严格的要求，因此冷链库存过程中必须保持在一定的温度中，这需要进行全程温湿度监测[5]。本文基于WSN和RFID技术设计的冷链监测系统应用于冷库监测和管理的网络架构示意图如图3所示。

网络架构有带有RFID标签的果蔬箱、WSN+RFID阅读器的智能节点、发送节点以及具有服务器功能的冷链监测服务平台组成。智能节点通过RFID阅读器负责收集每一个带有RFID标签的果蔬箱的温湿度信息，并可附加记录出入库信息。各个智能节点之间和发送节点通过自组织单跳或多跳形成WSN网络，并无线通信发送温湿度数据至发送节点，由发送节点传输至服务器平台。

4.2 车载运输中的监测

果蔬产品在冷藏车中的摆放较为密集，一般不是均匀分布的，受果蔬呼吸热、与周围环境作用、车辆内制冷机的风向和车门漏风等因素的影响[7]，必然会导致冷藏车厢内温度、湿度分布的不均匀，因此要想监测到更全面、更准确、更实时的有效数据，智能节点应尽可能多。将智能节点按照一定的密度摆放在冷藏车内，尽可能密集，越密集数据越完善。把发送节点置于车厢顶部，以便在车辆行驶过程中有更好的GSM信号传输数据信息。果蔬冷链监测系统的冷藏车载运输应用如图4所示。

5 结束语

本文基于比较成熟的WSN和RFID融合技术，在前人研究的基础上设计了冷链监测系统，并将其应用于生鲜果蔬冷链监测中，该系统网络性能稳定、数据传输率快，能够实现温湿度的实时监测，并可通过服务器平台给出预警。但存在硬件设计成本费用较高，对智能节点的需求多等不足之处，硬件设计需要进一步改进，或者通过智能节点的优化布局，减少智能节点数量。

参考文献：

[1] 刘亮. 基于ZigBee和GPRS的冷链监测系统的研制[D].哈尔滨工业大学，2015.

[2] 冯贺平，吴梅梅，杨敬娜.基于ZigBee 技术的果蔬冷链物流实时监测系统[J].江苏农业科学，201，45（6）：219-221.

[3] 刘国梅，孙新德. 基于WSN和RFID的农产品冷链物流监控追踪系统[J].农机化研究，2011，33（4）：179-182.

[4] 刘丹丹，李志刚.基于WSID 和WebGIS 的农产品冷链监控追踪系统[J].江苏农业科学，2017，45（17）：200-204.

[5] 孙超. 果蔬冷链物流库存控制模型及应用[D].南京农业大学，2013.

[6] 刘宸. 农产品冷链运输WSN监测系统设计与实现[D].西北农林科技大学，2014.

[7] 郭斌. 基于Zigbee技术的果蔬冷链车载环境信息监测系统的研究与实现[D].新疆农业大学，2010.endprint