劉 臻,袁紅春,梅海彬

上海海洋大學 信息學院,上海 201306

面向水產(chǎn)品溯源的運輸環(huán)境多參數(shù)實時監(jiān)測系統(tǒng)

劉 臻,袁紅春,梅海彬

上海海洋大學 信息學院,上海 201306

本文針對水產(chǎn)品運輸環(huán)境監(jiān)測參數(shù)少、節(jié)點分布不科學的問題，提出一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Networks,WSN)與移動終端對水產(chǎn)品溯源過程中的運輸環(huán)境進行實時多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)。首先給出了實時運輸環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的總體框架，然后對系統(tǒng)中硬軟件設(shè)計中涉及多種通信機制的融合、多參數(shù)采集結(jié)合等關(guān)鍵問題給出了相應的解決方案。該系統(tǒng)設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)全面、準確的運輸環(huán)境信息采集，較其他方法更有利于監(jiān)測水產(chǎn)品在運輸過程中間的質(zhì)量問題，更具有實際應用價值。

水產(chǎn)品;運輸環(huán)境;監(jiān)測

近年來，隨著人們生活水平的提高，水產(chǎn)品在人們的飲食結(jié)構(gòu)中占據(jù)著越來越重要的地位，建立水產(chǎn)品的可追溯體系以保證水產(chǎn)品質(zhì)量安全日趨緊迫[1]。水產(chǎn)品作為一種特殊的農(nóng)產(chǎn)品，流通過程中易腐爛、變質(zhì)，因此在生產(chǎn)、加工到最終的消費過程中具有一定的保質(zhì)、保鮮要求和期限，且主要以鮮活或冷凍形式進行運輸[2]?？梢娫谶\輸過程中創(chuàng)建能全面、準確、實時地監(jiān)測水產(chǎn)品所處環(huán)境的系統(tǒng)，對于水產(chǎn)品的質(zhì)量保障顯得尤為重要。隨著物聯(lián)網(wǎng)和云計算等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用到水產(chǎn)品追溯系統(tǒng)的研究已備受研究者關(guān)注。

目前，研究冷鏈物流、水產(chǎn)品運輸?shù)膶W者較多[3-7]。但采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，與本文相關(guān)的工作還不是很多，其中代表性的工作主要有文獻[8,9]，在文獻[8]中許敏等研究者設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)水產(chǎn)品冷鏈物流運輸監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集運輸過程中車廂內(nèi)整體的溫度和濕度信息，但運輸過程中水產(chǎn)品并不是都和車廂內(nèi)環(huán)境直接接觸，而是還有更小的運輸箱，顯然該系統(tǒng)存在不能準確監(jiān)測每個運輸箱箱體內(nèi)實際真實環(huán)境的不足；在文獻[9]中，齊林等研究者設(shè)計了基于無線傳感網(wǎng)絡的水產(chǎn)品冷鏈物流監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)雖然考慮到在周轉(zhuǎn)箱上安裝傳感器節(jié)點，但是其采集參數(shù)較少，僅僅采集了溫濕度參數(shù)。

可以看出，以上研究工作主要還存在以下兩個方面的不足：(1)采集數(shù)據(jù)內(nèi)容比較單一，大部分都只有溫度和濕度這兩個參數(shù)，而對于影響水產(chǎn)品質(zhì)量的一些其他參數(shù)（如氧氣、二氧化碳濃度）的監(jiān)測則沒有。(2)采集節(jié)點的分布不夠科學，由于水產(chǎn)品個體的差異性，在監(jiān)測時，不能籠統(tǒng)地只采集車廂內(nèi)部的參數(shù)，而是需要對小環(huán)境——每個運輸箱中的環(huán)境參數(shù)進行采集。

針對以上問題，本文結(jié)合CC2530的性能特點和工作原理，提出了以CC2530為微處理器和射頻收發(fā)器的WSN節(jié)點。該類節(jié)點具有功耗低、監(jiān)測參數(shù)全面且分布科學的特點。通過該類WSN節(jié)點及其應用軟件，實現(xiàn)了對水產(chǎn)品溯源運輸環(huán)境中多種參數(shù)的采集、處理和顯示。

1 系統(tǒng)工作原理與系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)通過在水產(chǎn)品運輸車廂中構(gòu)建一個WSN來采集每個小運輸箱內(nèi)部的環(huán)境參數(shù)。整個系統(tǒng)根據(jù)其職能可劃分為三個層次：采集數(shù)據(jù)的感知層、數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡傳輸層和數(shù)據(jù)分析及展示的應用層。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

