基于網絡拓撲的生鮮食品供應鏈管理的無線傳感器網絡設計

劉永禮 侯慶豐

(1. 新疆輕工職業技術學院，新疆 烏魯木齊 830021；2. 甘肅農業大學，甘肅 蘭州 730070)

實時的供應鏈管理技術對保障生鮮食品的安全和質量至關重要。例如，生鮮食品運輸過程中的溫度調控不當可能會導致質量下降，據估計[1-2]，每年因此造成的產品損失高達35%。此外，卡車的振動也會對水果和蔬菜造成損傷[3]。因此，生鮮食品供應鏈環境參數監測具有重要的經濟價值，運輸及儲存條件是影響生鮮食品安全和質量的重要因素。

在傳統的冷鏈管理系統中，在車輛和倉庫中安裝了溫度計和濕度傳感器。這種方法有一些明顯的缺點，如：只能在本地顯示和記錄環境信息，不能與遠程用戶共享實時數據；只能監控倉庫或車輛內的宏觀環境，不能監控每種食品包裝盒內的微觀環境；不能記錄卡車裝載、車輛切換時的環境狀況。因此，這些系統不能實時、連續地提供生鮮食品的環境信息[4-8]。

無線傳感器網絡(WSN)是一種新的生鮮食品供應鏈管理技術[9]，可以提供關于生鮮食品的實時環境信息，具有良好的性能和低廉的成本；傳感器節點也可以安裝在生鮮食品包裝盒中，并貫穿整個供應鏈?；诮陙砦㈦娮蛹夹g的不斷進步[10]，無線傳感器網絡節點的成本和功耗在過去幾年中有了顯著下降。通過適當的配置，WSN節點可以檢測與食品安全和質量有關的各種環境參數，如溫度、濕度、二惡英、乙烯、振動等[11-13]。WSN已被廣泛應用于各種領域的監測系統，如精確農業、遠程醫療和動物行為檢測[14-15]。冷鏈管理是無線傳感器網絡的一個重要應用領域。前人對無線傳感器網絡的數據通信進行了研究和試驗[16]，采用智能分析系統幫助決策。然而，由于以下原因，以往的大部分工作不能直接用于生鮮食品供應鏈管理：① 以往的大部分工作只收集典型的環境參數，如溫度和濕度。然而，其他環境參數，如生鮮食品在運輸過程中的運動狀態，也會影響質量。一個典型的例子是嚴重的振動和意外的墜落會對水果和蔬菜造成機械損傷[17]。② 改善非連接狀態終端設備的電源管理,當終端設備超出任何路由器或協調器的工作范圍，或路由器和協調器偶爾斷電時，終端設備將處于非連接狀態[5,14,18]。在生鮮食品供應鏈中，協調器和路由器通常安裝在倉庫或車輛中，由有源電源供電，而終端設備則安裝在箱子或容器上。當將生鮮食品從倉庫裝載到車輛并將其從車輛卸載到倉庫時，終端設備將離開原始的WSN網絡，并在加入新的WSN網絡之前處于未連接狀態[19]。如果沒有適當的網絡交換方案，終端設備處于非連接狀態時可能會產生相當大的能耗[20-21]。

為實現可重構、低數據率、低成本、低功耗的WSN節點，研究擬開發一套生鮮食品供應鏈管理實時監控系統。

1 系統概述

1.1 系統架構

該系統可分為3個部分：安裝在車輛或倉庫中的無線傳感器網絡(WSN)、互聯網或移動網絡的廣域網(WAN)以及遠程端的用戶。無線傳感器網絡定期收集和傳輸溫度、相對濕度、二氧化碳濃度和GPS定位數據。同時，傳感器檢測食品包裝內的運動狀態，包括非法開啟、異常振動、過度傾斜和意外墜落，并以事件驅動模式傳輸。廣域網作為一種中介，可以被廣泛訪問，考慮到不同的工作環境，GPRS和WiFi端口都集成在網關上[22]。供應商或零售商可以從廣域網獲取感知到的數據和警報，做出適當的決策來處理不同的問題，并進一步優化供應鏈管理。

