物联网技术在农产品流通的研究

随着农业科技的提高，新品种新方法的引进，人们可以足不出户，就能品尝到世界各地的新鲜农产品。但农产品运输过程中，存在运输不便、易腐烂的问题。这些问题在增加农产品非生产性损耗的同时，还提高了其在销售环节中的零售成本。为降低成本，提高各类农副食品的安全，保鲜与运输工作已经越来越受到人们的关注，特别是对冷链类物流全程的监测与控制也产生了迫切的需求。目前，在农产品物流过程中，所采用的温度监控手段相对陈旧，且可行性差，耗费人工成本较高，数据导出的工作量大，缺乏全面监控的可操作性。而引入以传感器网络（WirelessSensorNetworks，WSN）为核心基础的物联网（InternetofThings，IOT）技术，则可以有效解决农产品物流监控问题。WSN是通过部署大量的廉价微型传感器节点，通过无线通信方式，协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者[1]。结合现有的GPRS等成熟远程访问技术，构成物物相通、物人相通的IOT体系，使大范围、远距离监控成为一种可能。将物联网技术应用到传统农产品物流行业中[2]，不仅可以解决包括时令果蔬在内的农产品保鲜与运输问题，降低百姓的购买成本；同时，也为新信息技术向农业等基础产业的推广应用，作出了一次具有实用价值的表率。

一、系统整体设计特点和功能

抑制农产品中微生物滋生和酶的活性，检测并控制运输中磕碰颠簸对产品的损伤，是延长流通过程中水果蔬菜存储期的一种有效方式。利用WSN节点放置的灵活性，将其布置在货物或箱体之中，可以及时测量温度、湿度、气体、震动等存贮条件的变化，而这些正是促使农产品腐烂变质的诱因。因此，将WSN应用在冷链物流中，结合GPRS技术迅速向产品所有者和驾驶者发出警报，就可以全程实现对产品流通环节的实时监控和及时反馈，保证农产品的流通质量，降低损耗成本。系统由多个温湿度和无线传感通信功能为一体的无线采集节点（通过无线通信方式获得食品或者药品的相关参数信息）、集无线通信功能与GPS、GPRS功能于一体的主控节点系统（将采集的信息进行数据融合，然后通过GPRS的方式传输到移动运营商服务器）以及用于存储数据的网管服务器软件系统和用于显示、统计数据远程监控客户端软件系统（从移动运营商服务器获得各个温度检测子系统的ID和温湿度信息，集中显示以实现直观监控并给予分析和保存）组成。

二、硬件设计

（一）无线采集节点

无线采集节点利用控制模块调度传感模块采集周围的温湿度信息，经过必要的转换（如模/数转换）和基本的数据处理，通过射频（RF）模块无线地将所采集处理的信息送到信息汇集的主控节点，并能够接收来自于其通信范围内的其他采集节点送来的信息和主控节点发来的控制命令。由于采集节点收发的数据量较少，通信距离仅限于物流箱体内，且均采用低功耗芯片设计，因此普通低能蓄电电池完全可以解决采集节点的能量供给。因此，无线采集节点将包含传感模块、处理模块和射频模块三个关键部分。系统的节点控制模块和射频模块采用nRF9E5，这是一款系统级无线射频收发芯片，内嵌高性能的8051兼容微控制器、射频收发器和4通道10位A/D转换器。nRF9E5将能够完成对节点的基本控制和RF射频收发两大功能，具有集成度高、耗电小的优点。nRF9E5的片内微控制器与标准8051兼容，收发器由频率合成器、功率放大器、调制器和接收单元组成。在发射模式(TX)下，最小工作电流仅为9毫安(输出功率-10分贝毫伏)，接收(RX)模式下的工作电流为12.5毫安，掉电模式下的工作电流仅为2.5微安。可见，nRF9E5的功耗很低，比较适宜应用到无线传感网络系统中，以延长电池寿命[3]。无线采集节点的传感模块为Maxim公司的DS18B20传感芯片及其电路组成。DS18B20能够提供9-12bit精度的数字式温度，工作范围在-55℃至125℃之间，能够满足从冷链物流中车载冷库到常温冷库的温度测量范围[4]。所设计的无线采集节点除了具有体积小、功耗低的特点之外，温度检测系统节点采用接触式温感探头，与被测体物理连接，具有测量精度高、响应速度快等优点。

