智慧冷链物流传感器的研究进展与挑战

The Research Process and Challengeof Logistic Sensors in Smart Cool Chain

摘要: 以自动化、信息化和网络化为主要特征的智慧冷链加快了物流传感器的研究进展：首先，为监测和记录冷链中的温度和相对湿度等数据，冷链的运输环境监测、集装箱智慧化、车辆智能定位等使用了一些新型的无线微型传感器；其次，为保证物品在冷链运输中的质量和品质特性，在物品保存和变化机理的检测中也使用了一些新型智能传感器；最后，与这两类传感器对应的大量数据处理与传输问题推动了冷链物流传感器的其他新技术的进展。为此，本论文回顾了智慧冷链中出现的传感器技术及其应用，介绍了冷链物流传感器的最新研究进展，并对其发展趋势与挑战进行了综述。

Abstract: Owing to its features of automation, information and network, the intelligent cold chain promotes the research process of logistic sensors: firstly, in order to monitor and record the real time tem-perature and relative humidity test data of cool chain, the transportation environment monitoring, container intelligence, truck smart position and so on adopt some new wireless sensors; secondly, in order to maintain the quality and fresh of food, the detection based on the mechanism of goods store and change adopts some new smart sensors; in the end, problems of large scale of data processing , data transmitting also promote the development of related sensor technology. So the paper reviews the sensor technology and its application occurred in cool chain logistic, introduces its newest research process, and gives a survey of its prospect and challenge.

1. 引言

“物流”是指物品从供应地向接受地的实体流动过程，它将物品的运输、储存、装卸、搬运、包装、流通加工、配送、信息处理等基本功能实施有机结合。智慧物流链是基于供应链的，既通过对信息流、物流、资金流的控制，利用自动化、信息化、网络化的手段将供应商、制造商、分销商、零售商、最终用户连成一体的运作模式[1] [2] 。在智慧物流体系中，各类传感器技术是基础，物资的状态、地理等信息都依赖传感器技术，如使用RFID技术、激光、红外、条码检测与识别技术对物品进行分类、拣选、计数；采用全球卫星定位技术(GPS)、RFID技术、车载视频检测技术等对物品运输进行定位等[3] -[5] 。

近年来，针对冷链运输过程中的温度和其它参数的测量，很多学者进行了广泛的研究[6] -[12] ：如Han Ding等使用R220读写器、A9028R30NF天线、ADXL330三轴加速计、LM94021温度传感器组成的冷链无线辨识与感知平台，进行了温度异常估计、商品异常估计、运输异常估计 [13] ；Sebastian Zὂller等采用滤除冷链感知网络的不相关数据，减低传输的数据量，来减少能耗等 [14] 。

但是系统评估、整理、消化和丰富这些进展的文献不多；本文的综述就是基于这个目的进行归纳和总结的。论文按照智慧物流的特点，对近年来在冷链组成、智慧集装箱、智慧传输、冷链管理、冷链协同信息处理等环节的研究成果进行对比总结、原理分析、效果评估等研究。

2. 问题的描述

在冷链物流中，对物品的质量和新鲜等控制与监控是制造者、提供者、传输决策者和消费者的持续要求。这本身也是对智慧物流传感器的不断挑战：测量参数多并且使用环境不确定，性能参数要求高又缺乏完善的标准等。目前开展的研究可以分为以下六类：

第一类是基于冷链测试的实验研究 [15] - [21] ，如Luis Ruiz-Garcia等使用无线节点，通过对运输车温度、湿度、门的开关、卡车起动与停止的检测来研究物品水分和营养的损失等 [22] ；这类研究存在的问题是如何克服研究的局限性和成果应用的普适性。

第二类是基于冷链食品变化机理的研究 [23] - [29] ，如Almonacid和 Torres建立了数学模型以评估温度给冷藏固体食物带来的负面影响 [30] ；McNab等 [31] 提出了采用蒙特卡罗(Monte Carlo, MC)模拟方法的微生物风险评估模型等。这类研究存在的问题是如何评估机理的正确性和传感器应用的有效性等。

第三类是基于逆向物流模型的研究 [32] - [34] ，如宋亮等研究的逆向物流网络优化设计模型。这类研究的难点在于废弃品及其影响的动态检测问题 [35] 。

第四类是基于智能集装箱的研究[36] -[38] ，如德国的CRC合作研究中心研究了具有联网的货运质量评估、运输管理、动态抗干扰的能力的智能集装箱。

第五类是基于物流网、大数据下的冷链协同信息处理研究[39] -[42] 。如Miguel Castro等基于物联网建立了柔性、感知性强的冷链监测、跟踪和监控系统(TTS) [43] 。

