基于物联网技术的林区浆果冷链运输智能监测系统

黄永晖，郭成波，张世鑫，孙术发

（东北林业大学 工程技术学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

1 引言

随着生活水平的提高，人们的饮食结构正向着营养、保健方向发展。野生浆果具有极高的医疗、保健、营养价值，目前世界范围内正兴起开发野生水果的热潮，野生水果也称第三代黄金水果[1]。黑龙江省幅员辽阔，境内大小兴安岭、张广财岭重叠相连。在全境近70个县（市）中有44个山区和半山区县（市），山区面积约23km2。崇山峻岭中，昼夜温差大，雨量充沛。独特的生境条件，造就了林中、林缘和低温草地上的种类繁多的野生浆果植物。据测算，黑龙江省野生浆果年可采量达80多万t。遗憾的是，这些野浆果只有极少数被利用。天然野浆果，实为各种绿色食品的上好原料，是具有巨大经济效益的天然宝库。开发这些资源，使其变成经济优势，是社会发展的需要，是消费者的渴望，其市场前景无限[2]。

以广受市场欢迎的蓝莓为代表的野生浆果，具有皮薄肉软，含水量高，呼吸作用旺盛，采摘后极易腐烂，不耐储藏的特点，这一特性使得运输不当极易造成浆果变质，限制了野生浆果的市场推广。大小兴安岭地区地理位置偏僻，浆果的消费和加工能力有限，距离生鲜浆果的主要消费和加工地区较远，运输距离较长，使得运输过程的可控性较差，容易造成野生浆果品质的下降。因此，需要对野生浆果的运输过程进行实时主动监控，并根据浆果状态调整运输条件，实现对运输过程的实时监控。同时，由于野生浆果主要分布于偏远林区，基于基站通信的移动通信网络覆盖面积有限，存在大量基站信号覆盖盲区，因此基于基站通信建立监测系统具有一定的信息滞后性。

2 冷链运输过程监测技术研究现状

目前，运输过程智能监控系统的研究主要围绕生鲜蔬菜、水果、肉制品及海鲜产品等对运输条件有比较严格要求的产品展开[3-4]，主要目的为通过对运输过程进行有效监管，降低运输过程对产品品质的影响，提高产品的市场竞争力。

在野生浆果冷链物流的所有环节中，运输过程监控是其最薄弱的环节，因此，加强冷链运输的全程无缝监控是保障野生浆果品质安全、减少营养流失的关键，通过对温湿度与保鲜技术的有效耦合应用监控，调节运输环境中的气体浓度比例和低温高湿环境，为浆果运输营造最适宜的贮藏环境。而现有的冷链运输监控系统存在着缺陷：一是缺乏及时性，用户不能在第一时间发现产品的品质，只是事情发生之后才会有所察觉，不仅不能及时做出应对措施和避免损毁的发生，而且也不能确认事件的责任方；二是缺乏耦合性，只能单一的实现冷藏车内温湿度信息的监测，缺乏温湿度与保鲜技术的有效耦合应用监测[5]。因此，开展野生浆果运输过程监测方法研究，确保运输过程中多项环境参数与保鲜气体浓度的有效采集、实时传输与精确控制，能够有效改善运输过程对野生浆果品质的影响。

目前在物流运输监控系统中应用的技术主要包括温湿度记录仪、RFID、传感器技术与无线传感网（WSN）等技术。RFID是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。Abad等研究了带有温湿度标签的RFID在冷链运输过程中对产品品质的监测[6]。Mira Trebara等设计了一种利用RFID温度标签监测运输过程中水产品内部和所处环境中的温度变化的方法，有助于对整个冷链物流过程中的温度进行精细管理[7]。

