基于RFID、GPS和ZigBee技術的菌毒種安全運輸系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)
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)境保護和可再生能源等密切相關。醫(yī)學菌毒種是生物學的重要組成部分,是能夠引起人類各種疾病的致病性微生物，因此，微生物的保藏和運輸已成為實驗室安全管理工作的核心內容。RFIDE標簽體積小、存儲容量大、壽命長、可支持移動識別、可多目標識別，并可以在各種環(huán)境下工作。GPS[2]可以在全球范圍實時提供高精度的三維位置、三維速度和系統(tǒng)時間信息，實現(xiàn)對移動物體的軌跡跟蹤，但GPS只采集數(shù)據，該數(shù)據需要利用GPRS[3]傳輸?shù)焦芾碇行?。ZigBee技術山則以特有的低功耗、低成本、低復雜度成為無線傳感網絡的首選方案，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的基礎上，給出了采用chipcon的CC2430芯片來開發(fā)菌毒種安全運輸系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。
1 運輸系統(tǒng)總體設計
整個菌毒種運輸系統(tǒng)由車輛運輸系統(tǒng)和遠程管理系統(tǒng)組成，它們之間以GPRS作為主要的傳輸形式。運輸車輛終端帶有GPS接收器、RFID讀寫器、GPRS無線模塊以及車輛內采用ZigBee技術進行無線監(jiān)控的車輛內部環(huán)境等信息。其中，GPS接收器安裝在車輛外部,用來跟蹤車輛運輸和運行的軌跡；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實現(xiàn)車輛終端與管理平臺的信息互交，監(jiān)控物品運輸全過程;釆用ZigBee短距離無線技術可監(jiān)控室內環(huán)境，如溫度和濕度等，圖1所示是該運輸系統(tǒng)的總體方案。
根據菌毒種保存和運輸?shù)奶攸c，可以用菌毒種保存和運輸過程的實時定位、跟蹤和監(jiān)控技術，以及集成GPRS和電子標簽（RFID）中間件技術，來開發(fā)菌毒種運輸系統(tǒng)，并實現(xiàn)如下主要功能：
(1) 實時跟蹤和監(jiān)控菌毒種運輸、運輸車輛以及運輸人員的狀況；
(2) 實現(xiàn)菌毒種運輸過程管理平臺與車輛設備以及人員的信息互交，車輛調度指揮安全分析與管理，以及事故預測等；
(3) 在菌毒種運輸過程中發(fā)生事故、搶劫以及其它緊急情況時，通過管理平臺及時獲取現(xiàn)場信息，并及時采取應急措施。
管理平臺的功能包括對車輛實時監(jiān)控的預報警,安全分析和管理，信息發(fā)布和運輸線路的規(guī)劃。在運輸過程出現(xiàn)緊急狀況時,管理平臺可以及時采取應急措施。
2 車輛終端設計
車輛終端包括車內監(jiān)控系統(tǒng)和車外定位系統(tǒng)兩個部分。車內監(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)境狀況符合標準;車外定位系統(tǒng)主要負責管理中心對生物品安全運輸?shù)膶崟r跟蹤以及與管理中心的信息互交等。
車內監(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。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網絡結合時,ZigBee模塊相當于一個網關,RFID數(shù)據采集通過ZigBee節(jié)點傳輸?shù)狡渌木W絡中，可起到中途轉換的作用。
CC2430是Chipcon公司推出的、用于實現(xiàn)嵌入式ZigBee應用的片上系統(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、增強工業(yè)標準的8051MCU.32/64/128KB的Flash、8KB的SRAM等高性能模塊，并內置了ZigBee協(xié)議棧，加上超低能耗，使得CC2430可以用很低的費用構成ZigBee節(jié)點。
車內ZigBee終端節(jié)點不僅可以采集環(huán)境參數(shù)信息，而且可以實時監(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簽，可供安裝在網絡節(jié)點上的RFID讀寫器識別;室內終端節(jié)點可將采集到的數(shù)據傳輸?shù)絽f(xié)調器節(jié)點上，再由協(xié)調器傳輸?shù)焦芾碇行?。圖2所示是ZigBee網絡終端節(jié)點的硬件模塊框圖。
ZigBee網絡協(xié)調器節(jié)點主要實現(xiàn)啟動整個網絡以及組網。當網絡啟動結束之后，其功能主要是傳輸數(shù)據。網絡中的終端節(jié)點和路由器節(jié)點可將收集到的數(shù)據傳輸給協(xié)調器，再由協(xié)調器通過GPRS傳輸?shù)焦芾碇行摹９芾碇行囊部赏ㄟ^GPRS將需要傳達到車輛終端的信息發(fā)送到協(xié)調器，再由協(xié)調器通過串口顯示到車輛終端的顯示平臺，實現(xiàn)車輛終端和管理中心的信息交互，圖3所示是ZigBee網絡協(xié)調器節(jié)點的設計結構框圖。
3 軟件設計
軟件開發(fā)平臺采用的是IAR開發(fā)環(huán)境，該工具具有強大的開發(fā)功能。終端節(jié)點主要采集數(shù)據，路由器主要是轉發(fā)數(shù)據，協(xié)調器主要是接收數(shù)據并與管理中心通信,終端節(jié)點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)點流程中的串口采用中斷方式接收數(shù)據，其主要函數(shù)代碼如下：
由于協(xié)調器與終端節(jié)點的功能不一樣，所以，工作流程圖也有所不同。協(xié)調器在ZigBee網絡中起到組網的作用,在初始化之后，協(xié)調器便開始在周圍尋找ZigBee節(jié)點，并將它所到達的所有節(jié)點組成一個ZigBee網絡,組網成功之后，它其實就是一個網關,等待接收數(shù)據，然后將接收到的數(shù)據經過處理之后，通過串口發(fā)送給GPRS模塊。協(xié)調器GPRS模塊再將信息發(fā)送到管理中心，當GPRS成功的將數(shù)據發(fā)出之后，它將返回一個信號給協(xié)調器，以告訴協(xié)調器發(fā)送成功。管理中心根據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)調器，經協(xié)調器處理后，再由協(xié)調器將信息顯示在終端，圖5所示是ZigBee協(xié)調器節(jié)點的程序流程圖。
ZigBee節(jié)點中的串口一般采用査詢方式發(fā)送數(shù)據，其函數(shù)代碼如下：
4 結語
本系統(tǒng)綜合利用了RFID,GPS和ZigBee技術,可在微生物運輸過程中自動采集、記錄、上報實時信息,并對微生物運輸過程進行實時監(jiān)控和跟蹤，以使得每個相關單位可以即時準確地掌握微生物整個運輸過程的動態(tài)信息，從而做到即時制止非法行為、預防事故、消除事故影響等安全管理目的。
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