基于RFID、GPS和ZigBee技術(shù)的菌毒種安全運(yùn)輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
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引言
微生物菌毒種是國家重要的生物資源，它與生物安全、人類健康、環(huán)境保護(hù)和可再生能源等密切相關(guān)。醫(yī)學(xué)菌毒種是生物學(xué)的重要組成部分,是能夠引起人類各種疾病的致病性微生物，因此，微生物的保藏和運(yùn)輸已成為實(shí)驗(yàn)室安全管理工作的核心內(nèi)容。RFIDE標(biāo)簽體積小、存儲容量大、壽命長、可支持移動識別、可多目標(biāo)識別，并可以在各種環(huán)境下工作。GPS[2]可以在全球范圍實(shí)時(shí)提供高精度的三維位置、三維速度和系統(tǒng)時(shí)間信息，實(shí)現(xiàn)對移動物體的軌跡跟蹤，但GPS只采集數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)需要利用GPRS[3]傳輸?shù)焦芾碇行?。ZigBee技術(shù)山則以特有的低功耗、低成本、低復(fù)雜度成為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的首選方案，許多知名的芯片廠商都紛紛推出了ZigBee芯片和各自的協(xié)議棧，本文在綜合以上技術(shù)的基礎(chǔ)上，給出了采用chipcon的CC2430芯片來開發(fā)菌毒種安全運(yùn)輸系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。
1 運(yùn)輸系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
整個(gè)菌毒種運(yùn)輸系統(tǒng)由車輛運(yùn)輸系統(tǒng)和遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)組成，它們之間以GPRS作為主要的傳輸形式。運(yùn)輸車輛終端帶有GPS接收器、RFID讀寫器、GPRS無線模塊以及車輛內(nèi)采用ZigBee技術(shù)進(jìn)行無線監(jiān)控的車輛內(nèi)部環(huán)境等信息。其中，GPS接收器安裝在車輛外部,用來跟蹤車輛運(yùn)輸和運(yùn)行的軌跡；RFID讀寫器監(jiān)控生物品的位置信息，并將采集到的位置信息通過無線傳輸?shù)娇偪刂破?，再由總控制器傳輸?shù)焦芾砥脚_；GPRS實(shí)現(xiàn)車輛終端與管理平臺的信息互交，監(jiān)控物品運(yùn)輸全過程;釆用ZigBee短距離無線技術(shù)可監(jiān)控室內(nèi)環(huán)境，如溫度和濕度等，圖1所示是該運(yùn)輸系統(tǒng)的總體方案。
根據(jù)菌毒種保存和運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)，可以用菌毒種保存和運(yùn)輸過程的實(shí)時(shí)定位、跟蹤和監(jiān)控技術(shù)，以及集成GPRS和電子標(biāo)簽（RFID）中間件技術(shù)，來開發(fā)菌毒種運(yùn)輸系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)如下主要功能：
(1) 實(shí)時(shí)跟蹤和監(jiān)控菌毒種運(yùn)輸、運(yùn)輸車輛以及運(yùn)輸人員的狀況；
(2) 實(shí)現(xiàn)菌毒種運(yùn)輸過程管理平臺與車輛設(shè)備以及人員的信息互交，車輛調(diào)度指揮安全分析與管理，以及事故預(yù)測等；
(3) 在菌毒種運(yùn)輸過程中發(fā)生事故、搶劫以及其它緊急情況時(shí)，通過管理平臺及時(shí)獲取現(xiàn)場信息，并及時(shí)采取應(yīng)急措施。
管理平臺的功能包括對車輛實(shí)時(shí)監(jiān)控的預(yù)報(bào)警,安全分析和管理，信息發(fā)布和運(yùn)輸線路的規(guī)劃。在運(yùn)輸過程出現(xiàn)緊急狀況時(shí),管理平臺可以及時(shí)采取應(yīng)急措施。
2 車輛終端設(shè)計(jì)
車輛終端包括車內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)和車外定位系統(tǒng)兩個(gè)部分。車內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控的是物品的位置信息以及車輛的環(huán)境狀況，確保生物品安全以及生物品的生存環(huán)境狀況符合標(biāo)準(zhǔn);車外定位系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)管理中心對生物品安全運(yùn)輸?shù)膶?shí)時(shí)跟蹤以及與管理中心的信息互交等。
車內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)包括RFID讀寫器模塊和無線監(jiān)控模塊，融合RFID和ZigBee技術(shù)。ZigBee的工作頻率是2.45GHz的ISM頻段，而RFID則工作在915MHz頻段，所以，它們之間可以互不干擾。RFID與ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)合時(shí),ZigBee模塊相當(dāng)于一個(gè)網(wǎng)關(guān),RFID數(shù)據(jù)采集通過ZigBee節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)狡渌木W(wǎng)絡(luò)中，可起到中途轉(zhuǎn)換的作用。
