CN102710794A - 用于冷藏设备的无线传感器网络 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于冷藏设备的无线传感器网络，包括：协调器节点，分别与传感器节点和上位机连接，用于将来自传感器节点的数据进行处理后传输到上位机；传感器节点，与协调器节点连接，用于将采集到的数据发送到协调器节点。本发明提供的无线传感器网络具有低功耗、高稳定性、高鲁棒性等特点，使水产品在加工环节到各地冷冻仓储间的运输过程中始终处于一个合适的温度下，保证水产品的质量安全，同时降低损耗。

Description

用于冷藏设备的无线传感器网络

技术领域

本发明属于冷链物流数据监测技术领域，特别涉及一种用于冷藏设备的无线传感器网络。

背景技术

随着中国经济的不断发展，人们的饮食结构正逐渐发生变化，其中对水产品的需求也日益增大。2010年，我国水产品总产量达到5373万吨，连续20余年位居世界首位。

水产品作为一种特殊的农产品，流通过程中易腐烂、变质，因此在生产、加工到最终的消费过程中具有一定的保质、保鲜要求和期限，且主要以鲜活或冷冻形式进行运输。

冷链物流（Cold-Chain Logistics）是指以冷冻工艺学为基础，以人工制冷技术为手段，以生产流通为衔接，为了保证产品的质量安全，减少因为腐烂变质而引起的损耗，从而将易腐的生鲜产品在生产、储藏、运输、销售直到消费前的各环节中始终处于规定的低温环境下的一项系统工程。冷链物流既要求着眼于各物流环节综合成本的最小化，又要求物流速度快、市场反应灵敏；而物流体系复杂，参与主体多，信息不对称程度较高；物流过程基于安全性的质量监控和实时跟踪，需要高度的信息化技术支撑，传统的人工温度采集方式已不能满足需要。

无线传感网络(Wireless Sensor Network,WSN)是综合应用传感器、嵌入式计算技术的分布式信息处理技术，可以在任何时间、地点和任何环境条件下采集海量数据，特别适用于工业控制和环境监测。目前，无线传感器网络在精细农业，特别是温室控制、精确灌溉、动植物生长监测等领域的应用在国内外已有相关研究，该技术应用于水产品冷链物流实时监测也成为了必然趋势。

冷藏车是冷链物流中的一个重要环节，它能保证在水产品在加工环节到各地冷冻仓储间的运输过程中始终处于一个合适的温度下，以保证水产品的质量安全，同时降低了损耗。但由于在运输过程中，冷藏车无法实时监测货箱内的温度，不同的水产品对冷藏温度都有各自不同的要求，故无法保证货物时刻处于适宜的温度下。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明的目的是为了解决上述问题，提供了一种应用在水产品冷藏车上的无线传感器网络。

（二）技术方案

为了解决上述问题，本发明提供了一种用于冷藏设备的无线传感器网络，包括：协调器节点，分别与传感器节点和上位机连接，用于将来自传感器节点的数据进行处理后传输到上位机；传感器节点，与协调器节点连接，用于将采集到的数据发送到协调器节点。

优选地，所述协调器节点包括：能量供给模块、无线通信模块、数据处理模块、数据上传接口模块和天线模块。

优选地，所述传感器节点包括：能量供给模块、无线通信模块、数据采集模块、数据处理模块和天线模块。

优选地，所述能量供给模块分别与无线通信模块、数据处理模块和数据上传接口模块连接，为其提供电源。

优选地，所述能量供给模块分别与无线通信模块、数据采集模块和数据处理模块连接，为其提供电源。

优选地，所述数据处理模块用于数据处理、无线通信控制及通信协议的定制。

优选地，所述无线通信模块接收来自传感器节点的数据，并传送给数据处理模块进行处理。

优选地，所述无线通信模块接收来自数据处理模块的数据，并传送给天线模块发出。

优选地，所述天线模块用于将收到的信号传送至无线通信模块或者将无线通信模块发出的信号传送出去。

优选地，所述数据采集模块为型温、湿度传感器，用于采集冷藏设备的温、湿度数据。

（三）有益效果

本发明提供的无线传感器网络具有低功耗、高稳定性、高鲁棒性等特点，使水产品在加工环节到各地冷冻仓储间的运输过程中始终处于一个合适的温度下，保证水产品的质量安全，同时降低损耗。

