第27卷第6期农业工程学报V ol.27 No.6 208 2011年6月Transactions of the CSAE Jun. 2011
郭斌1,2，钱建平1，张太红2，杨信廷1※
（1. 国家农业信息化工程技术研究中心，北京 100097；
2. 新疆农业大学计算机与信息工程学院，乌鲁木齐 830052）
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，Zigbee
doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2011.06.038
中图分类号：TP274+.5 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2011)-06-0208-06
郭 斌，钱建平，张太红，等. 基于Zigbee的果蔬冷链配送环境信息采集系统[J]. 农业工程学报，2011，27(6)：208－213.
Guo Bin, Qian Jianping,Zhang Taihong, et al. Zigbee-based information collection system for the environment of cold-chain logistics of fruits and vegetables [J]. Transactions of the CSAE, 2011, 27(6): 208－213. (in Chinese with English abstract)
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[1]。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[2]。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[3]。
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
收稿日期：2010-06-01 修订日期：2010-07-06
基金项目：公益性行业（农业）科研专项经费-果树遗传改良与控制技术研究及其应用（200903044）；北京市科委课题-京产大宗农产品质量安全检测与监测科技支撑工程（Z09090501040901）
作者简介：郭斌（1981－），男，辽宁沈阳人，主要从事无线通信等方面研究。乌鲁木齐 新疆农业大学计算机与信息工程学院，830052。Email: gb@xjau edu,cn
※通信作者：杨信廷（1974－），男，山东安丘人，博士，副研究员，中国农业工程学会会员（E041200352S），主要从事农产品质量安全溯源及农业信息化关键技术研究。北京海淀区板井曙光花园中路11号北京农科大厦A 座307，100097。Email: 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[4-5]。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[6-9]。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[10]；L.Ruiz-Garcia等[11-12]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[13]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：2450 MHz(250 kb/s)，915 MHz(40 kb/s)和868 MHz(20 kb/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209
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[14]。
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[15]。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2.4 GH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19 dbm，传输距离最远1 000 m，功耗小于2.8 µA，接收灵敏度：-100 dbm，发送：+19 dbm，发送电流小于120 mA，接收电流：小于45 mA；尺寸：18 mm×40 mm。
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℃[16]。
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3.3 V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10 kΩ的电阻接至3.3 V电压。其连接原理图如图1所示。
图1 JN5139-Z01-M02R1与SHT75连接原理图
Fig.1 Principle of the circuit for JN5139-Z01-M02R1 and SHT75
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
玻璃砖墙
新风控制系统座下边。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
由于无线传输使用的是十六进制数发送的数据，当上位机软件接收到数据时就会出现以数字“0”开头的数据“0”自动会被舍去的情况，又由于温湿度数据的长度在传输之前不能确定，故本研究中采用的数据包格式如下：
洗衣篓表1 数据包格式
Table1 Format of Data Packets
包头 Mac地址位1间隔符… Mac地址位8
间隔符温度传感器湿度传感器结束符包尾
其中采用字符“x”为间隔符，字符“z”为结束符，上位机将从串口接收到数据包转换成数据的处理流程图如图2所示。
图2 数据接收流程图
Fig.2 Flowchart of data receiving
用户通过串口参数设置功能设置串口的波特率、奇偶校验位和停止位等参数使其与汇聚节点的串口配置参数相同，串口首先接收数据包的第一位数据，判断其是否是结束符‘z’，若是结否符‘z’停止接收数据，若不是结否符‘z’，则判断其是否为传输间隔符‘x’，若不是传输间隔符‘x’，则继续接收数据并将读入字符数标志位加1，直到读入位是传输间隔符为止，其中，读入字
