何健　郝學(xué)韜　曹恩欣　鄭平

摘 要：影響紅酒品質(zhì)的關(guān)鍵因素是溫濕度，穩(wěn)定的溫濕度環(huán)境對高品質(zhì)紅酒儲存和運輸質(zhì)量極為重要。為解決紅酒儲運過程中溫濕度實時監(jiān)測問題，可利用RFID無線傳感技術(shù)自動采集酒品溫濕度數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對被測酒品的溫濕度監(jiān)控和追溯。文中介紹了溫濕度電子標(biāo)簽、讀寫器以及通信協(xié)議的設(shè)計方法，同時給出了防碰撞設(shè)計和系統(tǒng)各功能模塊的設(shè)計方案，并結(jié)合實際應(yīng)用給出了監(jiān)測數(shù)據(jù)圖表。本系統(tǒng)具有功耗低、信息量大、可多點實時監(jiān)測、保存和打印溫濕度數(shù)據(jù)并生成曲線圖等特點，可為酒品質(zhì)量安全監(jiān)測提供有力的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：RFID；溫濕度；實時；防碰撞

中圖分類號：TP277 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）12-00-03

0 引 言

溫濕度數(shù)據(jù)采集在現(xiàn)代化工業(yè)領(lǐng)域有著非常重要的作用，如在紅酒、食品、印刷等行業(yè)的生產(chǎn)和儲運過程中，對溫濕度都有著嚴(yán)格要求，一旦超出規(guī)定范圍，將會對產(chǎn)品造成重大影響。傳統(tǒng)的溫濕度數(shù)據(jù)采集主要通過人工抄錄方式來完成，但在惡劣環(huán)境下或儲運過程中難以實現(xiàn)人工抄錄，在這種情況下，市場迫切需要一種新型的采集方式來解決上述問題。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[1]的發(fā)展，基于RFID技術(shù)[2]的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將成為監(jiān)控環(huán)境變化的最佳監(jiān)測手段。

RFID（Radio Frequency Identification，無線射頻識別） 系統(tǒng)主要由讀寫器、電子標(biāo)簽和計算機網(wǎng)絡(luò)等幾部分組成。電子標(biāo)簽分為無源、半有源和有源三種類型。本文介紹的RFID溫濕度采集系統(tǒng)是采用有源電子標(biāo)簽，這種電子標(biāo)簽集成了溫濕度傳感器、無線收發(fā)芯片、存儲芯片和供電電源，集“傳感識別”、“錄入存儲”、“無線傳輸”等功能于一體，實現(xiàn)了無需人工抄錄的電子采集方式，解決了由于環(huán)境因素造成的數(shù)據(jù)采集無法實現(xiàn)的問題，并能做到實時監(jiān)測報警。基于RFID技術(shù)溫濕度標(biāo)簽組成的監(jiān)測系統(tǒng)有效防范了儲運過程中可能發(fā)生的影響產(chǎn)品質(zhì)量安全的各類風(fēng)險，保障了儲存和運輸過程的產(chǎn)品質(zhì)量。

本文闡述了利用有源電子標(biāo)簽采集紅酒儲運過程中溫濕度數(shù)據(jù)的過程，并利用2.4 GHz無線收發(fā)模塊[3]將數(shù)據(jù)發(fā)送到讀寫器中。讀寫器經(jīng)數(shù)據(jù)處理后通過網(wǎng)絡(luò)接口將數(shù)據(jù)實時上傳到后臺數(shù)據(jù)庫，以供使用者實現(xiàn)對被測物品的溫濕度監(jiān)控和追溯。此技術(shù)成果已在王朝葡萄釀酒有限公司陳釀型干紅葡萄酒上進行了試點應(yīng)用，有效地解決了酒品在儲運過程中溫濕度實時跟蹤的問題，為酒廠事故責(zé)任鑒定提供了有力的技術(shù)支持。

1 需求分析

紅酒的運輸是其生命周期中比較重要的環(huán)節(jié)，與其他產(chǎn)品的區(qū)別是它容易受到環(huán)境的影響產(chǎn)生變質(zhì)。影響紅酒品質(zhì)的關(guān)鍵因素是溫度和濕度，過高過低都會造成紅酒的品質(zhì)和相關(guān)的口感出現(xiàn)問題。

紅酒一般都是750 ml，要求恒溫保存和運輸（溫度12-14℃和濕度65%～80%），而在運輸過程中，則有可能會出現(xiàn)超溫超濕的現(xiàn)象，所以我們要對其進行溫度和濕度的監(jiān)測和控制，這就需要準(zhǔn)確地記錄運輸過程中環(huán)境溫度和濕度的變化情況。如果運輸過程是外包的，利用這些數(shù)據(jù)就可以有效地對運輸公司進行監(jiān)督，從而保證紅酒的品質(zhì)。