CC2430是Chipcon公司推出的、用于實(shí)現(xiàn)嵌入式ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng)，它支持IEEE802.15.4/Zig-Bee協(xié)議。CC2430片上系統(tǒng)芯片集成有CC2430RF收發(fā)器、增強(qiáng)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8051MCU.32/64/128KB的Flash、8KB的SRAM等高性能模塊，并內(nèi)置了ZigBee協(xié)議棧，加上超低能耗，使得CC2430可以用很低的費(fèi)用構(gòu)成ZigBee節(jié)點(diǎn)。
車內(nèi)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)不僅可以采集環(huán)境參數(shù)信息，而且可以實(shí)時(shí)監(jiān)控生物品的位置信息。由于裝有生物品的箱子貼有電子標(biāo)簽，可供安裝在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的RFID讀寫器識別;室內(nèi)終端節(jié)點(diǎn)可將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上，再由協(xié)調(diào)器傳輸?shù)焦芾碇行摹D2所示是ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)的硬件模塊框圖。
ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn)啟動整個(gè)網(wǎng)絡(luò)以及組網(wǎng)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)啟動結(jié)束之后，其功能主要是傳輸數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)和路由器節(jié)點(diǎn)可將收集到的數(shù)據(jù)傳輸給協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器通過GPRS傳輸?shù)焦芾碇行?。管理中心也可通過GPRS將需要傳達(dá)到車輛終端的信息發(fā)送到協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器通過串口顯示到車輛終端的顯示平臺，實(shí)現(xiàn)車輛終端和管理中心的信息交互，圖3所示是ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖。
3 軟件設(shè)計(jì)
軟件開發(fā)平臺采用的是IAR開發(fā)環(huán)境，該工具具有強(qiáng)大的開發(fā)功能。終端節(jié)點(diǎn)主要采集數(shù)據(jù)，路由器主要是轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器主要是接收數(shù)據(jù)并與管理中心通信,終端節(jié)點(diǎn)和路由器完成的功能一樣，它們的軟件程序流程圖如圖4所示。
ZigBee節(jié)點(diǎn)流程中的串口采用中斷方式接收數(shù)據(jù)，其主要函數(shù)代碼如下：
由于協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)的功能不一樣，所以，工作流程圖也有所不同。協(xié)調(diào)器在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中起到組網(wǎng)的作用,在初始化之后，協(xié)調(diào)器便開始在周圍尋找ZigBee節(jié)點(diǎn)，并將它所到達(dá)的所有節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò),組網(wǎng)成功之后，它其實(shí)就是一個(gè)網(wǎng)關(guān),等待接收數(shù)據(jù)，然后將接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理之后，通過串口發(fā)送給GPRS模塊。協(xié)調(diào)器GPRS模塊再將信息發(fā)送到管理中心，當(dāng)GPRS成功的將數(shù)據(jù)發(fā)出之后，它將返回一個(gè)信號給協(xié)調(diào)器，以告訴協(xié)調(diào)器發(fā)送成功。管理中心根據(jù)接收到的信息給出反饋信息，車輛終端通過GPRS接收信息并傳給協(xié)調(diào)器，經(jīng)協(xié)調(diào)器處理后，再由協(xié)調(diào)器將信息顯示在終端，圖5所示是ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的程序流程圖。
ZigBee節(jié)點(diǎn)中的串口一般采用査詢方式發(fā)送數(shù)據(jù)，其函數(shù)代碼如下：
4 結(jié)語
本系統(tǒng)綜合利用了RFID,GPS和ZigBee技術(shù),可在微生物運(yùn)輸過程中自動采集、記錄、上報(bào)實(shí)時(shí)信息,并對微生物運(yùn)輸過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和跟蹤，以使得每個(gè)相關(guān)單位可以即時(shí)準(zhǔn)確地掌握微生物整個(gè)運(yùn)輸過程的動態(tài)信息，從而做到即時(shí)制止非法行為、預(yù)防事故、消除事故影響等安全管理目的。
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