1.2 無線傳感器網絡拓撲

系統中的無線傳感器網絡拓撲包括星型拓撲和樹型拓撲，可以根據應用場景進行選擇。在星形拓撲中，有一個協調器和多個終端設備[23]。在樹拓撲結構中，有一個協調器、多個路由器和多個終端設備。協調器是網絡的啟動者和管理者，負責控制終端設備的加入/退出；還作為WSN和WAN之間的網關。路由器建立多跳通信結構，同時監控環境參數。它們將數據中繼和聚合作為集群的頭部。末端裝置與不同類型的傳感器集成，以收集和傳輸環境信息和異常運動狀態[24]。

1.3 獲得的信息

系統獲得的信息可分為4類：環境條件、運動狀態、位置和網絡狀態[25]。監測對象、獲取信息和相應傳感器的詳細信息見表1。

(1) 環境條件：環境條件包括溫度、濕度和一氧化碳濃度，溫度是影響貨架期的最重要參數。相對濕度與食物的水分擴散有關。二氧化碳反映了代謝活動的速度。定期獲得所有環境條件。

(2) 運動狀態：運動狀態包括異常振動、意外墜落、過度傾斜和容器非法打開。收集這些信息是為了評估生鮮食品在運輸過程中的物理損傷。

(3) 位置：使用商用GPS模塊檢測車輛位置。

表1 獲取信息和傳感器的詳細信息Table 1 Obtained information and details of sensors

(4) 網絡狀態：網絡狀態包括終端設備電壓和無線傳感器網絡拓撲結構。使用微處理器上的ADC測量電壓。從接收到的數據中的路由信息中收集無線傳感器網絡的拓撲結構，并將其顯示為圖形。

2 硬件的實現

實時生鮮食品供應鏈管理無線傳感器網絡的硬件包括終端設備、路由器和協調器。在這項工作中，協調器和路由器是在同一個原型(稱為聚合節點)中實現的。聚合節點和終端設備在結構和功能上都不同。設計并實現了兩種印刷電路板。

為了減少感應對印刷電路板的干擾，對強信號和弱信號進行隔離，縮短了布線長度。為了提高印刷電路板散熱效果，增加了高功耗模塊。利用CADENCE的設計條目CIS建立了原型的開發環境，利用CADENCE設計了PCB板。

2.1 終端設備

終端設備的結構和原型分別如圖1所示。由一個1 500 mA·h 的片狀鋰電池供電，以便在生鮮食品容器中快速安裝。采用由8051微處理器和IEEE802.15.4標準射頻模塊組成的CC2530運行ZigBee協議，對傳感器進行控制。實時時鐘芯片DS2417提供當前時間并產生定時脈沖以喚醒CPU。為了收集1.3中列出的信息，必須為終端設備的硬件設計選擇相應的傳感器。

1. ZigBee CCC2530 2. 光強度傳感器模塊 3. 傳感器 4. 電池

(1) 環境傳感器：環境傳感器包括溫度/濕度傳感器和一氧化碳傳感器。溫度/濕度傳感器SHT21用于監測集裝箱、倉庫和車輛中的溫度和濕度。溫度傳感器SOR的工作范圍為-40～125 ℃，精率±0.3 ℃；相對濕度傳感器的工作范圍為0%～100% RH，精率±2% RH。

(2) 運動傳感器：安裝在端部裝置上的三軸加速度計可以檢測到異常振動、意外墜落、過度傾斜。采用MMA8453Q作為加速度傳感器，提供3軸10位定義的加速度數據。通過為MMA8453Q設置適當的觸發參數，任何異常的運動狀態都將觸發中斷，并且終端設備將向服務器發送中斷類型和加速度計的值。使用光傳感器檢測到非法打開容器。當容器在運輸過程中打開時，傳感器將觸發中斷，并將此非法打開事件報告給服務器。所有異常運動狀態將作為警報報告給用戶。