（二）系统主控节点

（Sink）设计Sink节点是汇聚、融合温度采集节点的传感数据、并采集自身地理位置信息（GPS）通过GPRS节点向远程中心站上报的节点。Sink节点的硬件设计中包含了SIM548（GPS/GPRS）、nRF905(处理)和MSP430F149（射频）三大核心芯片。MSP430被作为Sink节点的主控芯片，控制nRF905在无线通信网络进行数据收集，并将收集到的无线通信网络的相关数据进行相应的处理、融合；然后，主控芯片调度SIM548中的GPS功能，读取当前时间以及经纬度位置信息，通过GPRS的方式将所采集到的数据传输到系统网络服务器的数据库中。其中，主控制器MSP430f149与SIM548模块之间采用串行异步通信模式，并设定主控制器采用9600b/s波特率与SIM548进行通信，并通过发送AT指令对SIM548模块进行上下行通信的控制。Sink节点的基本功能有以下几点。

1.通过无线射频模块与采集节点进行数据交互。Sink节点的控制器通过无线模块接收来自无线采集节点的温度数据，并在需要改变无线采集节点配置时下发指令给采集节点。

2.通过GPS模块采集农产品所在的地理位置信息。在向远程中心站上报所采集的所有采集节点数据之前，Sink节点需要启动GPS模块，记录当前车辆所在地理位置。只有实时的位置信息与产品当前信息的结合，才能有效帮助应用者对农产品所处环境和控制作出正确的判断。

3.通过GPRS模块与远程中心站建立通信连接。Sink节点可以将温度数据和地理位置以GPRS的方式上传至远程中心站。GPRS网络支持依靠移动运营商提供的SIM手机卡实现。

4.作为辅助模块，电源也是Sink节点设计的关键之一。Sink节点的电源系统可以由外接直流电源、本地蓄电池和电源管理电路共同组成。通常，GPRS/GPS模块由外接直流供电，控制器（射频模块）由蓄电池供电。当蓄电池电量消耗完之后外接直流电源管理模块将切换供电电路以保证控制器的正常工作，车载供电系统可以直接作为Sink节点的有电源的供给所使用。另一方面当外接直流电源发生故障后，由蓄电池供电的控制器仍能正常采集并存储车内温度等数据，以备电源故障接触后发送至中心站端。

三、系统软件设计

软件设计中，包括针对两类节点片上系统的配置与配套程序的设计、节点间无线通信传输协议设计、上位机系统中网络监控软件的系统设计。

（一）通信协议设计

根据通信类型的差异，系统通信协议可以区分为短距离无线通信和长距离GPRS通信两类信息传递方式。短距离无线通信协议解决采集节点之间，采集节点与Sink节点之间的通信规则。协议中规定了采集节点与Sink节点之间数据、命令的定义及传输方式。而Sink节点与远程的上位机系统间通信则按照GPRS协议进行。采集节点的核心功能，是完成对周围温度和湿度数据的定时上报。当采集节点成功上报数据后，会收到来自Sink节点的确认信息。另一方面，如Sink节点需要对采集节点的参数进行更新配置，如定时、频率调整等，则应在回复的确认信息中增加所需的配置信息。采集节点根据新配置参数，更新配置后，进入下一个定时周期。Sink节点除了与采集节点进行数据/命令交互外，还需负责GPS信号采集和远程GPRS数据传输。当Sink节点收到来自采集节点上报的温、湿度等数据信息之后，如果有配置信息反馈，则直接通过确认命令包发送给指定的采集节点。Sink节点轮询完成与所有采集节点的数据交互之后，采集自己片上的GPS实时数据，该信息包括地理位置信息和时间戳，然后开启GPRS模块，并与通信商网络建立TCP连接，将采集到的数据和GPS数据一并通过通信商网络，传送至上位机监控系统的数据库中。若Sink节点需要上位机系统给出的配置信息，则继续保持GPRS连接并持续接收，否则断开连接，进入待机状态。

（二）上位机监控系统

上位机上的监控软件由两部分组成：网管服务器软件和远程监控客户端软件，完成对农产品物流运输中，冷链箱体内监测信息与产品在物流过程中的实时跟踪地图。其中，网管服务器软件与互联网相连，用以接收Sink节点通过GPRS上报的农产品物流过程中的数据。网管服务器软件可安装于任意位置的计算机，但必须有全球唯一的IP地址。监控客户端软件安装在远程监控中心的上位机上，用于数据显示、统计、基本控制判决和命令的发送。客户端软件主要包括四种菜单功能：配置、数据输出、关闭和帮助。菜单中可以完成对传感器节点编号和车内编号对应关系，以及修改用户名和密码等信息的配置；当用户需要对这些数据进行存档时，可以利用数据输出功能，将采集的历史和当前数据信息导出至本地磁盘；在启动关闭软件功能前，应注意保存数据；软件的功能介绍和使用说明在帮助菜单可以查询。

作者：熊伟丽 秦宁宁 单位：江南大学物联网工程学院