其次就是紅酒的儲存。紅酒一般要求放置在恒溫恒濕的環(huán)境中，也就是我們常說的酒窖，而酒窖大多設(shè)置在地下，所以，我們就要對地下儲存環(huán)境進行溫濕度的監(jiān)測和控制。在紅酒的儲存過程中，要想將紅酒的味道和香氣最好的發(fā)揮出來，就要保持一定的溫度和濕度。紅酒理想的窖存溫度為10-15 ℃、濕度在75%左右，過度的溫度變化促使酒加速成熟，過度的濕度變化導(dǎo)致木塞腐爛或收縮，造成酒品自然氧化。本系統(tǒng)對溫濕度進行集中監(jiān)測，如果超溫超濕了，就可以在第一時間通過電話和短信的方式來通知值班人員，這樣就可以確保紅酒的品質(zhì)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)硬件主要由溫濕度電子標(biāo)簽、天線、讀寫器、計算機系統(tǒng)（裝有溫濕度監(jiān)控軟件）組成。

電子標(biāo)簽主要由高精度溫濕度傳感器和無線傳輸模塊構(gòu)成。溫濕度傳感器采集現(xiàn)場溫濕度并將值存入電子標(biāo)簽中，通過無線傳輸模塊傳輸數(shù)據(jù)。讀寫器接收到來自電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)后，經(jīng)過算法處理將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)接口傳送到計算機上進行分析。

2.1 溫濕度電子標(biāo)簽的設(shè)計

溫濕度電子標(biāo)簽主要由微處理器、溫濕度傳感器、射頻模塊、存儲器、電池等幾部分組成。電子標(biāo)簽通過射頻模塊進行無線數(shù)據(jù)信號的收/發(fā)，存儲器存儲標(biāo)簽的身份識別碼、酒品的屬性及歷史數(shù)據(jù)等信息，溫濕度傳感器用來檢測紅酒所處環(huán)境的溫度和濕度。

標(biāo)簽采用“主動方式”進行工作，將采集的溫濕度數(shù)據(jù)通過無線射頻方式實時傳送給讀寫器。標(biāo)簽供電采用CR3032 的3 V紐扣式鋰電池，電池可更換，

一般情況下，單電池提供的能量可以保證標(biāo)簽連續(xù)工作3～5年時間左右。所以在標(biāo)簽的設(shè)計中降低功耗，延長電池壽命十分必要。

微處理器采用超低功耗單片機MSP430G2553[4]，其架構(gòu)設(shè)計與5種低功耗模式相結(jié)合，為便攜式測量延長電池使用壽命提供了保證，其待機模式耗電僅為0.5 μA。

溫濕度傳感器采用低功耗數(shù)字式芯片SHT20[5]。該傳感器在測量和傳輸完成后將自動轉(zhuǎn)入休眠模式，等待下次命令的開始，從而降低傳感器模塊的功耗，該傳感器的平均功耗為3.2μW。

射頻模塊采用低功耗收發(fā)芯片nRF24L01P[6]，芯片預(yù)置了兩種待機模式和一種掉電模式，掉電模式下的耗電為900nA ，待機模式下的耗電為22 μA。標(biāo)簽在空閑時進入掉電模式，只有在發(fā)送/接收時進入發(fā)送和接受模式，通過這樣的模式轉(zhuǎn)換有效降低了功耗。

2.2 讀寫器設(shè)計

讀寫器主要由天線、主控芯片（MCU）、射頻模塊、網(wǎng)絡(luò)通訊模塊等幾部分組成。STC12LE5A60S2[7]為主控芯片（MCU），nRF24L01P作為RFID射頻通信模塊，W5100[8]作為網(wǎng)絡(luò)通信模塊。

STC12LE5A60S2作為主控芯片，它比傳統(tǒng)的8051快8-12倍，具有高速低功耗超強抗干擾的特點，滿足設(shè)計要求。

nRF24L01P通信模塊以2.4 GHz定向天線為載體與標(biāo)簽進行數(shù)據(jù)交換。讀寫器通過計算機設(shè)置接收功率，最大支持32級功率控制，以實現(xiàn)接收距離的調(diào)節(jié)。

W5100網(wǎng)絡(luò)通信模塊完成與后臺數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)交換，其內(nèi)部集成 10/100 Mb/s 以太網(wǎng)控制器，全硬件的 TCP/IP 協(xié)議棧[9]極大地簡化了編程。

