CN103281805A

CN103281805A - 一种无线传感器节点和rfid数据融合的方法

Info

Publication number: CN103281805A
Application number: CN2013102029207A
Authority: CN
Inventors: 李必军; 王敏捷; 高文武
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2013-05-28
Filing date: 2013-05-28
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2033-05-28
Also published as: CN103281805B

Abstract

一种无线传感器节点和RFID数据融合的方法，包括多个无线环境感知传感器终端和手执采集终端，每个无线环境感知传感器终端包括传感器、电池管理单元、主机和无线收发模块，同一采集点处的各无线环境感知传感器终端设置不同种类的传感器；每个无线环境感知传感器终端放在采集点上，实现物流农产品所处微环境的温度、湿度、气体等信息的自动检测和记录，在冷藏保鲜的基础上，增加气体成分调节，通过对贮藏环境中温度、湿度、二氧化碳浓度和光照度等条件的控制，抑制果蔬呼吸作用，延缓其新陈代谢过程，更好地保持果蔬新鲜度和质量，延长果蔬贮藏期和销售货架期。

Description

一种无线传感器节点和RFID数据融合的方法

技术领域

本发明涉及农业技术领域，尤其是涉及一种用于农产品存储、销售及运输等物流过程的无线传感器节点和RFID数据融合的方法。

背景技术

当前我国农产品从“产”到“销”的全供应链存在质量安全问题突出的弊端，而物流过程中环境的优劣直接影响了农产品的保鲜度和质量，因此感知农产品所处的环境条件并做出调整，使其环境条件达到最佳或最适合，将大大提高农产品的保鲜度和质量。

改变贮藏的环境条件从而将农产品贮藏于此环境下，是目前国际上公认的最有效的农产品贮藏保鲜方法之一。农产品在物流过程中所处微环境需要检测的环境指标较多，比如温湿度、气体、光照度等。

传统的改变贮藏的环境条件以提高农产品保鲜度和质量的方法是建立气调保鲜库。气调保鲜库虽有很好的隔热、防潮和气密作用，但造价高，且需要很多辅助设备。气调保鲜库是对气调库内整体环境的控制和调节，一变俱变，且不能感知某一位置的环境信息。而物联网中的RFID（射频识别）和无线传感器节点装置位置是固定的，只能测量在RFID信号覆盖范围内的环境信息，其他地方的不能够测量。

在物联网技术中，利用WSN(无线传感器网络)和RFID技术融合以实现用户同时准确地获得物品的基本信息和所处的环境状态的需求，采用的是建立数据融合器的方法。

首先，物联网中WSNd（无线传感器节点）和RFID融合结构如图1：各传感器节点将传感器数据的EPC编码发送到数据融合器，然后传输到前端系统。

其次，传感器节点的逻辑结构如图2。它通过RHD天线发射射频信号，当贴有电子标签（Tag）的货物存储到仓库并且在WSNd作用范围内时产生感应电流，并将自身编码信息通过卡内置天线传输出去，RFID天线接收到载波信号并传输到RFID阅读器，阅读器对接收到的信息按照相应的编码标准进行编码，然后通过RS-232接口将EPC编码（Electronic ProductCode）传输到传感器节点主控机器的数据存储芯片中，通过串行外设接口SPI在主控制器和射频收发器之间进行同步串行数据传输，通过射频天线发射实现和传感器节点进行数据融合。

将WSNd数据包和EPC编码融合的数据结构如表1所示，通过主控制器发出指令，将EPC-96编码写到WSNd数据包的第6～17个字节中，即将EPC-96编码写到WSNd第6～17这12个未使用的字节（Not used）中，这样即达到了将两种数据融合的目的，又可以提高数据传输的有效率。融合后的数据可以在WSN中通过节点传输，最终到达基站，就达到了同时获取物品的基本信息和环境参数。

表1：

Node ID(Byte0)：Byte0这个位置存放的是传感器节点的ID;

App type(Byte1)：Byte1这个位置存放的是特征码；

Seq.#(Byte2)：Byte2这个位置存放的是一个序号，即该主机选择本次连接的初始序号加上报文段中第一个字节在整个数据流中的序号；

Temperature(Byte4):Byte4这个位置存放的是温度信息。

由于气调保鲜库和物联网都没有解决农产品存储、销售及运输等物流过程中的问题，本领域亟待出现相关技术手段。

发明内容

为了克服现有技术中气调保鲜库和物联网的缺陷，本发明提出一种无线传感器节点和RFID数据融合的方法，只需要几个传感器和手持采集终端设备，功耗低，携带方便，使用灵活，可以满足用户在各个位置获取环境参数的需要。

本发明的技术方案为一种无线传感器节点和RFID数据融合的方法，包括多个无线环境感知传感器终端和手执采集终端，每个无线环境感知传感器终端包括传感器、电池管理单元、主机和无线收发模块，同一采集点处的各无线环境感知传感器终端设置不同种类的传感器；每个无线环境感知传感器终端放在采集点上，执行以下流程，

