專利名稱：用于冷藏設備的無線傳感器網絡的制作方法
技術領域：
本發明屬于冷鏈物流數據監測技術領域，特別涉及一種用于冷藏設備的無線傳感器網絡。
背景技術：
隨著中國經濟的不斷發展，人們的飲食結構正逐漸發生變化，其中對水產品的需求也日益増大。2010年，我國水產品總產量達到5373萬噸，連續20余年位居世界首位。水產品作為ー種特殊的農產品，流通過程中易腐爛、變質，因此在生產、加工到最終的消費過程中具有一定的保質、保鮮要求和期限，且主要以鮮活或冷凍形式進行運輸。冷鏈物流(Cold-Chain Logistics)是指以冷凍エ藝學為基礎，以人工制冷技術為 手段，以生產流通為銜接，為了保證產品的質量安全，減少因為腐爛變質而引起的損耗，從而將易腐的生鮮產品在生產、儲藏、運輸、銷售直到消費前的各環節中始終處于規定的低溫環境下的一項系統工程。冷鏈物流既要求著眼于各物流環節綜合成本的最小化，又要求物流速度快、市場反應靈敏；而物流體系復雜，參與主體多，信息不對稱程度較高；物流過程基于安全性的質量監控和實時跟蹤，需要高度的信息化技術支撐，傳統的人工溫度采集方式已不能滿足需要。無線傳感網絡(Wireless Sensor Network, WSN)是綜合應用傳感器、嵌入式計算技術的分布式信息處理技術，可以在任何時間、地點和任何環境條件下采集海量數據，特別適用于エ業控制和環境監測。目前，無線傳感器網絡在精細農業，特別是溫室控制、精確灌溉、動植物生長監測等領域的應用在國內外已有相關研究，該技術應用于水產品冷鏈物流實時監測也成為了必然趨勢。冷藏車是冷鏈物流中的ー個重要環節，它能保證在水產品在加工環節到各地冷凍倉儲間的運輸過程中始終處于ー個合適的溫度下，以保證水產品的質量安全，同時降低了損耗。但由于在運輸過程中，冷藏車無法實時監測貨箱內的溫度，不同的水產品對冷藏溫度都有各自不同的要求，故無法保證貨物時刻處于適宜的溫度下。

發明內容
(一)要解決的技術問題本發明的目的是為了解決上述問題，提供了一種應用在水產品冷藏車上的無線傳感器網絡。(ニ)技術方案為了解決上述問題，本發明提供了一種用于冷藏設備的無線傳感器網絡，包括協調器節點，分別與傳感器節點和上位機連接，用于將來自傳感器節點的數據進行處理后傳輸到上位機；傳感器節點，與協調器節點連接，用于將采集到的數據發送到協調器節點。優選地，所述協調器節點包括能量供給模塊、無線通信模塊、數據處理模塊、數據上傳接ロ模塊和天線模塊。
優選地，所述傳感器節點包括能量供給模塊、無線通信模塊、數據采集模塊、數據處理模塊和天線模塊。優選地，所述能量供給模塊分別與無線通信模塊、數據處理模塊和數據上傳接ロ模塊連接，為其提供電源。優選地，所述能量供給模塊分別與無線通信模塊、數據采集模塊和數據處理模塊連接，為其提供電源。優選地，所述數據處理模塊用于數據處理、無線通信控制及通信協議的定制。優選地，所述無線通信模塊接收來自傳感器節點的數據，并傳送給數據處理模塊進行處理。優選地，所述無線通信模塊接收來自數據處理模塊的數據，并傳送給天線模塊發 出。優選地，所述天線模塊用于將收到的信號傳送至無線通信模塊或者將無線通信模塊發出的信號傳送出去。優選地，所述數據采集模塊為型溫、濕度傳感器，用于采集冷藏設備的溫、濕度數據。(三)有益效果本發明提供的無線傳感器網絡具有低功耗、高穩定性、高魯棒性等特點，使水產品在加工環節到各地冷凍倉儲間的運輸過程中始終處于ー個合適的溫度下，保證水產品的質量安全，同時降低損耗。


下面參照附圖并結合實例來進ー步描述本發明。其中圖I為根據本發明實施例的無線傳感器網絡的結構示意圖。圖2為根據本發明實施例的協調器節點的結構示意圖。圖3為根據本發明實施例的傳感器節點的結構示意圖。圖4為根據本發明實施例的協調器節點監測數據轉發流程圖。圖5為根據本發明實施例的傳感器節點溫、濕度數據采集流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式