农业工程学报 2011年
210
符数标志位是统计已读入数据的位数。若传输间隔符是‘x ’，再判断读入字符数标志位是否为1，若为1，则代表只接收到1位数据，则表证明此组数据的前面的数字“0”会被系统自动舍掉，故在此组数据前补上字符“0”并保存至数据库，若读入字符数标志位不为1，则此组数据可能为空，或正常MAC 地址位数位或传感器数据，系统将其直接存入数据库中。
3.2 软件功能设计
球形接头
上位机的果蔬冷链配送环境信息采集软件采用C/S 架构，运行于车载电脑的嵌入式Windows XP 上，软件采用net 开发，数据库用MS SQL Server 2000。
软件具有数据采集、动态显示、存储管理、无线传感器网络测试功能以及系统相关设置等功能（如图3）。
a. 数据维护界面
b. 温度监视器界面
图3 上位机软件界面
Fig.3 Interface of the system
3.2.1 数据采集功能
实时采集功能是实现实时采集来自环境信息采集节点的温湿度数据，并存储到数据库中，通过软件提供的转换成Excel 文件的功能，可以将数据转换成Excel 文件，
并进行打印。
3.2.2 动态显示功能
可以将采集上来的温湿度数据按着无线传感器在车厢内的位置进行按位置动态显示，或按曲线图进行实时
第6期郭斌等：基于Zigbee的果蔬冷链配送环境信息采集系统211
显示。
3.2.3 无线传感器设置功能
通过本功能可以对无线传感器进行一般性的设置，例如：可以设置无线传感器采集数据的间隔，可以设置使用哪个无线传感器进行采集数据。
3.2.4 无线传感器网络测试功能
通过本功能可以对无线传感器网络质量进行调试与测试。其中包括包接收率(PRR)，发送和接收包数量，分析数据包格式与内容，接收信号强度(RSSI)，链路质量指示(LQI)和电池电量的记录与显示。
4 试验与分析
4.1 运输车
本试验使用的运输车采用的是北京乐平农产品产销有限公司的福田冷藏运输车，其货箱内部尺寸（长×宽×高）为：4 250 mm×1 810 mm×1 900 mm。车厢材为车厢两侧采用内外各一层0.7 mm的彩板，中间夹80 mm厚的新型无氟聚氨酯发泡材料。车厢前、顶、底盘采用内外各一层0.7 mm的彩板，中间夹100 mm厚的新型无氟聚氨酯发泡材料，冷藏车门采用0.7 mm厚的彩板，中间夹80 mm厚的新型无氟聚氨酯发泡材料。制冷机采用BD380冷藏车机组（见图4）。
图4 北汽福田冷藏运输车
Fig.4 Refrigerated transporter of Beiqi Forton
4.2 试验条件
由于部署在冷藏车厢内的传感器节点在无线信号传输过程中不但受到墙壁的直射、反射、绕射和散射等影响，而且还受到金属物体墙壁阻挡等影响。金属物体的障碍物，不仅阻挡微波无线信号，它还能把电磁的能量给吸收掉，生成弱电流泄流掉，微波的最大特点就是近乎直线传播，绕射能力非常弱，所以本试验对无线设备在冷藏车内的信号传输进行了测试，以证明该环境信息采集节点可以在冷藏车厢环境下正常使用。
通过参阅相关文献[17-18]，得到不同果蔬产品的最佳冷链运输温度和湿度。如：菠萝、香蕉、黄瓜、番茄、南瓜等一般冷藏运输温度在10～12℃之间，相对湿度在85%～90%之间；桔子、马铃薯等一般冷藏运输温度在4.5℃左右，相对湿度在85%～90%之间；苹果、葡萄、大白菜、芹菜等一般冷藏运输温度在-0.5～1.5℃之间，相对湿度在85%～90%之间。故本试验采用的温度和相对湿度分别为：0(90%)、5(90%)、12℃(90%)。
根据使用的要求，试验中冷藏车厢内的环境采集节点在空车和装满西瓜2种情况下，分别在0、5和12℃3个不同温度和相对温度为90%环境中进行数据包接收率对比测试。为了对比方便，每种情况分别放置了3个环境采集节点：1）距离协调器节点最近点A；2）居中点B；3）最远点C（见图5）。其中，满车时环境采集节点放置在货物的最上边，汽车为正常行驶状态下（速度大约40～60 km/h），
环境采集节点与协调器节点之间数据传输速度为250 kb/s，环境采集节点每1 s采集一次数据，共测6 000条数据，总共花费100 min。
图5 无线传感器节点布置图
Fig.5 Layout of wireless sensor node
4.3 试验结果与分析
包接收率（PRR）是指在某个时间段内接收到的包占发包总数的百分比。在本试验中定义包接收率(P
RR)等于协调器接收到并通过CRC检验和包长度与包顺序都无误包的数量与环境信息采集节点总发出数量之比。
使用开发的软件中的测试功能对数据通信过程进行数据采集测试，得出在一段时间内数据的包接收率曲线。图5分别是0、5和12℃的数据包正确接收率情况。
图6 无线传感器测试数据Fig.6 Test data of wireless sensors
农业工程学报2011年212
输电线路覆冰由图6可知，1）通过空车上采集情况与满车上采集情况对比可知，由于货物会对无线信号有阻挡作用，故载满货物时包接收正确率要比空车时要低一些，在满车时因为位置A受货位阻碍比其他2个位置少些，位置A 要比位置B和位置C包接收正确率要高些，位置B因直对着空调的，所以无线信号也受到了一定的影响。2）通过0、5和12℃ 3种不同温度下对比测试可知，温度对无线信号有一定的影响。3）在空车时无货物阻挡无线信号，但是无线设备在传输过程中会自己丢失一些包，这是由于金属墙壁阻挡、反射等导致的包错误重发。
5 结 论
1）农产品物流配送过程信息是追溯信息的重要组成部分，本文以Zigbee为基础，构建了车载环境中的无线传感器网络，在选择传感器模块和无线网络芯片的基础上设计了传感器节点，结合嵌入式和技术开发了果蔬冷链配送环境信息采集系统，实现了对冷藏车厢内温湿度环境信息的实时动态采集和传输。
2）将系统应用于实际物流过程中进行了测试，分别在0、5和12℃温度和相对湿度90%下进行了数据传输包收发率的测试，结果表明不同温湿度对包收发率影响不大，均达到了80%以上，因此利用上述设备及系统进行冷藏车内温湿信息采集与监测是可行的。
3）本文在测试中是以果蔬产品物流过程监控为例进行的，该系统稍做改动后对畜禽产品及水产品的
物流监控系统的开发具有一定的参考价值。
[参 考 文 献]
[1] 杨信廷，钱建平，赵春江，等. 蔬菜安全生产管理及质量
追溯系统设计与实现[J]. 农业工程学报，2008，24(3)：162
－166.
