基于RFID\GPS和ZigBee技术的菌毒种安全运输系统的设计与实现
时间：2022-10-11 06:42:42
(华北计算机系统工程研究所 中央研究院， 北京100083)
摘要：微生物菌毒种的保藏和运输已成为生物安全管理的核心内容，文章在综合比较RFID，GPS，ZigBee技术优点的基础上，给出了开发菌毒种安全运输系统车辆终端，实现菌毒种保存和运输过程的实时定位、跟踪和监控的实现方法。
关键词：RFID； GPS； ZigBee； 运输系统
中图分类号：TN965文献标识码：A
文章编号：20951302(2011)04006204
Design and Implementation of the Safe Transport System of Virus Strain Based on RFID,
GPS and ZigBee Technology
LIN Ying, ZHU Jianyong
(National Computer System Engineering Research Institute, Academic Research Institute, Beijing, 100083，China)
Abstract： Since the preservation and transportation of Microbial virus strain has become the core of biosafety management, the author first compares the technical advantages of RFID, GPS and ZigBee comprehensively, then develops a safe transport system for virus strain, and finally designs a vehicle terminal, thus realizing the realtime locating, tracking and monitoring of virus strain′s preservation and transport.
Keywords： RFID; GPS; ZigBee; transportation system
收稿日期：20110326
0引言
微生物菌毒种是国家重要的生物资源，它与生物安全、人类健康、环境保护和可再生能源等密切相关。医学菌毒种是生物学的重要组成部分，是能够引起人类各种疾病的致病性微生物，因此，微生物的保藏和运输已成为实验室安全管理工作的核心内容。RFID［1］标签体积小、存储容量大、寿命长、可支持移动识别、可多目标识别，并可以在各种环境下工作。GPS［2］可以在全球范围实时提供高精度的三维位置、三维速度和系统时间信息，实现对移动物体的轨迹跟踪，但GPS只采集数据，该数据需要利用GPRS［3］传输到管理中心。ZigBee技术［4］则以特有的低功耗 、低成本、低复杂度成为无线传感网络的首选方案，许多知名的芯片厂商都纷纷推出了ZigBee芯片和各自的协议栈，本文在综合以上技术的基础上，给出了采用chipcon的CC2430芯片来开发菌毒种安全运输系统的实现方法。
1运输系统总体设计
整个菌毒种运输系统由车辆运输系统和远程管理系统组成，它们之间以GPRS作为主要的传输形式。运输车辆终端带有GPS接收器、RFID读写器、GPRS无线模块以及车辆内采用ZigBee技术进行无线监控的车辆内部环境等信息。其中，GPS接收器安装在车辆外部，用来跟踪车辆运输和运行的轨迹；RFID读写器监控生物品的位置信息，并将采集到的位置信息通过无线传输到总控制器，再由总控制器传输到管理平台；GPRS实现车辆终端与管理平台的信息互交，监控物品运输全过程；采用ZigBee短距离无线技术可监控室内环境，如温度和湿度等，图1所示是该运输系统的总体方案。
根据菌毒种保存和运输的特点，可以用菌毒种保存和运输过程的实时定位、跟踪和监控技术，以及集成GPRS和电子标签(RFID)中间件技术，来开发菌毒种运输系统，并实现如下主要功能：
(1) 实时跟踪和监控菌毒种运输、运输车辆以及运输人员的状况；
(2) 实现菌毒种运输过程管理平台与车辆设备以及人员的信息互交，车辆调度指挥安全分析与管理，以及事故预测等；
(3) 在菌毒种运输过程中发生事故、抢劫以及其它紧急情况时，通过管理平台及时获取现场信息，并及时采取应急措施。
管理平台的功能包括对车辆实时监控的预报警，安全分析和管理，信息和运输线路的规划。在运输过程出现紧急状况时，管理平台可以及时采取应急措施。
图1菌毒种运输系统方案
2车辆终端设计
车辆终端包括车内监控系统和车外定位系统两个部分。车内监控系统监控的是物品的位置信息以及车辆的环境状况，确保生物品安全以及生物品的生存环境状况符合标准；车外定位系统主要负责管理中心对生物品安全运输的实时跟踪以及与管理中心的信息互交等。
车内监控系统包括RFID读写器模块和无线监控模块，融合RFID和ZigBee技术。ZigBee的工作频率是2.45 GHz的ISM频段，而RFID则工作在915 MHz频段，所以，它们之间可以互不干扰。RFID与ZigBee网络结合时，ZigBee模块相当于一个网关，RFID数据采集通过ZigBee节点传输到其他的网络中，可起到中途转换的作用。