作進ー步詳細描述。以下實施例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。本發明以水產品冷鏈物流為研究對象，以冷藏車貨箱內的信息采集技術為核心，提出了基于ZigBee的冷藏車智能無線傳感器節點設計及具體實現方案。根據本發明提供的應用在水產品冷藏車上的無線傳感器網絡，其包括兩種類型的節點一種為協調器節點，一種為傳感器節點。其中，協調器節點稱為全功能設備(Full Function Devices, FFDs)；傳感器節點稱為精簡功能設備(Reduced Function Devices, RFDs)。全功能設備能夠任何網絡設備通信井能充當各種網絡角色，精簡功能設備只能與全功能設備通信，一般僅能充當終端監測節點。在ー個ZigBee網絡中，一般存在ー個網絡協調器，用于負責網絡建立及相關配置，存在若干終端設備用于接收和發送報文。本發明針對水產品冷鏈物流實時監測的特點，設計了ー種網絡協調器節點和ー種具有路由功能的傳感器節點用于冷藏車溫、濕度信息的實時監測。傳感器節點通過掛接相應的溫、濕度傳感器采集溫、濕度數據并將采集數據以無線方式發送到協調器節點，協調器節點接收到數據并將數據通過串ロ傳輸到車載ARMエ控計算機。如圖I所示，本發明實施例描述的應用在水產品冷藏車上的無線傳感器網絡包括協調器節點和傳感器節點。其中，傳感器節點與協調器節點可以通過無線連接，協調器節點與上位機可以采用RS-232串ロ連接。根據本發明的應用在水產品冷藏車上的無線傳感器網絡，其中，協調器節點包含能量供給模塊6、無線通信模塊2、數據處理模塊4、數據上傳接ロ模塊7和天線模塊5。能量供給模塊6使用USB供電，供電電壓為5V，并且使用ASMl 117-33電源芯片將5V電壓降低為3. 3V以匹配芯片電壓。能量供給模塊6分別與無線通信模塊、數據處理模塊和數據上傳接ロ模塊7連接，為協調器節點提供電源以正常工作。 無線通信模塊2、數據處理模塊4可采用TI公司生產的CC2530F256型芯片，該芯片集成8051內核和射頻收發芯片。數據處理模塊4用于數據處理、無線通信控制及通信協議的定制等，并且作為嵌入式系統的載體，在協調器節點中，無線通信模塊2將傳感器節點傳送過來的數據接收，再通過數據處理模塊4處理后經過數據上傳接ロ模塊7上傳至上位機。數據上傳接ロ模塊7可采用標準的DB9接ロ，MAX232作為串行接ロ芯片通過統一的電平配置，直接與上位機通信。MAX232具有兩組全速率串行收發器，最大數據速率為250kbps，使用3. O 5. 5V直流電源。天線模塊5可采用50 Ω外接鞭狀天線，用于收發無線通信信號，將收到的信號傳送至無線通信模塊2或者將無線通信模塊2發出的信號傳送出去，實現傳感器節點與協調器節點的通信。根據本發明的應用在水產品冷藏車上的無線傳感器網絡，其中，傳感器節點包括能量供給模塊I、無線通信模塊2、數據采集模塊3、數據處理模塊4和天線模塊5。所述能量供給模塊I采用干電池供電模塊并且采用電容濾波來使供電電壓穩定，能量供給模塊I分別于無線通信模塊2、數據采集模塊3和數據處理模塊4連接，為傳感器節點提供電源以正常工作。無線通信模塊2、數據處理模塊4可采用TI公司生產的CC2530F256型芯片，該芯片集成8051內核和射頻收發芯片。數據處理模塊4用于數據處理、無線通信控制及通信協議的定制等，并且作為嵌入式系統的載體，在傳感器節點中，數據采集模塊3采集到的數據上傳至數據處理模塊4處理后，無線通信模塊2將處理后的數據通過天線模塊5發出。數據采集模塊3可采用SHTll數字型溫、濕度傳感器，用于探測待測環境溫、濕度，并將被測環境溫、濕度的微小變化轉換為電信號，電信號上傳至數據處理模塊4。SHTll是瑞士 Sensirion公司生產的基于I2C總線的集成溫度濕度傳感器,該傳感器通過兩線接ロ(數據和時鐘)與單片機相連，在-40 123. 8°C工作范圍內具有O. 01°C分辨率和±0. 4°C的精確度，使用2. 4 5. 5V直流電源，采樣電流為O. 55mA。CC2530F256型芯片內部集成ADC模塊，I/O接ロ PO ロ與ADC接ロ分時復用，將PO ロ全部引出，以方便拓展模擬型傳感器使用，將模擬型傳感器采集到的模擬信號轉換為有規律的數字信號，送入數據處理模塊4進行處理。