随着传感技术的发展，ZigBee无线传感网技术作为计算机技术和网络技术深刻融入现实世界的产物。因能够在任何自然环境下多节点采集数据的特点使得它成为冷链物流实时监控的首选技术[8]。Carullo等将微处理器、WSN无线收发装置和电源安放在牛奶瓶盖内来监控牛奶在冷链运输过程中的温度状况[9]。Ruiz等基于ZigBee通信协议实现了水果冷链运输过程中温湿度状况的实时监测[10]。Reiner Jedemann等设计了应用于大型冷链配送系统的Zig-Bee无线传感器网络环境监测系统，实现对车厢内温度变化的精确监测[11]。刘宸等研究了基于WSN无线传感网络的农产品冷链监测系统，实现了农产品冷链运输过程中温湿度的实时监测[12]。Zhang J等以ZigBee通信协议为基础，完成了冷链物流温控系统的设计与开发[13]。Xiao Xinqing等学者为了延长系统寿命，降低冷链物流损耗，提出了一种基于WSN和压缩感知的冷链监测方法，实现了数据的压缩采样传输，减少冷链监测网络数据传输量[14]。

目前对浆果品质的研究主要集中于如何通过各种手段抑制其腐败过程，最大限度的延长浆果食用周期。针对林区特殊地理环境的浆果运输过程品质监测系统，目前鲜有专门的研究，因此以林区浆果的运输过程为研究对象，为了降低运输过程对浆果品质的影响，展开了对林区浆果运输过程品质监测系统的研究。

3 基于ZigBee的浆果运输状态无线传感网络构建

3.1 ZigBee感知节点和汇聚节点硬件设计

考虑冷链运输车辆在浆果运输过程中，浆果所在环境为比较局限的封闭环境，为了避免各感知节点之间采用线路连接影响感知节点的灵活布局和网络拓扑，采用ZigBee CC2530短距离射频通信技术构建一套微型化、无线化、远程化和低功耗的无线传感器网络。根据监测需求，将车载部分的浆果运输过程监测系统分为ZigBee感知节点和ZigBee汇聚节点进行功能设计。

为了便于感知节点根据车辆运输浆果的多少进行灵活调整，感知节点采用电池供电的模块化设计，无需连接有线电源。因此感知节点安装于运输车辆内，可以根据需求随意安放位置，感知节点个数可以根据车厢空间大小进行调整。感知节点根据硬件和程序控制要求，负责采集所在位置的温度、湿度、加速度及震动信息，并实现与汇聚节点之间的通信，按照程序设定的时间将所采集信息发送给汇聚节点，同时负责实时响应上级汇聚节点的感知信息查询。为了监测浆果品质的变化，采用CO2传感器检测车厢内CO2气体的浓度，进而监控浆果的呼吸作用，在结合温湿度传感器所检测到的温湿度信息，判断浆果品质的变化。考虑能量供给控制及有效通信距离，设计融合温度传感器、湿度传感器、CO2传感器、加速度传感器和震动传感器的ZigBee感知节点模块，其结构示意图如图1所示。

图1 感知节点模块框架图

汇聚节点安装于驾驶室内，既要实现与下层车厢内各个感知节点的通信，也要实现与上层后方管理平台的通信，因此设计中采用ZigBee CC2530实现与感知节点的通信，考虑林区移动通信覆盖有限的难题，采用北斗通信模块，利用其短报文通信功能实现汇聚节点与后方管理平台的通信。汇聚节点负责接收汇总感知节点采集的数据、数据存储、数据处理、数据可视化、阈值提醒和向北斗模块上传感知数据等功能，其结构示意图如图2所示。

图2 汇聚节点模块示意图

3.2 ZigBee感知节点和汇聚节点软件设计

在进行ZigBee感知节点和汇聚节点的软件设计中，针对温度传感器、湿度传感器、加速度传感器及震动传感器所采集数据格式的不同，根据数据传输的要求，分别设计专门的数据处理程序，规范数据格式。基于时分复用的分配型MAC协议和以数据为中心的路由协议，考虑通信过程中可能会发生的通信冲突，采用Z-Stack协议栈实现各ZigBee感知节点与汇聚节点的自动组网通信功能，当发生数据碰撞冲突时，发送节点会执行退避算法，延迟一段时间后才再次尝试发送。具体流程如图3所示。