感知層由WSN組成，網(wǎng)絡通信協(xié)議采用ZigBee協(xié)議。依據(jù)網(wǎng)絡中各節(jié)點的功能，可將節(jié)點分為采集節(jié)點和匯聚節(jié)點。采集節(jié)點與匯聚節(jié)點分別對應著ZigBee網(wǎng)絡中的終端節(jié)點與協(xié)調(diào)器。采集節(jié)點負責收集小運輸箱中的環(huán)境數(shù)據(jù)；匯聚節(jié)點在收到采集節(jié)點的數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給與之相連的手機端，并從手機端接收命令并廣播給其他采集節(jié)點。在一輛車的WSN中，存在一個匯聚節(jié)點和若干個采集節(jié)點。

在網(wǎng)絡傳輸層，手機通過使用移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡（GPRS/3G/4G）將從匯聚節(jié)點收到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)存儲中心。

應用層主要負責匯總前兩層收集到的信息并進行分析，最終展示給用戶。

整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡由WSN、移動數(shù)據(jù)網(wǎng)和Internet網(wǎng)三網(wǎng)互聯(lián)而成，WSN負責車廂內(nèi)部數(shù)據(jù)信息的近距離傳輸，移動數(shù)據(jù)網(wǎng)則負責車輛與數(shù)據(jù)存儲中心之間的遠距離數(shù)據(jù)傳輸，Internet網(wǎng)絡負責數(shù)據(jù)的遠程共享。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

基于上述分層結(jié)構(gòu)，水產(chǎn)品運輸環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的架構(gòu)如圖2所示。WSN中各采集節(jié)點通過連接三個傳感器（溫濕度、氧氣濃度及二氧化碳濃度傳感器）來實時獲取運輸箱中的環(huán)境信息。采集節(jié)點在獲取到傳感器的信息并處理后，通過ZigBee協(xié)議傳輸給匯聚節(jié)點；匯聚節(jié)點收到信息后，將收到的環(huán)境數(shù)據(jù)利用USB接口傳輸?shù)绞謾C；手機在加入經(jīng)緯度位置信息后，按照規(guī)定格式封裝成包，通過移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡遠程發(fā)送到數(shù)據(jù)存儲中心。數(shù)據(jù)存儲中心通過接收終端接收手機發(fā)送的運輸環(huán)境信息，接收后按照數(shù)據(jù)庫中的存儲格式進行調(diào)整并存儲。

應用服務器負責從數(shù)據(jù)庫取出數(shù)據(jù)信息后進行統(tǒng)計分析，并以圖表的形式展示給用戶。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)Fig.1 Systemic structure

圖2 水產(chǎn)品溯源運輸環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Framework of the transportation environment monitoring system

2 WSN節(jié)點硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸以及電源管理單元等模塊組成了WSN的節(jié)點[10,11]。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集單元由三個傳感器組成，用于監(jiān)測運輸箱中環(huán)境的多個參數(shù)。MCU及存儲模塊構(gòu)成了數(shù)據(jù)處理單元。數(shù)據(jù)傳輸單元根據(jù)節(jié)點類型有一些不同：采集節(jié)點采用射頻模塊來進行WSN內(nèi)部通信及數(shù)據(jù)傳輸；匯聚節(jié)點除了射頻模塊外，還連接了用于遠距離傳輸數(shù)據(jù)的手機。此外，手機在轉(zhuǎn)發(fā)從匯聚節(jié)點收到的信息前，還加入了從自身的定位信息，通過整合后再發(fā)送到遠程服務器上。系統(tǒng)的供電主要采用5V移動電源。針對運輸車輛監(jiān)測的特殊性，在設(shè)計節(jié)點時進行了相關(guān)優(yōu)化，硬件設(shè)計的具體細節(jié)如下。

2.1 采集節(jié)點

采集節(jié)點由微處理器（MCU）、無線傳輸模塊（射頻模塊）、以及傳感器接口組成。為優(yōu)化電路設(shè)計、提高節(jié)點的集成度，本系統(tǒng)選用美國德州儀器公司(Texas Instruments，TI)生產(chǎn)的CC2530 F256型無線傳輸片上系統(tǒng)(System On Chips，SoC)作為微處理器和射頻模塊的解決方案。CC2530 F256內(nèi)嵌一個業(yè)界標準的增強型8051 CPU，含256KB系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，其射頻前端為適應2.4-GHz IEEE 802.15.4的RF收發(fā)器，具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能，其能耗也相當?shù)?，可以適應2.0～3.6 V直流電源，芯片尺寸6 mm×6 mm。