天線模塊5采用50 Ω外接鞭狀天線，用于收發無線通信信號，將收到的信號傳送至無線通信模塊2或者將無線通信模塊2發出的信號傳送出去，實現傳感器節點與協調器節點的通信。由于在冷鏈運輸過程中，水產品冷藏車上需要檢測的環境參數比較單一，比如溫度、濕度等等，因此本發明的實施例僅使用溫、濕度傳感器。但是，該節點如擴展應用到其他產品冷藏車上時，往往需檢測如ニ氧化碳、ニ氧化硫等氣體濃度等有很多參數，應用不一樣，待測參數不一樣，因此，根據本發明可以預留其他傳感器接ロ以供擴展使用。本發明中節點的軟件設計分兩個方面一是協調器節點程序；ニ是傳感器節點程序。本發明中構建ZigBee無線傳感器網絡的軟件開發環境采用IAR Embedded Workbenchfor 8051，所采用的協議棧是TI的Z-STACK。ZigBee協議棧運行在ー個OSAL (操作系統抽象層)操作系統上，該操作系統基于任務調度機制，通過對任務的事件觸發來實現任務調度。網絡協調器主要是建立和管理ー個ZigBee網絡，將網絡中的數據通過串ロ傳送給其上位機。協調器首先建立ー個ZigBee局域網，然后掃描所設定的信道，接收新的節點加入并且會分配給其ー個特定的網址。在本研究中，協調器在網絡生存期內，監聽設定的信道，一旦有傳感器節點發送過來的數據到達，就會分配給信源節點ー個網址，建立于信源節點的聯系，將信源節點采集的數據通過串ロ發送給上位機。發送完成后，協調器重新開始監聽信道。傳感器節點只負責與協調器節點進行通訊，將采集的數據發送給協調器。在本研究中，首先傳感器節點會進行上電復位，節點進行初始化，包括初始化系統、初始化網絡配置等，掃描可用的信道來尋找協調器節點，申請加入改協調器節點創立的網絡。由于選用了干電池供電，所以傳感器節點采用喚醒的工作機制。在沒有數據請求的時候，傳感器節點處于睡眠狀態。而一旦有了數據請求，傳感器節點馬上進入工作狀態，先對數據請求命令解析并回應，再進行傳感器的啟動、數據的采集、數據的發送等。發送完畢，進入睡眠狀態，等待下ー個數據請求命令。SHTll測量的信號包括溫度和濕度，測得的數據為(一)相対濕度SHTll可通過DATA數據總線直接輸出數字量濕度值，該濕度值稱為“相對濕度”，需要進行線性補償和溫度補償后才能得到較為準確的濕度值，可通過公式(I)進行信號轉換。腿,-=C1+C2xSOm+ C3 x SO:(%冊)(j )式中，RHlinear為經過線性補償后的濕度值；S0KH為相對濕度測量值；らC2, C3為線性補償系數，取值分別為 C1 = -2. 0468、C2=O. 5872、C3=_4. 0845E-4。(ニ)溫度SHTll由能隙材料PTAT (正比于絕對溫度)所研發的，故具有極好的溫度線性。可以利用公式(2)將溫度數字輸出轉化為實際的溫度值。T=Cl^d2 X SOt (2)式中，T為實際溫度值為修正系數，取值分別為Cl1 = -39. 6，d2 = O. 01。
