基于无线传感器网络的冷链温度监测系统的研究
一、研究背景
目前冷链温度监测系统的研究主要集中在温度记录仪，RFID 温度传感技术和无线传感器网络温度传感技术，本文采用基于无线传感器网络的冷链冷链温度监测系统，该系统分为信息采集部分和信息处理部分，本文主要研究信息采集部分，本文全面深入研究了 无线传感器网络以及 IEEE802.15.4/ZigBee 标准，最终研究分析决定采用 ZigBee CC2430 芯片作为节点控制器，采用低功耗石英音叉温度传感器来采集产品内部温度，同时采用星型网络拓扑结构。协调器和基站连接，接收终端节点采集到的温度信息，然后通过 UART 方式将信息传给基站，基站采用 STM32F103 作为主控制器，由无线通讯模块、信息存储模块、报警模块和电源等模块组成，基站对采集到的信息进行判断、分析和存储等方面的处理。
本文主要完成各个功能模块搭建和驱动程序的书写，搭建功耗低、测量精度高的无线传感器网络节点平台，并对各个功能模块性能进行实验和测试，实现利用无线传感器网络监测温度敏感性产品在运输过程中温度变化的功能。经测试分析，本文提出的系统能够完成对温度敏感性产品在运输过程中温度的监控，并且该系统具有体积小、功耗低、性能稳定等特点。
二研究的意义
从原始社会开始，人类已经利用冰雪和自然环境的低温来冷藏食品，但是这种利用天然冷源的方法无法有效控制食品在储藏过程中的温度变化，直到 19世纪上半叶冷冻机的发明，人工冷源才慢慢代替天然冷源走上了历史舞台，使冷藏技术发生本质性的改变[1]。到了电冰箱的出现，各种生鲜产品和冷冻食品、医药用品等开始进入市场和消费者家庭。冷链是随着物流技术、制冷技术的发展而逐渐建立起来的，是以冷冻学为基础，以制冷技术为手段的低温物流过程。冷链物流是指温度敏感性产品在生产、储藏、运输、销售到消费者手中之前的各个环节中，始终处于该产品所必须的低温环境下，以保证产品质量，减少损耗的一项系统工程。20 世纪 30 年，欧洲和美国已开始慢慢建立自己的食品冷链系统，40 年代，虽然欧洲国家的冷链系统在第二次世界大战中被摧毁，但二战结束后得到很快重建，现在欧美发达国家已形成了完整的食品冷链体系[3]。我国由于经济发展等各方面原因，我国的冷链体系还不成熟，很多方面无法与欧美等发达国家相比。2000 年时我国的冷藏(保温)汽车拥有量仅约 40000 辆，而同期美国的冷藏(保温)车达 22 万多辆，日本也有 10 多万辆。另外，我国冷藏汽车的所占比率也较低，约占货运汽车的 0.3%，而发达国家中的该比率则相对较高，美国约为 1%，英国约为 2.6%，德国则更是达到了 3%[4]。目前我国汽车冷藏保温车辆只是美国的 1/7，日本的 1/4，全国总运行的 33.8 万铁路运行车辆中，冷藏车只有 6970 辆，而且大多车皮陈旧，保温效果不好[5]。同时，我国许多城市和偏远的山区采用普通卡车来运输需要冷藏的食品，产品质量根本无法保证。我们时常在报纸和电视上等媒体上看到生鲜食品(如蔬菜、水果、肉、蛋、海鲜、速冻食品、乳制品、血液、疫苗、药品等)产品在运输过程中因缺乏先进的冷藏车和冷藏设备落后，导致这些出现质量问题而引起的重大人身事故、经济损失的报道。随着人们生活质量的逐步提高和生鲜食品及乳制品行业的迅猛发展，食品安全和政府监管受到前所未有的重视，中国庞大的市场需求与零售业的发展，均要求对生鲜食品运输的物流系统执行更加严格的标准，以保证生鲜产品的质量。根据 HACCP 体系的要求，原料采购接受时除了检验食品的保质期、外包装、食品外观等方面外，还必须对食品的内部温度及运输过程的中温度的连续性变化进行严格检查[6]。可见，无论是乳制品还是其它生鲜产品在运输和存储过程中都需要冷链监测系统作为保障，开发研制可靠性高、性价比高的冷链温度监测系统来监测乳制品和生鲜产品在储存及运输过程中的温度变化是现代冷链物流发展的关键所在。如何高效、准确和可靠对冷链温度进行监测已成为国内外冷链物流系统中的热点问题三基本概念
目前，比较常见的五种短距离无线网络技术正在成为业界关注的热点，它们分别是红外线数据通信(IrDA)技术、蓝牙(Bluetooth)技术、超宽带通讯(UWB)技术、无线局域网(Wi-Fi)技术、ZigBee 技术。
为 ZigBee 技术与其它短距离无线通讯技术的比较，其中，红外技术的实现和操作相对简单，成本低廉，但红外线易受遮挡，可移动性差，只支持点对点的视距连接，无法灵活的构建网络；蓝牙技术主要应用在计算机外设方面，但由于其协议本身较复杂、开发成本高，节点功耗大的缺点，Wi-Fi 适合于多媒体的应用，但本身实现成本高，功耗大，安全性低。考虑到本系统需要传输的数据量小，传输速率低，系统的节点采用电池供电，同时还必须要求节点还必须具备成本低、功耗小的特点，我采用符合这些特点的 ZigBee 技术。
四、国内外研究状况
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