基于RFID和传感技术的冷链物流环境监测系统设计

摘要：近年来，在发改委和商务部门的推动下，我国冷链物流建设进入了前所未有的高潮期。为了有效解决冷链物流行业的实时环境监测问题，文章采用RFID技术和传感技术相结合的方法设计了一个冷链物流环境监测系统。本系统可实时监测物品在储藏、运输阶段的光线、温度、湿度、位置等环境参数，并由监控中心统一管理，从而提高冷链物流的运输和存储质量。
关键字：RFID；冷链环境：物流监测；传感器

0 引言
    近年来，冷链物流行业在我国迅速发展。冷链物流是指冷藏冷冻品在生产、储藏、运输、销售，到消费前的各个环节中始终处于低温环境下，以保证产品质量，减少物品损耗的系统工程，适用于果蔬、禽蛋、水产品、速冻食品、乳制品、花卉、药品等领域。如果在某个环节的环境指标没有达到要求，就很容易造成质量事故。传统的方法不能够持续记录环境参数，也不能够及时响应而给出报警信号，这一方面可能造成经济损失，另一方面，也为事故原因的鉴定工作造成了困难。为了解决这些问题，就需要有一套能够持续记录物品所处环境数据，并将其发送到监控中心进行存储和分析的系统。
    本文设计了一种基于射频识别技术(Radio Frequency Identification，RFID)及传感技术的冷链物流环境监测系统。本系统可实时监测物品在储藏、运输阶段的环境参数，并通过监控中心判断是否符合标准，以便及时调整，减少损失。
    冷链物流中的温度和时间是必须考虑的两个风险因素，而又以温度为重要，二者贯穿于储藏和输配送的整个过程中。如处理不当，就可能引起品质降低的累积性和不可逆性，直至影响到产品的安全性。本文采用RFID标签取代传统的环境监控方法，这种标签内部装有天线RFID芯片、温度传感器、湿度传感器以及光线传感器。标签安放在合适的位置后，传感器将实时采集所处环境的温度、湿度、光照信息，并将信息写入标签的芯片内，按规定的时间间隔将信息传输到阅读器中。阅读器通过有线／无线网络上报到监控中心，由监控中心存储并分析收到的数据，如有异常情况，则及时报警，采取措施。

1 环境监测系统设计方案
    本系统由监控中心、冷藏库监测子系统和冷藏车监测子系统组成，各子系统通过网络与监控中心连接。其系统总体组成框图如图1所示。

    冷藏库监测子系统由RFID传感标签与读写器组成。根据冷藏库的大小，可以放置多个标签，也可以在冷藏库的大门处安放读写器。每个标签与读写器都有唯一的编号，在使用前，由监控中心的发卡部门将冷藏库的相关信息写入标签，并将读写器的编号与冷藏库的编号相关联。传感标签除了记录温湿度信息外，还会收集光线传感器的变化情况，将这些信息通过读写器发送到监控中心，监控中心通过对记录进行分析，可判断冷藏库中温湿度是否满足要求，并根据光线传感器的数据计算出冷藏库库门的开启时间点与持续时间，并判断其是否属于非法开启。
    冷藏车监测子系统由RFID传感标签与车载读写器组成。昕要运输的货物进行装箱，并由监控中心的发卡部门将货物信息写入RFID标签，然后将该标签贴于货物上，建立车载阅读器与货物信息以及驾驶员信息的对应关系。货物在进入专用的冷藏车前，读取标签上的信息，记录运输初始的温湿度信息。在运输途中，传感标签实时记录下环境信息，并将其传给车载读写器，车载读写器具有GPS定位功能，该读写器将定位信息与标签采集到的车厢内的环境信息一同通过GPRS网络上报到监控中心。由监控中心对收到的数据进行存储、分析，绘制出温湿度的变化曲线，并记录下车门的开启情况。如果发现环境指标没有达到货物要求，则及时与驾驶员取得联系，采取补救措施。
    监控中心负责数据的存储、分析处理与报警。具体的主要功能如下：
    (1)货物出库温湿度信息采集：货物出库装车时，采集货物的温湿度初始信息，建立货物批次与车载阅读器ID的对应关系；
    (2)环境信息接收入库：管理中心接收车载阅读器发送来的信息，解析入库；
    (3)环境信息匹配：将接收到的温湿度信息与货物批次相匹配；
    (4)GPS信息接收入库：管理中心接收车载阅读器发送来的GPS定位信息，并解析入库；
    (5)GPS信息匹配：将接收到的GPS定位信息与货物批次(车辆)相匹配；
    (6)货物在途温湿度曲线展示：用户查询某批次货物在途温湿度信息，以折线图的方式进行展示；
    (7)货物所在位置查询：用户可以查询某批次货物目前所在的物理位置；
    (8)货物是否到达查询：用户可以查询某批次货物是否已到达目的地；
    (9)冷藏库环境信息采集处理：定时采集存储仓库的环境信息，并与仓库内所存货物批次进行匹配；
    (10)数据备份与导出：可以对查询出的数据进行备份和导出。

2 系统核心设备
    本文所设计的环境监测系统区别于传统监测系统的两个核心设备是RFID传感标签和RFID读写器。这两类设备的性能也就成为了影响整个系统性能的关键。日前，RFID系统应用比较普遍的几个频段包括低频、高频、超高频以及微波，各频段的识别距离、传输速度以及环境敏感度等特性都有区别。考虑到实际应用，本系统采用支持空中接口2．40～2．48 GHz微波频段的标签和读写器，该频段识别距离较长，受金属的影响小。另外，RFID标签根据内部是否带有电源又分为有源标签和无源标签，无源标签要依靠读写器的能量来唤醒工作，识别距离较短，因此，本系统选用有源标签。标签具备电池电压检测功能，能够读取电池电量：标签天线采用圆极化，对方向选择性较弱，以应对标签在车内随机摆放的情况：标签的测量温度范围为-20～+50℃，测量湿度范围为0％～100％。读写器要求可存储一定数量的温湿度信息，并且具有GPS定位功能与GPRS无线数据传输功能。

3 结语
    本文设计的冷链物流环境检测系统，整合了先进的RFID技术、传感技术、无线网络传输以及GPS定位功能。本系统可以有效地解决冷藏库中环境信息的实时监测。当温湿度超过物品容忍程度时就会报警，以提示进行及时控制。本系统解决了冷链运输中环境信息的实时监测问题。系统可通过传感器感知货物的温湿度信息，并通过读写器设备上报到后台应用系统。此外，本系统还解决了冷链运输中的非法开箱监测问题。冷链运输是一个密闭的系统，在运输途中，如果发生非法开箱动作，光线的变化会使得系统可以将该动作监测到并上报。系统通过GPS实时捕获位置信息，并通过无线传输网络将位置信息上报，从而解决冷链运输中路线监测的问题。综上所述，本系统可以实时实地地解决冷链物流存储、运输中的温度、湿度、光线变化等关键环境信息，实现冷链物流系统的实时监控和追溯。