為了監(jiān)測運輸箱中的溫度和濕度參數(shù)，采集節(jié)點選用的是AM2302溫濕度傳感器。AM2302是一款輸出數(shù)字信號的復合傳感器，它具有工作溫度范圍廣、分辨率高以及精確度準的特點，溫度具有0.1℃分辨率和±0.5℃的精確度，濕度具有0.1%RH的分辨率和±2%RH的精確度。該傳感器與MCU之間通過一條數(shù)據(jù)線相連，使用3.3～6.0V的直流電源對其進行供電。

氧氣濃度傳感器采用氧氣傳感器。該傳感器具有低功耗、高精度、高靈敏度的特點。氧氣濃度傳感器通過TX和RX兩條線與MCU相連，以模擬串口的通信方式與MCU進行通信。

二氧化碳濃度傳感器采用的是MH-410D傳感器紅外氣體傳感器。MH-410D二氧化碳氣體傳感器具有很好的選擇性，無氧氣依賴性，性能穩(wěn)定、壽命長。其與MCU的通信方式同氧氣傳感器，也是使用的模擬串口的方式。采集節(jié)點的硬件框圖如圖3所示。

圖3 采集節(jié)點硬件框圖Fig.3 The framework of hardware in acquisition node

圖4 匯聚節(jié)點的硬件框圖Fig.4 The framework of hardware in sink node

2.2 匯聚節(jié)點

匯聚節(jié)點除了收集采集節(jié)點所采集的環(huán)境參數(shù)，還負責ZigBee網(wǎng)絡的建立和維護，在本系統(tǒng)中，匯聚節(jié)點接收上位機（即手機）的數(shù)據(jù)采集命令并向其傳遞運輸箱中的環(huán)境參數(shù)。因此，該節(jié)點需要由MCU、射頻模塊、USB接口和電源構(gòu)成。匯聚節(jié)點的也是選取CC2530芯片作為節(jié)點的MCU和射頻模塊。匯聚節(jié)點采用USB接口與手機進行通信，本系統(tǒng)采用CH340G作為串口轉(zhuǎn)USB接口芯片，CH340G是一個轉(zhuǎn)接芯片，能實現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口的功能，從而實現(xiàn)手機與匯聚節(jié)點的USB通信連接。該芯片使用3.3 V～5.0 V直流電源。匯聚節(jié)點的硬件框圖如圖4所示。

3 WSN節(jié)點軟件設(shè)計

節(jié)點上的軟件系統(tǒng)開發(fā)采用IAR Embedded Workbench for 8051嵌入式集成開發(fā)環(huán)境，以基于C語言為開發(fā)語言的Z-Stack操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)編寫。Z-Stack是TI公司針對CC2530等SoC開發(fā)的嵌入式操作系統(tǒng)[12]。手機端軟件主要轉(zhuǎn)發(fā)匯聚節(jié)點通過USB接口傳出來的運輸箱中的溫濕度等監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3.1 采集節(jié)點

Z-Stack是半開源操作系統(tǒng)，用戶只需對節(jié)點硬件抽象層中的引腳進行定義以及應用層中的函數(shù)進行編寫。在硬件抽象層中，存儲了CC2530與三種傳感器通信的引腳定義；在節(jié)點應用層中主要編寫了系統(tǒng)初始化請求函數(shù)，傳感器數(shù)據(jù)采集、存儲及發(fā)送函數(shù)。

采集節(jié)點在上電后首先進行自檢；自檢通過后，對系統(tǒng)進行初始化，通過向匯聚節(jié)點發(fā)送請求指令，獲取采集間隔時間等參數(shù)；系統(tǒng)在初始化成功后進入休眠狀態(tài)；當系統(tǒng)收到匯聚節(jié)點廣播的數(shù)據(jù)采集命令或者到達指定的采集時間時，與傳感器進行通信完成數(shù)據(jù)收集。然后將收集的數(shù)據(jù)通過無線射頻模塊傳輸至匯聚節(jié)點。采集節(jié)點的數(shù)據(jù)采集、存儲及傳輸?shù)牧鞒倘鐖D5所示。