CC2430是Chipcon公司推出的、用于实现嵌入式ZigBee应用的片上系统，它支持IEEE 802.15.4/ZigBee协议。CC2430片上系统芯片集成有CC2430RF收发器、增强工业标准的8051MCU、32/64/128 KB的Flash、8 KB的SRAM等高性能模块，并内置了ZigBee协议栈，加上超低能耗，使得CC2430可以用很低的费用构成ZigBee节点。
车内ZigBee终端节点不仅可以采集环境参数信息，而且可以实时监控生物品的位置信息。由于装有生物品的箱子贴有电子标签，可供安装在网络节点上的RFID读写器识别；室内终端节点可将采集到的数据传输到协调器节点上，再由协调器传输到管理中心。图2所示是ZigBee网络终端节点的硬件模块框图。
图2ZigBee终端节点硬件模块框图
ZigBee网络协调器节点主要实现启动整个网络以及组网。当网络启动结束之后，其功能主要是传输数据。网络中的终端节点和路由器节点可将收集到的数据传输给协调器，再由协调器通过GPRS传输到管理中心。管理中心也可通过GPRS将需要传达到车辆终端的信息发送到协调器，再由协调器通过串口显示到车辆终端的显示平台，实现车辆终端和管理中心的信息交互，图3所示是ZigBee网络协调器节点的设计结构框图。
图3ZigBee协调器节点的结构框图
3软件设计
软件开发平台采用的是IAR开发环境，该工具具有强大的开发功能。终端节点主要采集数据，路由器主要是转发数据，协调器主要是接收数据并与管理中心通信，终端节点和路由器完成的功能一样，它们的软件程序流程图如图4所示。[KH-2]
图4ZigBee终端节点软件流程图
ZigBee节点流程中的串口采用中断方式接收数据，其主要函数代码如下：
#pragma vector=URX0_VECTOR
_interrupt void URX0_IRQ(void)
{
URX0IF = 0;
g_bSTI = U0DBUF;
buffer.text［buffer.pointer］ = g_bSTI;
buffer.pointer++;
interflag = 1;
}
下面是无线发送函数代码：
retries = ACK_RETRIES;
while(retries)
{
res = sppSend(&txData);
if(res == CHANNEL_BUSY)
{
halWait(10);
retries--;
if(retries == 0)
{
status = FALSE;
}
}
else
{
retries = 0;
}
}
while(sppTxStatus == TX_IN_PROGRESS);
if(sppTxStatus == DEST_UNREACHABLE)
{
status = FALSE;
}
由于协调器与终端节点的功能不一样，所以，工作流程图也有所不同。协调器在ZigBee网络中起到组网的作用，在初始化之后，协调器便开始在周围寻找ZigBee节点，并将它所到达的所有节点组成一个ZigBee网络，组网成功之后，它其实就是一个网关，等待接收数据，然后将接收到的数据经过处理之后，通过串口发送给GPRS模块。协调器GPRS模块再将信息发送到管理中心，当GPRS成功的将数据发出之后，它将返回一个信号给协调器，以告诉协调器发送成功。管理中心根据接收到的信息给出反馈信息，车辆终端通过GPRS接收信息并传给协调器，经协调器处理后，再由协调器将信息显示在终端，图5所示是ZigBee协调器节点的程序流程图。
图5ZigBee协调器节点程序流程图
ZigBee节点中的串口一般采用查询方式发送数据，其函数代码如下：
for(j=0;j
{
U0DBUF = *sendData++;
while(UTX0IF == 0);
UTX0IF = 0;
}
下面是无线接收函数代码：
sppReceive(&rxData);
if(status == TRUE)
{
*receiveData = rxData.payload;
*length = rxData.payloadLength;
*sender = rxData.srcAddress;
}
4结语
本系统综合利用了RFID、GPS和ZigBee技术，可在微生物运输过程中自动采集、记录、上报实时信息，并对微生物运输过程进行实时监控和跟踪，以使得每个相关单位可以即时准确地掌握微生物整个运输过程的动态信息，从而做到即时制止非法行为、预防事故、消除事故影响等安全管理目的。
参考文献
［1］游战清,李苏剑.无线射频识别技术(RFID)理论与应用［M］.北京:电子工业出版社,2004.
［2］[CM(24]刘大杰.全球定位系统(GPS)的原理与数据处理［M］.[CM)][LL]上海:同济大学出版社,1996.
［3］钟章队,蒋文怡,李红君,等.GPRS通用分组无线业务［M］.北京:人民邮电出版社,2001.
［4］瞿雷,刘盛德,胡咸斌.ZigBee技术及应用［M］.北京:北京航空航天大学出版社,2007.
［5］邢强,戴振东,王周义.壁虎运动反力和行为的动态同步表示方法\[J\].现代电子技术,2010,33(02):147150.
［6］张念章,储岳峰,贺英,等.筛选细菌毒力基因方法的研究进展\[J\].中国兽医学报,2011(02):146149.
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