通过汇聚节点发送指令进行组网和网络地址的分配，若网络组建成功，感知节点则进行自身参数的配置和环境信息的采集，而未成功加入网络的感知节点则进入睡眠状态，等待下一次的组网指令，成功加入网络的感知节点将自身所采集的环境感知数据等信息上传至汇聚节点，汇聚节点对所接收到的各节点数据进行汇总处理并存储，等待上传给北斗短报文通信模块将数据提供北斗通信卫星以短报文的形式发送给远程的后方监测管理平台。

最后，进行ZigBee感知网络的规划，根据运输浆果的数量和运输车辆的格局，结合无线传感器网络通信距离的限制，确定车厢所需要感知节点的个数，对感知节点进行合理布局，实现对运输车辆运行状态（加速度、震动）和浆果实时品质（温湿度、CO2浓度）的实时监测。通过组网调试，检验所设计ZigBee感知网络的具体工作状况，并根据测试所发现的问题对感知节点和汇聚节点的软硬件系统进行改进。最终完成基于ZigBee CC2530的感知节点和汇聚节点模块硬件和软件设计，实现感知节点能够可靠的采集温湿度、CO2浓度、加速度和震动等车辆和车厢环境数据；汇聚节点实现实时接收感知信息并实时显示，对超过阈值的感知信息能够实现自动报警提醒，并保障与感知节点和北斗通信模块通信的稳定。

图3 感知节点及汇聚节点软件控制流程图

4 基于北斗通信的浆果运输过程智能监测系统研究

将智能监测系统划分为车载系统和远程企业后方管理平台两部分，如图4所示。由于林区基站布局较少，覆盖面积比较局限，采用移动通信在林区实现实时通信比较困难，因此林区浆果运输状态感知数据汇总到汇聚节点向后方企业管理平台的传输需要新的途径。我国北斗通信定位卫星特有的短报文双向通信功能现已实现全国覆盖，因此林区中远程的数据传输采用北斗通信定位卫星的短报文功能来完成。

车载系统包括感知节点模块、汇聚节点模块和北斗通信定位模块，其中汇聚节点模块和北斗通信定位模块安置于驾驶室内，汇聚节点负责实现各感知节点的数据实时汇总、存储、显示及对超阈值感知数据的提醒，方便驾驶员实时掌握车厢内浆果的运输状态。为方便企业后方对运输过程的管理，ZigBee汇聚节点还设计有与北斗通信定位模块的串口通信，通过格式化各传感器运输状态数据，编写程序，利用北斗通信定位模块特色的短报文通信功能，将浆果的运输状态感知数据实时传送给后方的企业管理平台。北斗通信定位模块自身还可以实现对车辆位置的实时定位，并将位置信息也提供给后方管理平台，以方便后方管理人员的车辆进行调控。

企业后方管理平台主要实现北斗卫星发送数据的接收、数据存储、数据处理、数据可视化，从而使得后方管理人员能够实时获取运输车辆及浆果运输状态的实时信息，并能够通过北斗卫星的短报文功能，将相应的管理指令发送给车载系统，达到前方车辆与后方管理平台实时通信的目的。

图4 智能监测系统结构示意图

5 结论

针对林区野生浆果冷链运输的特殊条件，采用ZigBee CC2530低功耗短距离射频通信技术，融合多种功能传感器，对感知节点和汇聚节点进行了硬件和软件设计，建立了浆果运输状态监测无线传感器网络，实现了对冷链运输车辆运行状态和浆果实时品质的实时监测。针对林区移动基站通信覆盖面积有限，无法实现运输车辆与后方企业管理人员实时通信的问题，采用北斗定位通信卫星的短报文功能，实现了车载运输状态数据感知向后方企业管理平台的传输，以及后台管理人员管理指令向车载系统的传输，建立了基于北斗通信的浆果运输过程智能监测管理系统。该技术的应用，能够提高浆果运输过程的管理水平，降低运输过程对浆果品质的影响，促进林区天然野生浆果的市场推广，推动林下经济的高质量发展。