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冷链物流温度监测中无线传感器模块和网络的开发

陈明礼，秦春聂，贾梁廖，于澈森

工业技术研究所，竹东，新竹，台湾

台湾交通大学，新竹市，台湾

邮箱：CCN@itri.org.tw

摘 要

本文提出了将无线传感器模块（WSM）和无线网络同时应用于冷链物流的温度监测中。文章提到的无线传感器模块主要是由基于IEEE 802.15.4标准的一个热电偶传感器max31855和无线单片机Jennic 5418来组成的。发射机模块的发射功率和灵敏度分别为2.5 dBm的和- 95 dBm，温度传感器的温度测量范围和分辨率分别为-40 - 125摄氏度和0.25摄氏度。为了验证本文提出的无线传感器模块的通信质量，本文在一个20英尺的填充了水和泡沫聚苯乙烯的集装箱中进行了相应的实验，采用点到点链路质量指示（LQI）来进行测量。此外，在要求防止食品变质的条件下进行冷链物流运输时，需要在远程客户端定期跟踪和监测冷藏箱的温度和货物在集装箱内的位置。因此，接入点（协调器）的无线传感器网络与GPS和3G通信系统是相当重要的，所以一直以来，我们都在进行无线传感器、GPS和3G通信系统相关的项目开发。

第1章 诸论

在应对消费者日益增长的需求时，食品工业正面临着愈来愈严峻的挑战。现在的消费者要求具有更高质量和更多样化的产品。然而，这些产品的质量可能会因为外界条件的改变而迅速改变。因为产品在生产、运输和储存过程中都存在着质量损失的风险。因此，生鲜食品的冷链物流管理需要具有快速的决策响应，才能有效延长易腐食品的保质期。一般情况下，货物从发货开始出发，在数小时内就可以到达最近的配送中心，一个成功的冷链物流需要能做到的是自动监测和控制所有的物流操作。在许多情况下，冷链运输过程中的环境温度是最延长易腐食品保质期的重要因素。无线传感器网络（WSN）可以监测冷链运输条件和报告相对应的测量结果，这能让我们有机会提早对运输条件作出反应，及时采取相应行动，来保障冷链物流中货物在运输途中的质量安全。

虽然无线传感器网络从发展之初到现在已经好几年了，各类相关的研究也有很多，但无线传感器网络在冷链物流中的应用仍然是有很多挑战需要我们进一步去解决，特别是无线网络中无线电的传播问题。在传播过程中，电波信号的衰减与否取决于发射机和接收机之间的媒介。通常情况下，需要冷链运输的食物是由大部分的水组成，而电波在水中传播的衰减程度远大于在空气传播中的衰减程度。类似的传播问题在RFID系统中也是同样存在的。到现在为止，我们已经开发出了几套无线传感系统，如半无源UHF RFID传感器标签。然而，由于食品中的水对无线电波的衰减和弱应答造成了影响，所以发射机的传感器标签系统在集装箱货物中测试的读取效率约23%。根据这个测试结果，我们在冷链物流中似乎很难实现高效的自动化监控。

为了保证在本次实验中，无线传感器网络在装满装有水的泡沫塑料盒的集装箱中测量链接质量指示有一个卓越的阅读效率，本文提出了一种将无线传感器模块和无线网络同时应用于冷链物流冷藏箱温度监测系统的方案。

第2章 系统描述

2.1 应用方案和网络体系结构

在集装箱冷链物流中，用于冷藏箱温度检测的无线传感器网络在近几年已经发展起来了。在货运集装箱中，无线传感器网络主要由以下几个部分组成：无线传感器模块接入点（AP）、全球定位系统（GPS）、3G通信系统和远程监控系统，如图1所示。

图1 冷链物流温度监测的应用场景

全球定位系统，通常简称GPS），又称全球卫星定位系统，是一个中距离圆型轨道卫星导航系统。它可以为地球表面绝大部分地区（98%）提供准确的定位、测速和高精度的时间标准。系统由美国国防部研制和维护，可满足位于全球任何地方或近地空间的军事用户连续精确的确定三维位置、三维运动和时间的需要。该系统包括太空中的24颗GPS卫星；地面上1个主控站、3个数据注入站和5个监测站及作为用户端的GPS接收机。最少只需其中3颗卫星，就能迅速确定用户端在地球上所处的位置及海拔高度；所能收联接到的卫星数越多，解码出来的位置就越精确。本系统借助GPS定位系统来对冷链物流集装箱的位置进行实时跟踪，精确稳定，可以通过后台准确查询到集装箱运输车的现在位置。

3G是“第三代移动通信技术”（英语：3rd-Generation）的缩写，也就是IMT-2000（International Mobile Telecommunications-2000），是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。3G服务能够同时传送声音（通话）及信息（电子邮件、实时通信等）。3G的代表特征是提供高速数据业务，速率一般在几百kbps以上。该系统运用3G技术来对接入点收集到的信息进行传输到后端服务器，相较于其他通讯方式具有低成本、高速率、传输稳定等特点。