2.2 協調器和路由器

聚合節點(協調器和路由器)的架構和原型如圖2所示。聚合節點主要由中央處理器、基于ZigBee的無線傳感器網絡內部通信的CC2530、車載無線傳感器網絡與遠程服務器通信的GPRS模塊、倉庫無線傳感器網絡與服務器通信的WiFi、獲取車輛位置的GPS模塊、環境傳感器和運動傳感器組成。收集信息的傳感器。其他部件：中央處理器采用ARM Cortex-M3，用于采集傳感器信息，處理CC2530與WIFI/GPRS模塊之間的通信。Cortex-M3使用UART協議與CC2530、GPRS模塊和WiFi模塊通信。H7710E DTU(數據終端單元)支持GPRS協議，WiFi模塊工作在2.412～2.484 GHz和1 200～115 200 bps。GPS模塊采用NEO-6M-0-001，定位精度為2.5 m。COZIRA是一種二氧化碳傳感器，用于監測倉庫和車輛內的二氧化碳濃度，由12～36 V電源供電，可直接連接到電源。

1. 加速傳感器 2. ZigBee CC2530 3. GPRS模塊 4. CO2傳感器 5. CPU 6. 計時器 7. 電源管理器圖2 聚合節點的架構和原型Figure 2 Architecture and prototype of aggregation node

3 軟件的實現

3.1 無線傳感器網絡軟件

基于Z棧對無線傳感器網絡的嵌入式軟件進行編程(Z棧是由TI開發的用于CC2530的免費ZigBee協議棧)。除了通信協議程序外，Z-Stack還提供了一個事件驅動的任務調度程序。因此，用戶只需為其特定的應用開發應用層程序和外圍設備的硬件驅動程序。Z-Stack的詳細介紹見2006年《Ti Z-Stack用戶指南》；2006年《Z-Stack示例應用程序》及2006年《Z-Stack API》[26]。

在生鮮食品供應鏈中，終端設備必須離開原來的無線傳感器網絡，并在裝卸過程中加入新的無線傳感器網絡。如果加載或卸載過程復雜，終端設備可能會長時間失去與任何網絡的連接。此外，當車輛停止時，協調器或路由器斷電時，終端設備也將失去與節點的連接。在上述情況下，如果處理不當，終端設備將繼續搜索新的網絡工作，并嘗試連接到路由器或協調器，從而導致相當高的功耗。

終端設備的壽命是無線傳感器性能的關鍵因素，將終端設備設置為睡眠模式是在沒有任務運行時，降低功耗的傳統方法。這種節能方案由Z棧提供。然而，只有當終端設備已經連接到WSN時，Z棧的節能方案才會生效。因此，為了降低非連接狀態下的功耗，設計了一種改進的生鮮食品供應鏈監控終端設備的網絡切換方案。

當終端設備從關機狀態切換到初始狀態時，開始搜索并嘗試加入新網絡。如果終端設備不能加入任何網絡，將設置睡眠時間，并進入非連接睡眠狀態，在該狀態下，當前的消耗量大約為13 μA。當睡眠時間結束時，終端設備中的實時時鐘喚醒微處理器，將回到初始狀態并再次嘗試加入新網絡。如果終端設備成功加入網絡工作，則終端設備將初始化配置參數并進入已加入睡眠狀態。使用實時時鐘或加速度傳感器和非法打開傳感器引起的中斷，可以喚醒處于聯合睡眠狀態的終端設備。在被喚醒后，終端設備收集并上傳相應的傳感器信息，并將其傳輸到上級節點。如果傳輸失敗，終端設備將返回初始狀態；否則，終端設備將保持加入的睡眠狀態。如果接收到配置命令，則終端設備將相應地設置配置參數。無論終端設備處于哪個狀態，一旦節點電源被切斷，終端設備將進入電源關閉狀態，在電源恢復之前不應用于任何命令。特別是當終端設備無法加入網絡時，將保持非連接睡眠狀態，并定期喚醒以嘗試加入網絡。正確設置接入時間和休眠時間，可以顯著降低終端設備斷開與任何網絡連接時的功耗。

3.2 軟件的應用

3.2.1 配置軟件 由于應用場景和食品種類的多樣性，生鮮食品供應鏈監控系統需要配置不同的設置。例如，倉庫存儲可以使用WiFi，車輛運輸可以使用GPRS通信，冷凍食品監控時的感知頻率高，生鮮水果蔬菜監控時的感知頻率低。試驗開發了一套組態軟件。表2列出了系統的可配置設置。