步骤1，主机给传感器发送命令；

步骤2，传感器采集环境信息数据，电池管理单元采集无线环境感知传感器终端的电压电量数据；

步骤3，传感器采集的环境信息数据和电池管理单元的电压电量数据发送到主机；

步骤4，主机将传感器采集的环境信息数据和电池管理单元的电压电量数据打包，所得数据包由无线收发模块采用RFID射频识别方式发送到手执采集终端，手执采集终端接收数据包并提取各传感器采集的环境信息数据和电池管理单元的电压电量数据。

而且，主机打包所得数据包中包括设备ID编号，手执采集终端接收数据包后，根据设备ID编号判断是读头还是读标签，将读头的信息提取出来得到所有传感器的环境信息数据。

而且，主机打包所得数据包中包括传感器的设备类型，手执采集终端接收数据包后，根据设备类型提取出同一种类各个传感器的环境信息数据，生成不同采集点的同类环境信息表，绘出各个环境因素的曲线。

而且，主机打包所得数据包中包括采集点的相应命令号，手执采集终端接收数据包后，提取同一命令号的不同传感器的环境信息数据，得到某一个采集点的综合环境信息。

而且，传感器为温湿度传感器、二氧化碳传感器或照度传感器。

本发明运用智能微处理器与多传感器集成机理，实现物流农产品所处微环境的温度、湿度、气体等信息的自动检测和记录，在冷藏保鲜的基础上，增加气体成分调节，通过对贮藏环境中温度、湿度、二氧化碳浓度和光照度等条件的控制，抑制果蔬呼吸作用，延缓其新陈代谢过程，更好地保持果蔬新鲜度和质量，延长果蔬贮藏期和销售货架期。主要的优点有：

1）采用多种环境传感器（温湿度传感器、二氧化碳传感器、光照度传感器），涵盖了更全面的环境信息，弥补了单一传感器环境信息不全面的缺陷，本发明通过简单的方法获得了较大的环境信息量；从获取的数据中不仅可以提取出单个的环境信息，绘制单个环境因素变化曲线图，还可以获得综合的环境信息，评价微环境的环境质量，进而判断环境是否利于农产品保质和保鲜。此方法简单明了，不需要复杂的计算和推导，且可以得到微环境中单个环境因素的信息及其改变量，以及各个采集点的综合环境信息，获得的信息量大且全面。为农产品保质和保鲜提供了一种方便快捷的方法。

2）传感器与手持采集终端之间的数据传输采用的是RFID射频识别技术，它是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关环境数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境；可识别高速运动物体，操作快捷方便；

3）数据传输采用统一的协议格式，使传感器数据的分类、识别以及后处理工作更加方便快捷。

附图说明

图1是现有技术的WSNd和RFID融合结构示意图。

图2是现有技术的传感器节点的逻辑结构示意图。

图3是本发明实施例的工作框图。

图4是本发明实施例的数据采集流程图。

图5是本发明实施例的环境信息提取流程图。

图6是本发明实施例的环境信息使用流程图。

具体实施方式

本发明是通过手持采集终端获得各个传感器的数据信息，这些信息已按照约定好的数据格式存储下来，通过读取信息中相应位置的数据即可得到相应的环境信息，进而确定微环境的质量。

以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。实施例设置多个无线环境感知传感器终端，无线环境感知传感器终端工作框图见图3：每一个无线环境感知传感器终端均是按照这种模式工作的。每一个无线环境感知传感器终端的基础部件包括传感器、电池管理单元、主机和无线收发模块，主机一般包括处理器和存储器。各部分硬件可采用现有技术实现。开机后将终端放在采集点上，可以获得采集点的环境信息，还可以同时采集传感器当前的电池电量信息，并把这些信息传送到处理器，经处理器处理后存入存储器，在上传时，处理器可从存储器调用信息并通过无线收发模块将这些信息发送给远端。具体实施时，远端可以采用手持采集终端，手执采集终端可采用支持无线收发的智能设备实现，例如基于智能微处理器的设备。例如应用RFID射频识别技术，把各个传感器的数据通过无线传输到手持采集终端，并且在终端上显示出相应的数据。在需要时，无线环境感知传感器终端也可以接收手持采集终端的命令信息。处理器根据命令信息执行处理，或者对电池管理单元和传感器转发相应命令。

实施例采集信号的程序流程图见图4：

（1）主机给传感器发送命令。

（2）传感器采集环境信息数据，电池管理单元采集无线环境感知传感器终端的电压电量数据。将电池电量信息同步上传给手持采集终端，可及时通过手持采集终端提示某个传感器电量不足，需给其充电。这样有的传感器（比如二氧化碳传感器）相对功耗较大，可及时检查并充电。

（3）传感器采集的环境信息数据和电池管理单元的电压电量数据发送到主机。传感器采集的环境信息数据和电池管理单元的电压电量数据一般是模拟信号，可通过模数转换后输入主机。模数转换为现有技术，具体实施时，在传感器和电池管理单元的输出与处理器之间设置AD芯片即可，本发明不予赘述。

