冷链追溯系统智能传感器的设计与实现

摘要

冷链系统是指某些特殊的食品、药品在运输或者存储过程中，各个环节都需要严格的控制温湿度的系统工程。随着我国冷链物流行业的飞速发展，温湿度监控不到位的问题导致食品药品变质的事件频频发生，严重威胁了人们的健康，因此一套完善的冷链设备的研制就变得非常迫切。
　　本文基于冷链追溯环境，设计实现了一种能够实时采集温湿度数据，并将数据通过无线网络上报给远程监控中心的智能传感器。监控中心可以随时查看运输或者仓储过程中的冷藏箱的温湿度数值，并对数据进行分析和保存。如果数值超过设定的阈值，上位机界面就会发出报警信息。同一个信道中的传感器节点通过轮询算法连接网络并实现数据传输。最后将算法移植到硬件当中，置于实际的运输环境下进行测试。测试结果表明该传感器具有低功耗、穿透性强、数据传输距离远和丢包率低等优点，能够满足冷链追溯环境中的性能指标。本文的主要工作如下:
　　(1)研究了无线传感器的网络层，对每层网络的功能进行了阐述。在此基础上，建立了本文所设计的无线传感器的网络架构。
　　(2)分析了冷链追溯环境中智能传感器需要达到的性能指标，针对指标要求中的低功耗难题提出了详细的解决方案。接着完成了硬件的原理图和PCB设计，并总结了设计过程中考虑到的电磁兼容问题。硬件设计完成之后，采用了模块化的方式进行了嵌入式软件代码的编写。
　　(3)考虑到运输和仓储过程中数据传输易产生的拥挤阻塞问题，提出了轮询控制算法，并且引入了平均排队队长和平均等待时间两个概念。通过马尔科夫链和概率母函数的方法对算法进行建模。运用循环解方程组的办法，计算得到了这两个物理量的数学表达式，并在MATLAB中绘制了曲线。介绍了基于STM32的TinyOS的移植方法，并将轮询算法在TinyOS操作系统中实现。通过实验测得的实际值与理论值进行对比，结果表明两者误差在合理范围之内。
　　(4)设计实验对传感器节点的能耗、穿透能力、数据传输的距离和完整性进行了测试。使用Labview软件编写了一个测试程序，通过将节点与软件连接来进行软硬件的联调测试。测试通过后，我们将传感器节点应用于冷链追溯环境中，验证了本文所设计的传感器节点在实际应用中的可行性。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 论文的选题意义

1．2 冷链追溯系统中智能传感器的研究和应用现状

1．2．1 国内外研究现状

1．2．2 冷链追溯领域智能传感器应用现状

1．3 论文的主要工作与内容

2 无线传感器网络层概述

2．1 网络总体框架

2．2 无线传感器网络传输层的主要问题

2．3 网络层硬件的组成

2．4 传感器协议栈的结构

2．4．1 物理层

2．4．2 数据链路层

2．4．3 网络层、传输层

2．4．4 应用层

2．5 本章小节

3 无线传感器硬件系统的设计

3．1 冷链追溯领域智能传感器的主要特性

3．2 冷链追溯领域智能传感器低功耗的设计原则和实现方法

3．3 冷链追溯领域中智能传感器节点的性能指标

3．4 智能传感器节点硬件设计

3．4．1 传感器模块

3．4．2 控制模块

3．4．3 电源管理模块

3．4．4 无线通讯模块

3．4．5 LCD显示模块

3．5 智能传感器硬件PCB设计

3．6 智能传感器节点中系统软件设计

3．6．1 系统初始化

3．6．2 通信流程

3．6．3 数据处理

3．6．4 数据的发送和接收

3．7 本章小节

4 无线传感器系统轮询算法的设计

4．1 轮询服务的平均排队队长和平均等待时间

4．1．1 门限服务轮询的数学建模

4．1．2 完全服务轮询的数学建模

4．1．3 轮序服务系统的仿真图及分析

4．2 轮询算法在STM32中的移植

4．2．1 TinyOS操作系统

4．2．2 NesC语言

4．2．3 基于STM32平台的TinyOS实现

4．3 轮询算法实验分析

4．4 本章小节

5 应用于冷链追溯领域无线传感器的实测分析

5．1 硬件节点的低功耗测试

5．2 硬件节点的穿透性、传输距离和数据完整性测试

5．3 室外测试结果分析

5．4 室内软硬件联调测试

5．5 冷链追溯实际环境测试

5．6 本章小结

6．1 本文结论

6．2 后续研究工作的建议

参考文献

作者简历及攻读硕士／博士学位期间取得的研究成果

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