讀寫器設(shè)計為主動接收模式。電子標(biāo)簽將采集到的數(shù)據(jù)通過無線射頻模塊發(fā)送給讀寫器，讀寫器將接收到的數(shù)據(jù)進行去重處理后通過以太網(wǎng)接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器進行數(shù)據(jù)分析。當(dāng)發(fā)生斷網(wǎng)時，讀寫器存儲標(biāo)簽采集的數(shù)據(jù)，待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后再行上傳。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計為主動式上傳的TCP/UDP工作模式。這種工作方式尤其適合高速移動的目標(biāo)，可在極短的時間內(nèi)進行多標(biāo)簽的快速識別與數(shù)據(jù)傳輸。由于在讀寫器信號作用范圍內(nèi)往往存在多個標(biāo)簽，同一時刻有兩個或者以上的標(biāo)簽向讀寫器返回信息時將產(chǎn)生碰撞，這一現(xiàn)象稱為標(biāo)簽碰撞。所以在系統(tǒng)軟件設(shè)計中防碰撞算法[10]的設(shè)計至關(guān)重要。

3.1 系統(tǒng)功能設(shè)計

本系統(tǒng)的功能模塊設(shè)計共分為7個模塊，圖1所示為本系統(tǒng)的功能體系圖。

（1）用戶安全管理系統(tǒng)：設(shè)置用戶的管理權(quán)限，設(shè)置讀寫器密鑰。

（2）設(shè)備管理系統(tǒng)：對讀寫器的各個參數(shù)進行設(shè)置，包括通信速率、增益、過濾時長、標(biāo)簽類型等。

（3）網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)：對讀寫器的網(wǎng)絡(luò)通訊參數(shù)設(shè)置，包括IP地址、網(wǎng)關(guān)、通信模式、端口等。

（4）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)：完成數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的導(dǎo)入導(dǎo)出、備份、恢復(fù)、查詢、刪除、報表管理等。

（5）實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：經(jīng)過過濾算法完成溫濕度標(biāo)簽的讀取，由標(biāo)簽信息實時狀態(tài)顯示窗口實時顯示溫濕度標(biāo)簽信息。格式為：標(biāo)簽ID+溫度值+濕度值+電壓狀態(tài)。

（6）歷史數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：對單個標(biāo)簽進行設(shè)置，包括采集的起始記錄、時間間隔等，對標(biāo)簽采集的數(shù)據(jù)進行顯示并生成曲線圖。

（7）報警管理子系統(tǒng)：根據(jù)不同應(yīng)用設(shè)定溫濕度檢測的上下限，超出預(yù)警值將進行報警并發(fā)出短信通知。

3.2 標(biāo)簽與讀寫器通信設(shè)計

標(biāo)簽與讀寫器的通信數(shù)據(jù)格式參見表1所列，其中數(shù)據(jù)頭為用戶自定義，標(biāo)簽ID為用戶定義的邏輯編號，校驗值為所有數(shù)據(jù)校驗和。

讀寫器在完成射頻芯片初始化后就進入接收模式，等待電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)的到來。如有數(shù)據(jù)到來則首先判斷數(shù)據(jù)是否合法，如數(shù)據(jù)合法則送MCU處理，MCU通過特定算法將數(shù)據(jù)處理后再加上自身的編碼通過以太網(wǎng)接口送到后臺服務(wù)器進行數(shù)據(jù)分析。

讀寫器與標(biāo)簽的通信流程如圖2所示。有源電子標(biāo)簽將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)值，以不同時間間隔不斷地向讀寫器發(fā)送。本系統(tǒng)無線收發(fā)芯片nRF24L01P的收發(fā)模式是Enhanced ShockBurstTM方式。當(dāng)讀寫器正確收到標(biāo)簽數(shù)據(jù)后會發(fā)出一個應(yīng)答信號，以便標(biāo)簽檢測有無數(shù)據(jù)丟失。如果沒有應(yīng)答信號標(biāo)簽重發(fā)數(shù)據(jù)包，系統(tǒng)設(shè)定重發(fā)次數(shù)為3次，超過3次則生成隨機延遲時間，重新采集數(shù)據(jù)再次發(fā)送。