第六类是基于冷链管理的研究，相关的标准如在欧盟国家，分销商和其他供应链合作伙伴必须遵循ATP(国际易腐食品运输的特殊协议) [44] [45] 。

在这六类研究中，传感器的研究分类如图1所示，而相关的技术难点用表1表示。

3. 冷链运输(智慧集装箱)中的传感器应用技术进展

智能集装箱是一个分散决策和自治的智能容器，其功能是提供一个分布式的基础设施，便于实现过程监测与控制。它一般采用智能代理实现系统软件功能；采用基于RFID的智能标签来检测货物；采用基于无线传感器网络的检测系统实现容器内部的在线质量评估等 [46] - [49] 。

货运环境监测无线传感器网络(WSN)使用的传感器有温度、湿度、加速度、目标浓度气体传感器以及厢门开关传感器等。装入集装箱后，所有已部署的传感器节点自主形成ad hoc等无线网络，代理平台/网关系统作为传感器网络的基站。

本节首先介绍食品药品检测要求，而后分析在这些要求下对应的传感器的发展。

3.1. 易腐食品的传感器检测要求

因为在失败的冷链中，农产品会过度成熟、颜色和质地会发生变化，而持续、可靠的温度控制可以最大限度地减低患上食源性疾病的风险。表2给出了四组产品对温度的要求 [49] 。

EN12380规定适合冷藏运输的食品，对应的合适测量温度范围是−25℃到+15℃，精度±1℃，分辨率≤0.5℃。

依据这个要求，如要建立实时的检测平台，在智能集装箱需安装的有线传感器会达到数百个，并要求具备低成本、可靠性高、对食品安全等特征。依据测量的精度设计规则，传感器的要求比EN12380要高一个等级，这是低成本传感器在高精度应用下的一个挑战。

Figure 1. Classification of research of smart cold chain sensors

图1. 智能冷链物流传感器的研究分类

Table 1. System resulting data of standard experiment

表1. 标准试验系统结果数据

Table 2. The different demands from different product

表2. 不同产品对温度的要求

所以比较合理的温度传感器选择包括一线式智能温(湿)度传感器、总线制半导体温度传感器、无线温度传感器、智能RFID等。

3.2. 医药冷链对传感器的检测要求

医疗产品如疫苗、血液和一些药品及其他对温度敏感的产品，这些产品的冷藏温度大多数在2℃~8℃之间，并且这个温度需要在供应链的每个阶段得到保证。如果疫苗等被不合适的温度损坏，那么可能对健康或生命产生损失。

世界卫生组织规定：“在特殊的贮存条件下的测量数据(例如在运输过程中的温度和相对湿度)，都应该能被提供、检查、监测和记录”。还指出：“车辆的测绘温度应支持车辆两端的温度均匀性；记录的温度监控数据应该是可以被追溯的”。

这些就对智能传感器的存储容量、数据处理能力、安装提出了要求。为此，下文分析两类智能传感器：智能RFID、无线微型(温湿度)物流传感器。

3.3. 智能RFID传感器

智能RFID技术是在RFID传感器硬件上配备多参数的检测、时间记录等功能，形成智能标签；这样既可以检测环境，又可以预测剩余的保质期。

近期的研究包括：Abad，Mattoli等研究了在冷链使用的结合温度、光照、湿度的RFID智能标签[50] [51] ；Steinberg、Zampolli、Kassal、Unander研究了RFID与化学传感器结合的智能标签[52] -[55] ；Fernandez研究了RFID与压力传感器结合的智能RFID传感器[56] [57] ；Kang研究了RFID与SAW传感器结合的智能RFID传感器[58] 等。

在RFID的无线传输上，实验表明了在2.4 GHZ，915 MHz及433 MHz三种典型的物流RFID的使用频率中，915 MHz及433 MHz具有较好的应用特征。而在测试的精度上，实验表明，RFID智能标签的温度平均值偏差可小于0.12℃，而标准偏差可小于±0.15℃ [59] 。