（4）主机将传感器采集的环境信息数据和电池管理单元的电压电量数据打包，所得数据包由无线收发模块采用RFID射频识别方式发送到手执终端，手执终端接收数据包并提取传感器采集的环境信息数据和电池管理单元的电压电量数据。

具体实施时，一般由处理器给传感器发送命令，传感器采集的环境信息数据和电池管理单元的电压电量数据发送到主机的处理器。处理器可以先将传感器采集的环境信息数据和电池管理单元的电压电量数据存入存储器，在手执终端要求上传时，处理器可从存储器调用传感器采集的环境信息数据和电池管理单元的电压电量数据，然后进行打包发送。

每一个无线环境感知传感器终端中的传感器根据需要可采用不同种类，例如温湿度传感器、二氧化碳传感器、照度传感器。不同种类传感器采集的数据都集中上传到远端。

具体实施时，本领域技术人员可以自行设计无线环境感知传感器终端与远端的数据传输协议。实施例的数据传输设传输格式采用n位，分别记为BYTE0、BYTE1…BYTE24，采用协议格式如下表。

表2：

BYTE0	BYTE1	BYTE2～6	BYTE7	BYTE8～23	BYTE24
						包头	数据包长	设备ID	命令号	命令参数	校验和
Head	Len	DevID	cmd	Parameter	CheckSum
						1byte	1byte	5byte	1byte	16bytes	1byte

Head:包头固定为0x23

Len:包长包括DevID+cmd+Parameter，6～22bytes

DevID：设备ID编号，如果命令操作对方是读头，ID=00 00 00 00 00，否则标签操作对象为标签

Cmd：命令号，同一采集点可设置同一命令号

Parameter：命令参数，支持最大16bytes

CheckSum：校验和，CheckSum=0x100-((Byte2+Byte3+...Byten-1)

&0x00FF)

例如有三个无线环境感知传感器终端向远端提供数据：一个采用温湿度传感器，记为WH-1；一个采用二氧化碳传感器，记为WH-2；一个采用照度传感器，记为WH-3。以下提供具体应用说明以供实施参考。

WH-1无线温湿度传感器部分

1）温湿度传感器部分的协议说明

BYTE8～23中温湿度传感器只占用6byte，具体说明如下表。

表3：

2）温湿度传感器和主机通信，采用I2C总线

WH-2无线二氧化碳传感器部分

1）二氧化碳传感器部分的协议说明

BYTE8～23中二氧化碳传感器只占用4byte，具体说明如下表。

表4：

2）二氧化碳传感器和主机通信，采用串口。

WH-3无线照度传感器部分

1）照度传感器部分的协议说明

BYTE8～23中照度传感器只占用4byte，具体说明如下表。

表5：

2）照度传感器根据照度变化会有不同的电流输出，将此电流转换为电压，再放大运用AD转换，对应输出相应照度值。

参见图5，本发明实施例中远端接收到数据包后，通过读取数据包信息中DevID（即第2-6个字节，设备ID编号）信息可以判断是读头还是读标签，将读头的信息提取出来即得到所有传感器的环境信息数据和电压电量数据。

参见图6，环境信息包括温湿度传感器获得的温度、湿度信息，二氧化碳传感器获得的二氧化碳浓度信息及光照度传感器获得的光照度信息。根据信息中第8个字节设备类型信息即可提取出同一种类各个传感器的环境信息数据，各个传感器的环境信息数据可以组成一张表，根据这3张表可以绘出各个环境因素的曲线；另，根据数据中第7个字节命令号，提取命令号一样的不同传感器的环境信息数据即可得到某一个采集点的综合环境信息。具体实现可由本领域技术人员采用计算机软件技术实现。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims

1.一种无线传感器节点和RFID数据融合的方法，其特征在于：包括多个无线环境感知传感器终端和手执采集终端，每个无线环境感知传感器终端包括传感器、电池管理单元、主机和无线收发模块，同一采集点处的各无线环境感知传感器终端设置不同种类的传感器；每个无线环境感知传感器终端放在采集点上，执行以下流程，

步骤1，主机给传感器发送命令；

2.根据权利要求1所述无线传感器节点和RFID数据融合的方法，其特征在于：主机打包所得数据包中包括设备ID编号，手执采集终端接收数据包后，根据设备ID编号判断是读头还是读标签，将读头的信息提取出来得到所有传感器的环境信息数据。

3.根据权利要求1所述无线传感器节点和RFID数据融合的方法，其特征在于：主机打包所得数据包中包括传感器的设备类型，手执采集终端接收数据包后，根据设备类型提取出同一种类各个传感器的环境信息数据，生成不同采集点的同类环境信息表，绘出各个环境因素的曲线。

4.根据权利要求1所述无线传感器节点和RFID数据融合的方法，其特征在于：主机打包所得数据包中包括采集点的相应命令号，手执采集终端接收数据包后，提取同一命令号的不同传感器的环境信息数据，得到某一个采集点的综合环境信息。

5.根据权利要求1或2或3或4所述无线传感器节点和RFID数据融合的方法，其特征在于：传感器为温湿度传感器、二氧化碳传感器或照度传感器。