无线传感技术在食品安全运输中的运用.pdf

Equipment Manufactring Technology No 2 2011 如今消费者对食品的健康和安全的关注 达到 了前所未有的高度 作为对消费者需求的回应 食品 工业现在处于一个改革的临界点 需要更加多元化 的有着高质量水准的食用产品 1食品供应品质的监控 这些食品的品质 可能会快速的变坏 因为在诸 如生产 运输和存储的过程中 它们会面临各种各样 导致原材料变质的风险 食品提供方需要更好的品 质保证 去满足消费者的需求和创造一个不同的竞 争点 成功的供应链物流 需要自动有效地监控所有 的操作 监测应该允许建立一个更好的认知 监测的 弱点和优化整个过程 以及所有可能对供应链产生 潜在影响的事件 1 同样 对于食物供应链中的可追溯性需求 也在 日益增涨 法规的要求越来越严格 发展可追溯性系 统标准的压力也越来越大 从原材料到可销售的商 品 越来越多的信息需要被收集和可被使用 在接下 来的几年里 降低了成本的 WST 无线传感技术 将 能够提供机会 不仅对大宗的昂贵的商品 还对小型 的廉价的商品进行追踪 开创一个人工智能产品的 新时代 此外 WST 收集的信息和追溯性系统相连 可以追踪这个产品生命的每一个步骤 就如 从农场 到餐桌 2 从产地到产业产品 都应该能够被追踪 Anastasi 等人设计并执行了一套基于无线传感网络的监测系 统 用来对西西里岛酿酒厂高水平的红酒酿造周期 进行监测 无线节点布置在葡萄园里和地窖里 监测 葡萄酒的发酵过程 3 在罐头食品的消毒评估里 无线传感网络还被 用于温度监督测 并在处理过程中建立了关于网络 节点的数学模型以便于分析 4 2低温运输监测和追踪 易腐的食物产品 如蔬菜 水果 肉类和鱼类 都 需要冷藏运输 因此 温度是延长易腐的食物保质期 的最重要的因素 研究和分析冷藏室 集装箱和卡车 里的温度差 是这个行业主要关心的事 供应链对新 鲜货物的管理 需要快速的决策 因为货物需要在到 达的几小时内被分发出去 给出适合的规划 需要比 标准的射频识别追踪提供的更多的信息 产品质量 问题 需要尽可能快地被检测到 当温差超过限定 值 警报需要立即被触发 这时立即进行存取 对于 运输来说是不可能的 但是在线通知为改善运输计 划提供了一个新的机遇 2 1ZigBee 在低温运输中的一些应用 青山等人在 IEEE 中 提出了无线传感器在冷藏 车辆里的应用建议 5 车辆可以集合各种各样的传感 器来监测 识别 记录 报告和监测易碎产品在途中 的情况 如图 1 无线传感技术在食品安全运输中的运用 郭源源 广西工学院 计算机系 广西 柳州 545006 摘 要 综述了当前无线传感通信技术在食品安全和运输中的发展状况 重点介绍了无线传感网络和无线射频识别不 同系统的最新进展和应用 包括基于 ZigBee 的无线传感网络和被动式 半被动式和主动式的射频识别技术 讨论了无 线通信在食品工业的发展趋势 这些技术在环境监控 低温运输控制或追踪等领域 有着广阔的应用前景 关键词 无线传感技术 射频识别 食品安全 中图分类号 TP212文献标识码 A文章编号 1672 545X 2011 02 0070 03 收稿日期 2010 11 23 作者简介 郭源源 1979 男 广西平南人 助教 工学硕士 2006 年毕业于英国诺森比亚大学 研究方向为无线射频识别 微传 输线在射频通信中的应用 电脑 协调器和网关 微节点 图 1冷藏车中的 WSN 建议 70 装备制造技术 2011 年第 2 期 鲁伊兹 加西亚等人研究分析了冷藏水果的联 合运输 他们集成了多路通信的无线传感网络 车队 管理系统和移动电话网 6 ZigBee 的微节点 为他们在仓库冷冻条件下的 研究提供了保障 研究了微节点在水果运输过程中 的行为 同时 湿度计的数据模型 实现了对空气湿 度的变化的快速评估 因此它可以定位产品的水分 损失 并且监测商品的冷凝情况 活鱼的物流运输 也可以使用无线传感网络进 行监测 Hayes 等人报道了可用的一个无线传感网络监 测系统 这个应用围绕着一个网络服务器和预定的 数据记录器建立 并在 GSM网络上工作 7 阿瓦德等人实现了使用光 温度和湿度传感器 的智能标签系统 这个系统可以对不同的鱼运输链 接提供实时的产品追踪信息 8 McMeekin 使用主动传感器记录空间温度曲线 9 2 2射频识别在低温运输中的一些应用 Amador 等人演示了在从哥斯达黎加到美国商业 的菠萝装运过程中 使用 RFID进行的温度跟踪 10 Gras 使用被动 RFID的记录器 测试在传输中找 到确切温度的方法 但没有得到空间的温度差异 10 这些类型的应用 可以在运输和转运的过程中 记录温度 但是传输范围要小于 1 m 并且这些技术 不能提供和 ZigBee 设备提供的一样的高级网络技 术 在冷藏运输管理中 数据采集器的准确性 是一 个关键的问题 在对目标的早期的温度变化的监测 中 准确性显得尤为重要 食品配送的温度偏差标 准 对设定值是 0 5 Jedermann 等人对 3 种不同 的类型的 RFID 记录器在气候记录进行了比较 发现 测量的百分比 对平均值的偏差小于误差 的范 围是 66 73 11 RFID 数据记录器的数量可以很大 但是因为它 们的感应范围低 所以需要人工操作 另外一个缺点 