(三)濕度信號的溫度補償由于溫度對濕度的影響十分明顯，而實際溫度和測試參考溫度25°C有所不同，所以可以利用公式(3 )對線性補償后的濕度值進行溫度補償。RHture= (T-25) X (I\+T2 X S0EH) +RHlinear (3 )式中，RHlinear為經過線性補償和溫度補償后的濕度值；Τ為測試濕度值時的溫度；V T2為溫度補償系數。取值分別為SOeh = 8、T1=O. 01、T2=O. 00128。本發明中根據需要可以進行冷鏈環境系統測試和通信性能測試。冷鏈溫度環境使用稱變溫箱模擬。向傳感器節點和協調器節點中分別燒寫嵌入式系統，將協調器節點ARMエ控計算機通過RS-232接ロ連接，以模擬車載移動數據采集場景。該測試設置變溫箱為空載運行進行冷鏈環境系統測試。首先設置變溫箱在60°C運行60min以干燥變溫艙。向監測節點盒體放置石灰干燥劑避免低溫環境下水蒸汽在電路板凝結造成短路。將監測節點放入變溫倉內，密閉艙門，設置變溫箱在-18°C運行12小時，進行冷鏈環境的系統測試，溫度采樣間隔為10分鐘。協調器通過RS-232接ロ將數據上傳至ARMエ控計算機。通信性能測試為接收信號強度指標(Received Signal StrengthIndicator, RSSI)和丟包率。從MAC幀讀出的RSSI是芯片寄存器的原始值，需經過運算將其轉換為接收節點的RF管腳的功耗值。計算公式如下RSSI=RSSI_VAL+RSSI_OFFSET (4)式中RSSI_VAL-RSSI 原始值，dBmRSSI_0FFSET-修正偏移，dBm為避免單次測試的不穩定性，應用統計均值對測量結果進行校正。
權利要求
1.一種用于冷藏設備的無線傳感器網絡，其特征在于，包括 協調器節點，分別與傳感器節點和上位機連接，用于將來自傳感器節點的數據進行處理后傳輸到上位機； 傳感器節點，與協調器節點連接，用于將采集到的數據發送到協調器節點。
2.如權利要求I所述的無線傳感器網絡，其特征在于 所述協調器節點包括能量供給模塊(6)、無線通信模塊(2)、數據處理模塊(4)、數據上傳接口模塊(7 )和天線模塊(5 )。
3.如權利要求I所述的無線傳感器網絡，其特征在于 所述傳感器節點包括能量供給模塊(I)、無線通信模塊(2)、數據采集模塊(3)、數據處理模塊(4 )和天線模塊(5 )。
4.如權利要求2所述的無線傳感器網絡，其特征在于 所述能量供給模塊(6)分別與無線通信模塊、數據處理模塊和數據上傳接口模塊(7)連接，為其提供電源。
5.如權利要求3所述的無線傳感器網絡，其特征在于 所述能量供給模塊(I)分別與無線通信模塊(2)、數據采集模塊(3)和數據處理模塊(4)連接，為其提供電源。
6.如權利要求2或3所述的無線傳感器網絡，其特征在于 所述數據處理模塊(4)用于數據處理、無線通信控制及通信協議的定制。
7.如權利要求2所述的無線傳感器網絡，其特征在于 所述無線通信模塊(2)接收來自傳感器節點的數據，并傳送給數據處理模塊(4)進行處理。
8.如權利要求3所述的無線傳感器網絡，其特征在于 所述無線通信模塊(2)接收來自數據處理模塊(4)的數據，并傳送給天線模塊(5)發出。
9.如權利要求2或3所述的無線傳感器網絡，其特征在于 所述天線模塊(5)用于將收到的信號傳送至無線通信模塊(2)或者將無線通信模塊(2)發出的信號傳送出去。
10.如權利要求3所述的無線傳感器網絡，其特征在于 所述數據采集模塊(3)為型溫、濕度傳感器，用于采集冷藏設備的溫、濕度數據。
全文摘要
本發明提供了一種用于冷藏設備的無線傳感器網絡，包括協調器節點，分別與傳感器節點和上位機連接，用于將來自傳感器節點的數據進行處理后傳輸到上位機；傳感器節點，與協調器節點連接，用于將采集到的數據發送到協調器節點。本發明提供的無線傳感器網絡具有低功耗、高穩定性、高魯棒性等特點，使水產品在加工環節到各地冷凍倉儲間的運輸過程中始終處于一個合適的溫度下，保證水產品的質量安全，同時降低損耗。
文檔編號H04W84/18GK102710794SQ20121021000
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月20日 優先權日2012年6月20日
發明者傅澤田, 張健, 張小栓, 韓玉冰, 齊林 申請人:中國農業大學