附图说明

下面参照附图并结合实例来进一步描述本发明。其中：

图1为根据本发明实施例的无线传感器网络的结构示意图。

图2为根据本发明实施例的协调器节点的结构示意图。

图3为根据本发明实施例的传感器节点的结构示意图。

图4为根据本发明实施例的协调器节点监测数据转发流程图。

图5为根据本发明实施例的传感器节点温、湿度数据采集流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明以水产品冷链物流为研究对象，以冷藏车货箱内的信息采集技术为核心，提出了基于ZigBee的冷藏车智能无线传感器节点设计及具体实现方案。根据本发明提供的应用在水产品冷藏车上的无线传感器网络，其包括两种类型的节点：一种为协调器节点，一种为传感器节点。其中，协调器节点称为全功能设备（Full Function Devices，FFDs）；传感器节点称为精简功能设备（Reduced Function Devices，RFDs）。全功能设备能够任何网络设备通信并能充当各种网络角色，精简功能设备只能与全功能设备通信，一般仅能充当终端监测节点。在一个ZigBee网络中，一般存在一个网络协调器，用于负责网络建立及相关配置，存在若干终端设备用于接收和发送报文。本发明针对水产品冷链物流实时监测的特点，设计了一种网络协调器节点和一种具有路由功能的传感器节点用于冷藏车温、湿度信息的实时监测。传感器节点通过挂接相应的温、湿度传感器采集温、湿度数据并将采集数据以无线方式发送到协调器节点，协调器节点接收到数据并将数据通过串口传输到车载ARM工控计算机。

如图1所示，本发明实施例描述的应用在水产品冷藏车上的无线传感器网络包括协调器节点和传感器节点。其中，传感器节点与协调器节点可以通过无线连接，协调器节点与上位机可以采用RS-232串口连接。

根据本发明的应用在水产品冷藏车上的无线传感器网络，其中，协调器节点包含能量供给模块6、无线通信模块2、数据处理模块4、数据上传接口模块7和天线模块5。

能量供给模块6使用USB供电，供电电压为5V，并且使用ASM1117-33电源芯片将5V电压降低为3.3V以匹配芯片电压。能量供给模块6分别与无线通信模块、数据处理模块和数据上传接口模块7连接，为协调器节点提供电源以正常工作。

无线通信模块2、数据处理模块4可采用TI公司生产的CC2530F256型芯片，该芯片集成8051内核和射频收发芯片。数据处理模块4用于数据处理、无线通信控制及通信协议的定制等，并且作为嵌入式系统的载体，在协调器节点中，无线通信模块2将传感器节点传送过来的数据接收，再通过数据处理模块4处理后经过数据上传接口模块7上传至上位机。

数据上传接口模块7可采用标准的DB9接口，MAX232作为串行接口芯片通过统一的电平配置，直接与上位机通信。MAX232具有两组全速率串行收发器，最大数据速率为250kbps，使用3.0～5.5V直流电源。

天线模块5可采用50Ω外接鞭状天线，用于收发无线通信信号，将收到的信号传送至无线通信模块2或者将无线通信模块2发出的信号传送出去，实现传感器节点与协调器节点的通信。

根据本发明的应用在水产品冷藏车上的无线传感器网络，其中，传感器节点包括能量供给模块1、无线通信模块2、数据采集模块3、数据处理模块4和天线模块5。

所述能量供给模块1采用干电池供电模块并且采用电容滤波来使供电电压稳定，能量供给模块1分别于无线通信模块2、数据采集模块3和数据处理模块4连接，为传感器节点提供电源以正常工作。

无线通信模块2、数据处理模块4可采用TI公司生产的CC2530F256型芯片，该芯片集成8051内核和射频收发芯片。数据处理模块4用于数据处理、无线通信控制及通信协议的定制等，并且作为嵌入式系统的载体，在传感器节点中，数据采集模块3采集到的数据上传至数据处理模块4处理后，无线通信模块2将处理后的数据通过天线模块5发出。