3.3 系統(tǒng)防碰撞設(shè)計

本系統(tǒng)為獲得較高的標(biāo)簽識別效率，選用具有載波檢測功能的芯片nRF24L01P。設(shè)備在接收數(shù)據(jù)前先檢測載波信息和地址匹配信息，只有當(dāng)載波存在且發(fā)送地址正確時才接收數(shù)據(jù)包，發(fā)送數(shù)據(jù)前也要先轉(zhuǎn)到接收模式偵聽，確認要傳輸?shù)念l率通道未被占用方才轉(zhuǎn)入發(fā)射模式發(fā)送數(shù)據(jù)。此功能可以實現(xiàn)簡單有效的防碰撞。

載波檢測雖然可以在很大程度上減少沖突發(fā)生的可能，但是如果在同一時刻發(fā)送數(shù)據(jù)的標(biāo)簽太多，沖突還是會發(fā)生，并且會造成信道利用率降低。設(shè)計考慮到所有的標(biāo)簽都是按照每隔400 ms發(fā)送數(shù)據(jù)，有沖突的可能性存在。為了進一步減少沖突發(fā)生的機會，所以在程序設(shè)計中使用隨機函數(shù)產(chǎn)生定時間隔。不管電子標(biāo)簽是否被識別，都會隨機地退避一段時間，該退避時間是在350 ms～450 ms之間產(chǎn)生的隨機數(shù)，再加上nRF24L01P每次發(fā)送之前有載波檢測功能，這樣就使得系統(tǒng)的碰撞機率大大降低。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

將RFID有源溫濕度標(biāo)簽加載到紅酒包裝箱（目標(biāo)物品）上，待裝運出發(fā)后持續(xù)記錄物品所處環(huán)境的溫濕度。一般有兩種應(yīng)用模式，一種是電子標(biāo)簽記錄并存儲采集的數(shù)據(jù)，在每個中間站點或目的地一次性上傳，物流管理平臺整合所有上傳數(shù)據(jù)，分環(huán)節(jié)監(jiān)控物品質(zhì)量；另一種是在運輸車輛/船舶上設(shè)置GPRS[11]實時傳輸設(shè)備，物流管理平臺能夠不間斷地對目標(biāo)酒品進行監(jiān)測。這兩種模式的唯一區(qū)別在于，后一種即實時模式能夠起到搶救部分貴重酒品的作用，而不僅僅是像前一種模式那樣只能鑒定酒品是否遭到損壞。當(dāng)然，有源電子標(biāo)簽標(biāo)識的是指定包裝單位，同一個集裝箱內(nèi)的不同包裝單位可以通過安裝多個有源標(biāo)簽進行監(jiān)測。

將ID=921標(biāo)簽粘貼在紅酒的包裝箱上，隨酒品一同運輸記錄的溫濕度曲線如圖3所示。

圖3中顯示的是集裝箱內(nèi)測試點24 h的溫濕度記錄曲線，上面的曲線代表濕度值，從圖中可以得出RH=73%，下面的曲線代表溫度值（華氏），從圖中可得出溫度值T=54?F/12.2℃。

紅酒的預(yù)警值設(shè)定溫度范圍為5℃～20℃，濕度范圍為50%～85%。從測量結(jié)果看出溫度和濕度都沒有超出警戒線，其均在預(yù)定報警值的上下限范圍內(nèi)，故沒有產(chǎn)生報警。

系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)保存到中央服務(wù)器，用戶可將特定時段的數(shù)據(jù)提取出來進行分析和打印。通過分析測試數(shù)據(jù)可以有效預(yù)防事故的發(fā)生，給酒廠或酒品研究提供有效的數(shù)據(jù)分析手段，這些數(shù)據(jù)也是責(zé)任認定的有力證據(jù)。

本系統(tǒng)的應(yīng)用為廠商節(jié)約了大量的人力開支，也為高檔酒品的儲運環(huán)境監(jiān)測提供了高效便捷的監(jiān)管工具。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計的基于RFID技術(shù)紅酒溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)，目前已成功應(yīng)用于紅酒儲存和運輸?shù)葓鏊?，并隨著市場的不斷擴大逐漸推廣應(yīng)用。本系統(tǒng)設(shè)計的載波檢測和隨機時間函數(shù)間隔發(fā)送數(shù)據(jù)法的防沖突措施已基本滿足實際需求。但標(biāo)簽防碰撞問題尚未徹底解決，在大量標(biāo)簽應(yīng)用的實際環(huán)境中，還需要考慮其他措施，比如讀寫器和標(biāo)簽的分區(qū)域控制，或者采用專門的防碰撞算法。目前，本系統(tǒng)識別率高達200張/秒，實現(xiàn)了物體快速采集的功能，為藥品、食品、易變質(zhì)產(chǎn)品冷鏈物流管理和倉儲管理提供了很好的解決方案，其使用價值和應(yīng)用價值十分廣泛。

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