3.2 匯聚節(jié)點

匯聚節(jié)點也是ZigBee網(wǎng)絡中的協(xié)調(diào)器，與采集節(jié)點類似，匯聚節(jié)點在通電啟動后也是首先執(zhí)行系統(tǒng)自檢；自檢通過后完成系統(tǒng)的初始化，初始化包括向手機端請求采集時間間隔等，然后進入休眠狀態(tài)；當收到手機端傳來的指令時，分析并處理該命令；收到采集節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)時，通過USB端口將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至手機端。匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)接收和轉(zhuǎn)發(fā)流程如圖6所示。

3.3 手機端

Android手機上客戶端軟件的主要功能是接收匯聚節(jié)點傳輸來的運輸箱環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)?？蛻舳说拈_發(fā)工具是Android Studio 2.1，開發(fā)語言采用Java。

客戶端軟件主程序中聲明串口通信類接口uart Interface實例，調(diào)用Usb Feature Supported方法檢測串口是否有可用設(shè)備連接，通過Open Device Listener類開啟和進行接收數(shù)據(jù)的監(jiān)聽，當可用設(shè)備連接成功，可通過客戶端上的按鈕開啟接收狀態(tài)，客戶端通過read Thread線程對手機micro-USB接口傳入數(shù)據(jù)的進行讀?。蛔x取之后在其中加入手機自身定位模塊中獲取的GPS數(shù)據(jù)并進行整合；最后開啟異步傳輸任務建立與數(shù)據(jù)存儲中心Web Server的HTTP連接，通過POST方式向的Web Server提交整合的數(shù)據(jù)。Android手機端上軟件工作流程圖如圖7所示。

圖5 采集節(jié)點工作流程圖Fig.5 Process on acquisition node

圖6 匯聚節(jié)點軟件工作流程圖Fig.6 Process on sink node

圖7 手機端接收數(shù)據(jù)軟件流程圖Fig.7 Process on mobile terminal

4 數(shù)據(jù)中心接受終端的軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)存儲中心的功能是通過接收終端接收手機發(fā)送的運輸環(huán)境信息，接收后按照數(shù)據(jù)庫中的存儲格式進行調(diào)整并存儲。軟件的開發(fā)環(huán)境為My Eclipse，開發(fā)語言采用Java。Web Server獲取手機端以POST方式發(fā)送的表單數(shù)據(jù)，然后向手機端發(fā)送確認信息；將收到的信息進行自動調(diào)整后以規(guī)定的各執(zhí)存入SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)供應用層的各種軟件使用。數(shù)據(jù)存儲中心軟件工作流程圖如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)中心接收數(shù)據(jù)軟件流程圖Fig.8 Process on software in data center

5 系統(tǒng)實驗測試

根據(jù)節(jié)點的原理圖，使用Altium Designer軟件完成PCB板的設(shè)計，通過對元器件的焊接調(diào)試，完成了硬件制作。節(jié)點實物圖如圖9所示。其中，圖9(a)為采集節(jié)點，包括主控板、各傳感器和電源；圖9(b)為匯聚節(jié)點，包括主控板和電源。

圖9 節(jié)點實物圖Fig.9 WSN node

試驗過程分為以下幾個步驟：

首先根據(jù)用戶需求在手機客戶端軟件上輸入節(jié)點的采集時間間隔（本次試驗的采集時間間隔設(shè)定為5 min）。匯聚節(jié)點向手機端發(fā)送請求完成采集時間間隔的初始化。采集節(jié)點搭載溫濕度傳感器、氧氣濃度傳感器和二氧化碳濃度傳感器，主要采集的參數(shù)為溫度、濕度、氧氣濃度和二氧化碳濃度參數(shù)。采集節(jié)點通過向匯聚節(jié)點請求采集時間間隔來完成節(jié)點初始化。