数据采集模块3可采用SHT11数字型温、湿度传感器，用于探测待测环境温、湿度，并将被测环境温、湿度的微小变化转换为电信号，电信号上传至数据处理模块4。SHT11是瑞士Sensirion公司生产的基于I2C总线的集成温度湿度传感器，该传感器通过两线接口（数据和时钟）与单片机相连，在-40～123.8℃工作范围内具有0.01℃分辨率和±0.4℃的精确度，使用2.4～5.5V直流电源，采样电流为0.55mA。CC2530F256型芯片内部集成ADC模块，I/O接口P0口与ADC接口分时复用，将P0口全部引出，以方便拓展模拟型传感器使用，将模拟型传感器采集到的模拟信号转换为有规律的数字信号，送入数据处理模块4进行处理。

天线模块5采用50Ω外接鞭状天线，用于收发无线通信信号，将收到的信号传送至无线通信模块2或者将无线通信模块2发出的信号传送出去，实现传感器节点与协调器节点的通信。

由于在冷链运输过程中，水产品冷藏车上需要检测的环境参数比较单一，比如温度、湿度等等，因此本发明的实施例仅使用温、湿度传感器。但是，该节点如扩展应用到其他产品冷藏车上时，往往需检测如二氧化碳、二氧化硫等气体浓度等有很多参数，应用不一样，待测参数不一样，因此，根据本发明可以预留其他传感器接口以供扩展使用。

本发明中节点的软件设计分两个方面：一是协调器节点程序；二是传感器节点程序。本发明中构建ZigBee无线传感器网络的软件开发环境采用IAR Embedded Workbench for 8051，所采用的协议栈是TI的Z-STACK。ZigBee协议栈运行在一个OSAL(操作系统抽象层)操作系统上,该操作系统基于任务调度机制,通过对任务的事件触发来实现任务调度。

网络协调器主要是建立和管理一个ZigBee网络，将网络中的数据通过串口传送给其上位机。协调器首先建立一个ZigBee局域网，然后扫描所设定的信道，接收新的节点加入并且会分配给其一个特定的网址。在本研究中，协调器在网络生存期内，监听设定的信道，一旦有传感器节点发送过来的数据到达，就会分配给信源节点一个网址，建立于信源节点的联系，将信源节点采集的数据通过串口发送给上位机。发送完成后，协调器重新开始监听信道。

传感器节点只负责与协调器节点进行通讯，将采集的数据发送给协调器。在本研究中，首先传感器节点会进行上电复位，节点进行初始化，包括初始化系统、初始化网络配置等，扫描可用的信道来寻找协调器节点，申请加入改协调器节点创立的网络。由于选用了干电池供电，所以传感器节点采用唤醒的工作机制。在没有数据请求的时候，传感器节点处于睡眠状态。而一旦有了数据请求，传感器节点马上进入工作状态，先对数据请求命令解析并回应，再进行传感器的启动、数据的采集、数据的发送等。发送完毕，进入睡眠状态，等待下一个数据请求命令。

SHT11测量的信号包括温度和湿度，测得的数据为：

（一）相对湿度

SHT11可通过DATA数据总线直接输出数字量湿度值，该湿度值称为“相对湿度”，需要进行线性补偿和温度补偿后才能得到较为准确的湿度值，可通过公式（1）进行信号转换。

${\mathrm{RH}}_{\mathrm{linear}}=C_1+C_2\×{\mathrm{SO}}_{\mathrm{RH}}+C_3\×{\mathrm{SO}}_{\mathrm{RH}}^2(\%\mathrm{RH})---\left(1\right)$

式中，RH_linear为经过线性补偿后的湿度值；SO_RH为相对湿度测量值；C₁、C₂、C₃为线性补偿系数，取值分别为C₁＝-2.0468、C₂=0.5872、C₃=-4.0845E-4。