是温度记录器的发射频率只能在 13 56 MHz的高频范 围 这个频带的主要缺点 是有限的感应范围只有 20 cm 如果一个门禁扫描物品自动地到达仓库 感应范 围必须覆盖好几米的距离 同样 这些标签使用 RFID 接口转换记录的温度数据 大约要用 5 s 12 一个仓库里的正常货物流通 需要很大的数据 流量 数据记录器所处的不同位置 包装材料或产品 的散热 可以把不同的环境温度区分开 半被动的记 录器 不仅能够用来监测车辆的壁墙 还能监测盒子 的内部 对监测集装箱和卡车 有着各种各样的商业 解决方案 但是它们不能给出完整的货物信息 因为 它们只能够监测单一的或是非常有限的几个点 2 3低温冷藏的发展方向 智能集装箱 Craddock 和 Stansfield 提出了传感器的融合 发 展智能集装箱以使得安全性的提高 以不同的来源 收集的数据来触发警报 集装箱内可以包含各种各 样的传感器来检测 识别 记录和通报一切在环球运 输途中的情况 12 Jedermann 等人提出了一个包含无线传感网络和 RFID 的智能集装箱系统 13 这样的装置 能够放置于运输车辆上 用来监测 移动的环境 可作为分布式系统的基础 使环境感应 能联合数据处理 在联合运输中 无线电波在金属封闭空间里的 性能需要研究 Furh 和刘先生在一个封闭金属货物集装箱内 对 RF 装置进行了测试 测试说明 RF 装置是可以和 集装箱外的世界进行通信的 14 Laniel 等人致力于在 12 m 长的冷藏海运集装箱 内 进行 3D 绘图的信号强度研究 15 3 种不同的无线 频 率 配 置 被 用 于 测 试 2 4 GHz 915 MHz 和 433 MHz 其主要目的 是找到一种频率和配置 能够使用 RFID 技术对装载货物中易腐烂的产品进行实时的 温度读出 实验的结果显示 在 433 MHz 频率上 能 够显著提高发射性能 在食品物流中 越来越多的测量使得适当的监 测需求变得十分紧迫 专业的无线传感设备 保障了 船舶和对大范围的易腐产品处理方法的变革 这能 给供应商和分销商在运输过程中 提供连续的和准 确的监测数据读取 确切地说 频繁和自动地读取 软件对现存的和计划中的存货配比的解析 应该解 析成更智能的货物管理和更低的拒绝发货率 它们 可以用来解决问题的根源 然而直接进入运输工具 是不可能实现的 线上预警依然能够对改善运输计 划提供新的机遇 2 4RFID 和 WSN 的集成 从上面的例子可以看出 RFID 和 WSN 是互补 的关系 笔者认为 RFID 和 WSN 的集成将会是未来 的发展方向 一个 RFID 和 WSN 的集成系统 是两个 的优势集合 WSN 采用多种不同的传感器 但是它们 不能单独地识别物体 而这点可以由 RFID 做到 比 如识别容器 托盘 盒子或者瓶子等物品 由于这样 的因素 RFID 和 WSN 的集成化 可以对现在监测的 研究 提供了重大的改进方法 目前 RFID 记录器比 WSN 的微节点大概要便宜 1 10 虽然它们两个的价 格都会降低 但是传感节点的价格 依旧会是 RFID 记录器的数倍之多 71 Equipment Manufactring Technology No 2 2011 Development and Trends of Wireless Sensor Technology in Food Industry GUO Yuan yuan Guangxi University of Technology Liuzhou Guangxi 545006 China Abstract This thesis summarized the wireless sensor communication technology in food safety and transportation in the development and emphatically introduced the wireless sensor network and radio frequency identification RFID different systems progresses and applications including ZigBee based on the wireless sensor networks passive semi passive and active RFID technology discussed the wireless communication development trend in food industry these techniques in environmental monitoring and low temperature transportation control or tracking and other fields have broad application prospects Key words WST RFID cool chain RFID 和 WSN 的集成 可以以下面这样的方式 进行 移动的物体和用户使用 RFID 标签 WSN 根据 身份标识和传感器信息接受服务 这样得到的最大 好处是在环境层面上使 RFID 和传感器信息进行了 融合 同样可以提供一种基础设施 可以用一种实时 