3.2.2 PC和智能手機的用戶界面 PC和智能手機的用戶界面負責向最終用戶顯示傳感器和警報信息等環境信息，滿足智能化食品物流管理的要求。設計開發了一個在PC機上運行的應用程序和智能手機“供應鏈管理助手”的應用程序，其用戶界面如圖3所示。供應鏈管理輔助應用程序界面如圖4所示。應用程序顯示溫度、相對濕度和當前位置的實時信息，通過信息推送，通知用戶異常加速和非法打開等報警信息。

表2 系統的可配置設置Table 2 Configurable settings of the system

圖3 應用程序用戶界面Figure 3 Application user interface

圖4 輔助應用程序界面Figure 4 Auxiliary application interface

4 測試結果

測試了所開發的無線傳感器網絡的功能和性能。在測試場景中，使用1個協調節點、8個路由器節點，最多192個終端設備。

4.1 末端裝置功耗

對于協調器和路由器，嵌入式軟件包括CC2530程序和Cortex-M3程序。CC2530程序實現了基于TI提供的Z堆棧的標準ZigBee協議棧。Cortex-M3程序通過CC2530、WiFi模塊和GPRS模塊實現傳感器驅動、傳感器數據采集和UART通信。

表3 能耗測量結果Table 3 Measurement results of energy consumption

為了分析節點的實際功耗，對終端設備進行了動態電流測試。電池和終端設備之間的動態電流由電流探針檢測并顯示在示波器上。連接到網絡的終端設備稱為連接的終端設備，未連接到網絡的終端設備稱為未連接的終端設備。試驗測量了連接端和非連接端的發射和接收電流和時間消耗。對于未連接的終端設備，每個周期的網絡連接時間設置為13 s。功耗測量結果如表3所示。當采用1 500 mA·h的電池，數據傳輸周期為1 min時，終端設備的壽命可以超過1年。當喚醒周期為10 min，電池所含能量為1 500 mA·h，非連接端設備的壽命為150 d，改進網絡交換方案的終端設備比未改進網絡交換方案的終端設備壽命長得多[27]。延長終端設備的使用壽命，使其能夠應用于長期監測生鮮食品供應鏈管理。

在實際電池電壓測試中，測試了星型拓撲中配置的80個終端設備和樹型拓撲中配置的192個終端設備。采樣周期設定為1 min，通過跟蹤兩個不同終端設備的日電池電壓，繪制實際電池電壓曲線，如圖5所示。在星型拓撲和樹型拓撲中工作70 d后，終端設備的實際電池電壓保持穩定。

4.2 數據傳輸成功率

在傳輸成功率測試中，星型拓撲采用了8種節點規模的10～80個終端設備，中間值為10個終端設備。在樹型拓撲結構中，10種節點規模采用100～190個終端設備，間隔為10個終端設備。對每一級終端設備進行了3次成功率測試，并記錄了平均結果。星型拓撲中的所有80個終端設備的數據傳輸都完全成功；對于樹型拓撲中的190個終端設備，成功率達到99.3%，對通信的穩定性具有重要意義。

圖5 電池電壓曲線Figure 5 Battery voltage curve

5 結論

基于ZigBee標準，設計并實現了一種用于生鮮食品供應鏈監測的無線傳感器網絡，詳細介紹了系統的體系結構、硬件設計和軟件實現，并基于環境和運動狀態信息的綜合監控，非連接終端設備的節能方案，以及具有可配置拓撲和系統設置的無線傳感器網絡結構進行改進。通過理論分析和實際無線傳感器網絡節點測試，評價了數據傳輸的功能、功耗和成功率。結果表明，該系統具有較好的使用壽命；改進后的網絡切換方案可顯著降低非連接終端設備的功耗，延長節點的使用壽命。系統數據傳輸成功率達99%以上。

與以往的研究[16]相比，該系統不僅能監測環境參數，還能監測生鮮食品的運動狀態，為供應鏈管理提供更全面的信息。設計并實現了一種改進的網絡切換方案，以降低生鮮食品裝卸時非連接端設備的功耗。與傳統的ZigBee系統相比，該方案顯著延長了終端設備的壽命。此外，還可以根據不同的應用需求配置系統的門路、傳感頻率和網絡拓撲等通信協議。如何設計超低成本、高集成度的傳感器節點是今后研究的熱點。