（二）温度

SHT11由能隙材料PTAT（正比于绝对温度）所研发的，故具有极好的温度线性。可以利用公式（2）将温度数字输出转化为实际的温度值。

T=d₁+d₂×SO_T    （2）

式中，T为实际温度值；d₁、d₂为修正系数，取值分别为d₁＝-39.6，d₂＝0.01。

（三）湿度信号的温度补偿

由于温度对湿度的影响十分明显，而实际温度和测试参考温度25℃有所不同，所以可以利用公式（3）对线性补偿后的湿度值进行温度补偿。

RH_ture=(T-25)×(T₁+T₂×SO_RH)+RH_linear    （3）

式中，RH_linear为经过线性补偿和温度补偿后的湿度值；T为测试湿度值时的温度；T₁、T₂为温度补偿系数。取值分别为SO_RH＝8、T₁=0.01、T₂=0.00128。

本发明中根据需要可以进行冷链环境系统测试和通信性能测试。

冷链温度环境使用称变温箱模拟。向传感器节点和协调器节点中分别烧写嵌入式系统，将协调器节点ARM工控计算机通过RS-232接口连接，以模拟车载移动数据采集场景。该测试设置变温箱为空载运行进行冷链环境系统测试。首先设置变温箱在60℃运行60min以干燥变温舱。向监测节点盒体放置石灰干燥剂避免低温环境下水蒸汽在电路板凝结造成短路。

将监测节点放入变温仓内，密闭舱门，设置变温箱在-18℃运行12小时，进行冷链环境的系统测试，温度采样间隔为10分钟。协调器通过RS-232接口将数据上传至ARM工控计算机。

通信性能测试为接收信号强度指标（Received Signal StrengthIndicator,RSSI）和丢包率。

从MAC帧读出的RSSI是芯片寄存器的原始值，需经过运算将其转换为接收节点的RF管脚的功耗值。计算公式如下

RSSI=RSSI_VAL+RSSI_OFFSET    (4)

式中RSSI_VAL——RSSI原始值，dBm

RSSI_OFFSET——修正偏移，dBm

为避免单次测试的不稳定性，应用统计均值对测量结果进行校正。

式中k——MAC帧发送数量，个

RSSI_i——第i个数据帧的RSSI强度，dBm

设置通信频率为2475MHz，在9个距离对11种发射功率进行测试，每组发送500（k=500）个长度为30字节的MAC帧，在接收端计算μ_rssi并统计丢包率。

本发明提供的无线传感器网络可以有效地应用在水产品冷藏车上，同时还可以方便的移植到其他环境下应用，具有高性能、低成本、短开发周期等优点。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (10)

1.一种用于冷藏设备的无线传感器网络，其特征在于，包括：

协调器节点，分别与传感器节点和上位机连接，用于将来自传感器节点的数据进行处理后传输到上位机；

传感器节点，与协调器节点连接，用于将采集到的数据发送到协调器节点。

2.如权利要求1所述的无线传感器网络，其特征在于：

所述协调器节点包括：能量供给模块（6）、无线通信模块（2）、数据处理模块（4）、数据上传接口模块（7）和天线模块（5）。

3.如权利要求1所述的无线传感器网络，其特征在于：

所述传感器节点包括：能量供给模块（1）、无线通信模块（2）、数据采集模块（3）、数据处理模块（4）和天线模块（5）。

4.如权利要求2所述的无线传感器网络，其特征在于：

所述能量供给模块（6）分别与无线通信模块、数据处理模块和数据上传接口模块（7）连接，为其提供电源。

5.如权利要求3所述的无线传感器网络，其特征在于：

所述能量供给模块（1）分别与无线通信模块（2）、数据采集模块（3）和数据处理模块（4）连接，为其提供电源。

6.如权利要求2或3所述的无线传感器网络，其特征在于：

所述数据处理模块（4）用于数据处理、无线通信控制及通信协议的定制。

7.如权利要求2所述的无线传感器网络，其特征在于：

所述无线通信模块（2）接收来自传感器节点的数据，并传送给数据处理模块（4）进行处理。

8.如权利要求3所述的无线传感器网络，其特征在于：

所述无线通信模块（2）接收来自数据处理模块（4）的数据，并传送给天线模块（5）发出。

9.如权利要求2或3所述的无线传感器网络，其特征在于：

所述天线模块（5）用于将收到的信号传送至无线通信模块（2）或者将无线通信模块（2）发出的信号传送出去。

10.如权利要求3所述的无线传感器网络，其特征在于：

所述数据采集模块（3）为型温、湿度传感器，用于采集冷藏设备的温、湿度数据。

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