基于Zigbee的果蔬冷链配送环境信息采集系统

　　摘要：根据果蔬产品冷链配送对环境监控的多测点、多要素和便捷性等方面的要求，以基于Zigbee技术的JN5139为无线节点信息处理的核心，结合温湿度传感器模块设计了采集节点，构建了车载环境中的无线传感器网络，结合嵌入式和.net技术开发了果蔬冷链配送环境信息采集上位机软件，解决了数据采集和实时监测的问题。整个环境信息采集系统在温度分别为0、5和12℃及相对湿度为90%环境下对冷藏运输车内不同位置进行了数据传输包收发率的测试。结果表明，该系统工作性能稳定，在数据采集和传输等方面均达到了设计要求，可以方便地应用于冷链运输过程中进行环境信息的采集与监测。

　　关键词：无线传感器网络，冷藏，数据采集，

　　0、引言

　　随着人民生活质量的不断提高及中国入世后农产品流通面临的新挑战，农产品安全问题引起了越来越多人的重视。可追溯系统是促进生产信息透明化，提高农产品卫生安全，增加农产品市场竞争力的重要措施。物流配送过程是农产品供应链的重要环节，但该过程信息采集不易直接影响了全程可追溯系统的建立，而物流配送载体的温湿度等环境都对农产品质量安全又有重要影响。因此构建农产品冷链配送环境信息采集系统对保证农产品质量、增强追溯能力、明确出问题后的责任具有重要意义。

　　农产品冷链配送一般采用冷藏车，由于冷藏车的车厢与驾驶室是隔开的，这使配送人员不能直观且实时了解车厢内环境的变化。对于物流配送载体环境的采集与监测，早在1989年新加坡南洋理工大学就对运输船上的冷藏集装箱温度监控进行了研究，但当时使用的监控技术是基于同步调制解调器的无线通信技术，这种调制解调器传输速度较慢，而且有一定的体积，不易在冷藏车厢内监测布点。基于无线传感器技术的监测系统为冷藏车厢内环境信息的采集提供了很好的途径。无线传感器网络作为一种新的信息获取技术，凭借其低功耗、低成本、高可靠性等特点，已逐渐渗透到农业领域。Shan等针对食品中毒事件数量逐渐上升问题，对将Zigbee和蓝牙技术和传感器技术应用在冷藏车厢环境监控中进行了理论性的探索；L.Ruiz-Garcia等将基于Zigbee的无线传感器网络应用于对水果温湿度实时监测，但该研究只是模拟了水果的环境，而没有对装有水果的真实环境进行测试。在国内，赵鹏、孙建军等针对血液疫苗等温度敏感性医用产品研制了基于Zigbee技术的冷链无线监测系统。

　　本研究根据冷链配送对环境的多测点、多要素和便捷性等方面的要求，充分利用Zigbee技术低功耗、易部署等特性，集成温湿度传感器设计了无线传感节点，基于.net框架开发了果蔬冷链配送环境信息采集系统，系统在北京乐平农产品产销有限公司进行了测试。

　　1、基于Zigbee的无线传感器网络技术

　　Zigbee是一种基于IEEE802.15.4的低功耗、低传输速率、架构简单的短距离无线通信技术。

　　IEEE802.15.4标准定义了低速无线个人局域网的物理层和MAC层（媒体访问控制层）。物理层支持3种不同速率的频段：2450MHz(250kb/s)，915MHz(40kb/s)和868MHz(20kb/s)，它支持信道选择、链路质量指示、能量检测和空闲信道评估。Zigbee标准化了网络层和应用层。网络层的责任包括加入和离开1个网络所用到的第6期郭斌等：基于Zigbee的果蔬冷链配送环境信息采集系统机制、应用帧安全机制和它们的目的地路由帧机制。它还具备了强大的设备联网功能，它支持3种主要的自组织无线网络类型，即星型结构、网状结构和簇状结构，特别是网状结构，具有很强的网络健壮性和系统可靠性。

　　应用层提供1个分布式开发及通信的框架。

　　2、无线传感器网络设计

　　2.1模块设备选型

　　2.1.1无线传感器网络芯片选型

　　本研究采用Jennic公司的JN5139-Z01-M02R1芯片，JN5139-Z01-M02R1是Jennic公司的一款低功耗、低成本并且与Zigbee协议完全兼容的无线微控制器。它片内集成了1个32位的RISC内核，以及1个完全符合IEEE802.15.4规范的2.4GH的无线收发器。该模块具有高度集成性和丰富的硬件资源，使得外围电路的设计变得十分简单。

　　本系统模块采用高功率模块棒状天线，其增益为19dbm，传输距离最远1000m，功耗小于2.8μA，接收灵敏度：-100dbm，发送：+19dbm，发送电流小于120mA，接收电流：小于45mA；尺寸：18mm×40mm。

　　2.2.2传感器模块选型

　　本文温湿度传感器模块采用的是瑞士Sensirion公司出品的SHT75温湿度传感器。该模块具有14位A/D转换器，测湿精度±1.8%RH，测温精度±0.3℃，量程范围-40～123.8℃。

　　2.2无线传感器节点设计

　　SHT75与无线微处理器的连接是通过JN5139-Z01-M02R1的2个I/O口(DIO12和DIO13)来分别与传感器SHT75的SCK引脚和DATA引脚相连，来实现数据的交换；VCC与3.3V电压相连。为避免信号冲突，微处理器应驱动DATA在低电平，所以还必须在I/O电路中，DATA引脚上加上一个上拉电阻将信号提拉至高电平，用一个10kΩ的电阻接至3.3V电压。

　　2.3无线传感器网络节点部署

　　无线传感器节点分为2类：一类是协调器节点，一类是环境信息采集节点。协调器节点主要的功能是：接收环境信息采集节点的信息；对数据进行整合传至车载电脑。环境信息采集节点的主要功能是：收集车厢内果蔬的温度、湿度信息；将信息处理后传至协调器节点。

　　环境信息采集节点放置冷藏车厢里对冷藏车厢内的温湿度进行采集，协调器节点放置在驾驶室副驾驶的车座下边。其数据采集过程为：环境信息采集节点向温湿度传感器发送数据采集命令，传感器接收到命令后进行采集数据，数据采集后传回环境信息采集节点，环境信息采集节点通过无线传至到协调器节点，最后协调器节点通过RS232接口传至到车载电脑中。

　　3、上位机软件设计

　　3.1环境信息处理流程设计