通过分布在集装箱内部各个位置的传感器采集模块对车厢内的温度信息进行采集，并结合无线传输技术将采集到的信息发送到位于车头部位的无线传感器接入点，无线传感器接入点再通过3G通信系统将接收到的信息发送到服务器系统中。管理人员可以通过Internet来进行访问，查询运输途中的温度信息和货物所处位置，达到对冷链运输过程进行全程实时监测和跟踪的效果。

本文提出的无线传感器模块有两种相互结合的操作模式：周期性模式和报警模式。周期模式表示无线传感器模块感知温度数据按可编程步骤来进行，定时对访问节点进行响应。考虑到终端节点需要长时间使用，所以尽量选用低功耗的使用方式，无线单片机在无线传感器模块的相邻传感与响应操作时间外将自动设置为睡眠模式，并将操作时间设置为活动模式以用于传感和响应。报警模式表示的是：如果感测到的温度值超过了规定值，则探测器将唤醒无线微控制器与接入点进行响应。一旦接入点接收到温度报警信号，将会给送货人员发出温度异常警报，送货人员便可快速处理过热问题，以延长易腐食品的实用保质期。除了无线传感器网络外，接入点结合了GPS定位系统和3G通信系统，可以在远程实现冷藏箱温度监测和记录，并定期跟踪货物集装箱的位置。该系统可以方便更多人来对冷链物流运输途中的信息进行实时跟踪和查询，比如供应链配送中心、供应商或零售商。

2.2 无线传感器模块

本文提出的无线传感器的模块框图如图2所示。该模块是由Jennic JN5148无线控制器、一种热电偶传感辅助转换器、逻辑检测器，以及一个实时时钟等组成。其中无线微控制器是通过整合一个32 MHz32位RSIC CPU以及一个2.4 GHz基于IEEE 802.15.4标准的单芯片收发器，如图3所示：

图2 无线传感器模块框图

图3 JN5148无线控制器框图

收发机的发射功率和灵敏度分别为2.5 dBm和- 95 dBm，每次发射信号时消耗功率50毫瓦，每次接收时消耗功率58毫瓦。温度传感器的温度测量范围和分辨率分别为-40～125摄氏度和0.25摄氏度。该无线传感器模块如图4所示。

图4 无线传感器模块

因为食物在通常情况下由大部分的水组成，水这种传输媒介这将影响到天线的增益和传播能力，所以在设计的过程中，我们将该无线传感器模块嵌入在冷却箱表面而不是内部，如图5所示。然而，该模块需要通过传感器感知冷藏箱的内部温度。因此，该模块的一端热电偶线通过小孔径插入冷藏箱中，热电偶根据温度高低反馈相应数据给单片机，就可以实现对冷藏箱内的温度信息的采集。

图5 模块的嵌入位置

试验

3.1 应用场景和网络架构

因为食物在通常情况下由大部分的水组成，这将影响传播能力，所以建立模拟实际链路质量测量现状的环境必须非常严格。因此，该20英尺的集装箱装着一些装有水的聚苯乙烯泡沫塑料盒，每竖聚苯乙烯泡沫塑料盒之间的距离都设置为8cm，可以增强空调制冷空气在集装箱内的流动，使车厢的整体温度都处于一个相对平衡的状态，符合冷链运输过程中货物的摆放方式，以达到真实模拟仿真的效果。具体布置如图6所示。

图6 20英尺的集装箱

为了验证本文提出的无线传感器模块的通信质量，在此次试验中，我们在这个无线传感器集装箱中选择的是星型拓扑结构网络。星型拓扑结构的网络属于集中控制型网络，整个网络由中心节点执行集中式通行控制管理，各节点间的通信都要通过中心节点。每一个要发送数据的节点都将要发送到数据发送中心节点，再由中心节点负责将数据送到目地节点。因此，中心节点相当复杂，而各个节点的通信处理负担都很小，只需要满足链路的简单通信要求。使用星型拓扑结构网络主要有以下几个优点：（1）控制简单；任何一站点只和中央节点相连接，因而介质访问控制方法简单，致使访问协议也十分简单。易于网络监控和管理。（2）故障诊断和隔离容易；中央节点对连接线路可以逐一隔离进行故障检测和定位，单个连接点的故障只影响一个设备，不会影响全网。（3）方便服务；中央节点可以方便地对各个站点提供服务和网络重新配置。

点到点链路质量指示测量已经在一个装满货物的20英尺集装箱内三个差异的水下接入点的位置进行。根据实测链路质量指示，可以得到相应的接收功率电平。根据实验，该无线传感器模块的链路质量关系指示和接收功率电平如图7所示。

图7 链路质量指示与接收功率电平

根据集装箱形状和测量位置的不一样，本文将整个集装箱的位置进行了细化分区，将所有无线传感器模块的测试点进行编号，由下到上为1-15，由右到左为A-G。具体编号分配如图8所示。

图8 所有测试点的分配编号

在第一种情况下，接入点放置于货物集装箱箱门的上部。在这种情况下，通过实验，可以测量出该无线传感器模块的链路质量指示，如表1所示。结果表明，通信最差的点并不是在金属货物集装箱中多路径传播的最远点，所有测试点的通信质量其实都差不多一样好。综上所述，位于所有测试点上的无线传感器模块都可以有效地与接入点通信。因此，阅读效率超过95%。

表1 第一例的链路质量指示表