匯聚節(jié)點廣播采集指令，采集節(jié)點在收到指令之后，進行數(shù)據(jù)采集，然后通過射頻發(fā)射模塊將采集的環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點；當匯聚節(jié)點接收到了采集節(jié)點的數(shù)據(jù)后通過串口將壓縮數(shù)據(jù)發(fā)送到手機；手機在接收到匯聚節(jié)點傳入的數(shù)據(jù)之后，加入GPS信息，再通過自身的GPRS/3G/4G網(wǎng)絡發(fā)送給遠程數(shù)據(jù)存儲中心；數(shù)據(jù)存儲中心收到手機端發(fā)送的數(shù)據(jù)之后進行解析并存到數(shù)據(jù)庫中。試驗表明系統(tǒng)運行穩(wěn)定，且能準確的將采集節(jié)點獲取并壓縮的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程數(shù)據(jù)庫中。

表1為隨機選取的某一時間點多個監(jiān)測節(jié)點的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，表明各節(jié)點可以實時獲取溫度、濕度、氧氣濃度和二氧化碳濃度的數(shù)據(jù)。

表1 某時刻節(jié)點上傳數(shù)據(jù)庫的環(huán)境數(shù)據(jù)Table 1 Data on database uploaded from nodes during test period

6 結(jié)語

運輸途中水產(chǎn)品所處的環(huán)境質(zhì)量參數(shù)實時監(jiān)控是水產(chǎn)品溯源中的一個重要組成部分。本文根據(jù)實際需求出發(fā)，利用WSN技術(shù)、多網(wǎng)傳輸技術(shù)和移動終端技術(shù)設(shè)計并實現(xiàn)了應用于水產(chǎn)品溯源過程的物流環(huán)境的多參數(shù)實時監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)可以對運輸中的溫度、濕度、氧氣濃度、二氧化碳濃度這四個影響水產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)，以及當前運輸車輛所處的位置，進行24 h的連續(xù)監(jiān)測，且不受地域、時域的限制。與同類系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)多、節(jié)點分布科學、精度高等優(yōu)點，在水產(chǎn)品運輸過程的監(jiān)測中具有更好的實際意義。目前，該系統(tǒng)已成功應用在“基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水產(chǎn)品溯源與安全預警平臺建設(shè)及應用示范”上海市科委項目示范應用中，取得較好的效果。

[1]周 真.我國水產(chǎn)品質(zhì)量安全可追溯體系研究[D].青島:中國海洋大學,2013

[2]張海濤,王 鋒,彭朝輝,等.中國水產(chǎn)品流通渠道中的權(quán)力結(jié)構(gòu)分析[J].中國水產(chǎn),2009(5):27-29

[3]袁學國,鄒 平,朱 軍,等.我國冷鏈物流業(yè)發(fā)展態(tài)勢、問題與對策[J].中國農(nóng)業(yè)科技導報,2015(1):7-14

[4]鄧延偉.我國水產(chǎn)品冷鏈物流績效評價研究[D].北京:北京交通大學,2014

[5]Gracia A,Zeballos G.Attitudes of retailers and consumers toward the EU traceability and labeling system for beef[J]. Journal of Food Distribution Research,2005,36(3):45-56

[6]Riquelme JAL,Soto F,Suardiaz J,et al.Wireless Sensor Networks for precision horticulture in Southern Spain[J]. Computers&Electronics inAgriculture,2009,68(1):25-35

[7]Az SE,Rez J,Carretero S,et al.Original papers:A novel methodology for the monitoring of the agricultural production process based on wireless sensor networks[J].Computers&Electronics inAgriculture,2011,76(2):252-265

[8]許 敏.基于物聯(lián)網(wǎng)水產(chǎn)品冷鏈物流運輸監(jiān)控系統(tǒng)[J].長春工業(yè)大學學報:自然科學版,2015,36(1):85-90

[9]齊 林,韓玉冰,張小栓,等.基于WSN的水產(chǎn)品冷鏈物流實時監(jiān)測系統(tǒng)"[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2012,43(8):134-140

[10]青島東合信息技術(shù)有限公司.無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)原理及應用[M].西安:西安電子科技大學出版社,2013

[11]姜 仲,劉 丹.ZigBee技術(shù)與實訓教程:基于CC2530的無線傳感網(wǎng)技術(shù)[M].北京:清華大學出版社,2014

[12]QST青軟實訓.ZigBee技術(shù)開發(fā):Z-Stack協(xié)議棧原理及應用[M].北京:清華大學出版社,2016

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

上海市科學技術(shù)委員會科研計劃項目:基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水產(chǎn)品溯源與安全預警平臺建設(shè)及應用示范(14391901400)

劉 臻(1992-),男,在讀碩士,主要研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡.E-mail:liuzhen0721@126.com