的方法对环境进行监测 3结束语 综上所述 无线传感网络和射频识别技术 有着 多种多样的应用 它们在食品安全和运输领域的应 用 有着比有线网络更经济实用的特征 在 2004 年 到 2011 间 RFID 技术的发展非常迅猛 对传统的自 动识别和数据捕捉来说 它加入了新的特征 对于 RFID 来说 WSN 最主要的优势 就是感应范围大 灵 活并且能够识别不同的网络拓扑结构 WSN 和 RFID 的集成 看上去是个好方法 可以集成两种技术的优 点 以此为目标 一些理论上的手段已经被实现 不 过剩下来还有大量的工作要做 参考文献 1 Vervest P Van Heck E Preiss Pau L F Smart and Sustainable Supply Chains J Smart Business Networks Springer Berlin Heidelberg 2005 6 159 167 2 Ruiz Garcia L Steinberger G Rothmund M A model and pro totype implementation for tracking and tracing agricultural batch products along the food chain J Food Control 2010 21 2 112 121 3 Anastasi G Farruggia O Lo Re G Ortolani M Monitoring high quality wine production using wireless sensor networks C In 42st Hawaii International Conference on Systems Scien ce USA 2009 4 Marra F Romano V A mathematical model to study the influ ence of wireless temperature sensor during assessment of canned food sterilization J Food Eng 2003 59 245 252 5 Qingshan S Ying L Gareth D Brown D Wireless intelligent sensor networks for refrigerated vehicle C In IEEE 6th Sym posium on Emerging Technologies Mobile and Wireless Com munication Conference Shanghai China 2004 6 Ruiz Garcia L Barreiro P Rodr guez Bermejo J Robla J I Monitoring intermodal refrigerated fruit transport using sensor networks a review J Span Agric Res 2007 5 142 156 7 Hayes J Crowley K Diamond D Simultaneous web based re al time temperature monitoring using multiple wireless sensor networks Sensors C IEEE October 30 November 3 2005 8 Abad E Palacio F Nuin M Gonz lez de Z rate A Juarros A G mez J M Marco S RFID smart tag for traceability and cold chain monitoring of foods Demonstration in an interconti nental fresh fish logistic chain J Food Eng 2009 9 124 126 9 McMeekin T Smale N Jenson I Tanner D Microbial growth models and temperature monitoring technologies C Bonn Germany 2nd International Workshop Cold Chain Manage ment 8 9 May 2006 71 78 10 Gras D RFID based monitoring of the cold chain C Bonn Germany 2nd international Workshop Cold Chain Managemen 2006 81 82 11 Jedermann R Ruiz Garcia L Lang W Spatial temperature profiling by semi passive RFID loggers for perishable food transportation J Comput Electron 2009 65 145 154 12 Craddock R J Stansfield E V Sensor fusion for