Yang Xinting, Qian Jianping, Zhao Chunjiang, et al. Design
and application of safe production and quality traceability system for vegetable[J]. Transactions of the Chinese Society
of Agricultural Engineering, 2008, 24(3): 162－166. (in Chinese with English abstract)
[2] 谢菊芳，陆昌华，李保明，等. 基于.NET构架的安全猪肉
全程可追溯系统实现[J]. 农业工程学报，2006，22(6)：218
－220.
Xie Jufang, Lu Changhua, Li Baoming, et al. Implementation
of pork traceability system based on .NET framework[J].
Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,
2006, 22(6): 218－220. (in Chinese with English abstract) [3] 张娅妮，陈洁，陈蕴光，等. 机械式冷藏车中货物装载间
隙对厢内温度场的影响[J]. 制冷与空调，2007，7(4)：101
－104.
Zhang Yani, Chen Jie, Chen Yunguang, et al. Influence of
loading gap on the temperature field of mechanical refrigerated vehicles[J]. Refrigeration and Air-conditioning,
2007, 7(4): 101－104. (in Chinese with English abstract) [4] Lee Voonliong, Lee Yeokboon. Remote monitoring of refrigerated
containers: Communication System[C]. School of Electrical
and Electronic Engineering, Nanyang, Technological Institute, 1989.
[5] Othmm Bin, Mohamed Kassim. Remote Monitoring of
Refrigerated Containers by Intelligent Sensors[D]. School of Electrical and Electronic Engineering, Nanyang Technological Institute, 1989.
[6] 包长春，石瑞珍，马玉泉，等. 基于Zigbee技术的农业设施
测控系统的设计[J]. 农业工程学报，2007，23(8)：60－163.
Bao Changchun, Shi Ruizhen, Ma Yuquan, et al. Design and
realization of measuring and controlling system based on Zigbee technology in agricultural facilities[J]. Transactions
of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2007, 23(8): 160－163. (in Chinese with English abstract)
[7] 蔡义华，刘刚，李莉，等. 基于无线传感器网络的农田信
息采集节点设计与试验[J]. 农业工程学报，2009，4(25)：
176－178.
Cai Yihua, Liu Gang, Li Li, et al. Design and test of nodes for
farmland data acquisition based on wireless sensor network[J].
Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2009, 4(25): 176－178. (in Chinese with English abstract) [8] 乔晓军，张馨. 无线传感器网络在农业中的应用[J]. 农业
工程学报，2005，21(2)：232－234.
Qiao Xiaojun, Zhang Xin, Wang Cheng, et al. Application of
the wireless sensor networks in agriculture [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2005, 21(2): 232－234. (in Chinese with English abstract)
[9] Ning Wang, Naiqian Zhang, Maohua Wang. Wireless sensors
in agriculture and food industry-Recent development and future perspective[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2006, 50(1): 1－14.
[10] Qing Shan, Ying Liu, Gareth Prossec, et al. Wireless
intelligent sensor networks for refrigerated vehicle[C]. IEEE 6th CAS Symp. on Emerging Technologies: Mobile and Wireless Comm, 2004, 525－528.
[11] Ruiz-Garcia L, Barreiro P, Rodriguez-Bermejo J, et al.
Monitoring the intermodal, refrigerated transport of fruit using sensor networks[J]. Spanish Journal of Agricultural Research, 2007, 5(2): 142－156.
[12] Ruiz-Garcia L, Barreiro P, Robla J I. Performance of Zigbee-
based wireless sensor nodes for real-time monitoring of fruit logistics[J]. Journal of Food Engineering, 2008, 87: 405－
415.
[13] 赵鹏，孙建军，吴太虎. 基于Zigbee技术的冷链无线监测
系统的研制[J]. 中国医疗器械杂志设计制造，2008，32(6)：424－427.
Zhao Peng, Sun Jianjun, Wu Taihu. Development of wireless
monitoring system based on Zigbee technology in blood and bacterin cold chain [J]. Chinese Journal of Medical Instrumentation, 2008, 32(6): 424－427. (in Chinese with English abstract) [14] Zigbee Alliance, 2005. Zigbee Specifications, version 1.0,生殖器疱疹新药
April 2005.
[15] Jennic official website [EB/OL]. http: //www.jennic/
products/wireless_microcontrollers/jn5139.
[16] Sensirion official website [EB/OL]. http: //www.sensirion/
en/pdf/product_information/Datasheet-humidity-sensor-SHT
7x.pdf
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议