这里介绍三种实例：

1) 基于CMOS工艺的智能湿度RFID

Xiang Wu等研究了使用标准0.18 um的CMOS工艺的智能RFID技术。他们采用顶部存积的金属层形成内部的数字化电极，用聚酰亚胺填满形成湿度传感层，使用动态偏置电压的差分驱动结构提高整流器的源栅级有效电压，并使之具有平滑的有效功率曲线。器件采用基于锁相环的电容性传感器接口(能工作在0.5 V)，其结构框图见图2。这种智能RFID的发送信号，能在间隔23米被4 W功率的接收器有效接收，而它的功率消耗只有2.5 uW。这种智能湿度RFID在10%到90%相对湿度下有较好的线性度、较小的磁滞、较好的稳定性，能满足一般应用的要求，其灵敏度为18.75 fF/%RH [50] 。而这种结构在类似的温度、气体智能RFID中也被应用。

2) 基于有机/印刷柔性工艺的智能RFID

基于(金属或非金属)薄膜的印刷器件具有重量轻、可折叠/弯曲、透明、薄而规则、可穿戴、能大规模制作、成本低等特点。这类RFID器件一般集成了内存、电池、显示、电子感知、通信等功能。

这里介绍Danick Briand等在欧盟研究FlexSmell中的实例：A) 温度传感器：采用银墨打印机结合镍电镀在塑料薄膜上开发温度传感器，这种热电阻具有良好的线性特征；B) 冲击传感器：采用表面微机械工艺在塑料薄膜进行加工——聚酰亚胺工艺，即使用隔膜形成异常低功耗的电容器件进行冲击的加速度测量 [60] - [70] 。

3) 基于卡纸板的智能RFID

José Fernández-Salmerón在卡纸板上集成了商用的力传感器和打印的门打开传感器。这种结构的表现形式上是被动的单芯片RFID标签，一般这种标签还集成了温度传感和电子选择开关 [71] 。

这些RFID也有商品可供选择：如SL900A，这个RFID集成有A/D转换器，它具有50 mV到160~610 mV的内部电压参考。其内置的温度传感器测量范围为−89度到85度，分辨率为0.18度。一般电阻可以直接接在RFID芯片的SFE端。天线的工作频率是868 MHz。

3.4. 无线传感网络与其他无线技术

Luis Ruiz-Garcia等对比了在食品和农业中使用无线传感的通信技术和标准，指出与蓝牙等相比，RFID和WSN是较好的技术。他们提出采用基于ZIGBEE的WSN技术技术。在无线传感网络中，传感器的选择相对多、而且灵活，如使用SHT11温湿度传感器、温度压力传感器MS5534B、光强传感器TSL2550D、两轴加速度计ADXL202JE等等 [49] 。

Figure 2. The structure plot of smart humidity RFID

图2. 智能湿度RFID传感器的结构框图

由于物流中采用的ZIGBEE使用2.4GHz的通信频率，虽然通信特性低于868 MHz、945 MHz，但它的功率可以略高。目前也有一些采用其他频率的物流WSN网络(包括相关协议)的研究。

4. 基于模型的冷链物流传感器应用技术进展

4.1. 冷链物品(食物)变化机理与受影响模型

在冷链食物模型中，安全可靠的食品由食物包含的微生物数量决定的，而且微生物的数量在食物运输过程中是不断的变化的。因此，微生物的数量越多，食物的安全可靠性越低。

1) 微生物在运输过程中的增长建模——微生物测量。

根据“T.T.T”(温度，时间，忍耐性)食物运输理论。微生物在食物中的数量主要受到温度和时间的控制。Zwietering提出一系列的微生物增长的指数模型[72] 。

(1)

其中：是微生物在时间t时刻的集合(CFU/g)；是微生物最初的集合(CFU/g)；b是一个在实验中的参数；T是在运输过程中的温度(℃)；是在没有增长时的温度(℃)；λ是微生物增长的滞后时间(h)。由模型可以计算出温度和时间对食品的影响。

测试微生物的方法有浮游微生物采样器、酶抑制法和光电比色法等。基于智能RFID和无线传感网络的比色等测量由于技术略复杂，目前这方面进展不多。

2) 有氧呼吸模型——气氛测量

相关研究表明：香蕉的有氧呼吸率是O₂和CO₂浓度的函数。大气包装(MAP)产品的新鲜度控制依赖于控制包装里的气氛，因为这样可以改变自然相互作用的呼吸率。

呼吸率：新鲜率可以表示成氧气消耗速率和/或二氧化碳产生率的函数。

(2)

(3)

在V是部分体积在顶部空间的包，R是呼吸速率，表示为体积的气体生成/消耗每单位时间(t)和产品的重量(M)。

在测试方面：呼吸率定义是在21℃测量，采用封闭系统，样品放在密封的玻璃瓶,其中原来空气作为最初的气氛。气体采集标本定期通过这种密闭鼻中进行采样与分析，测量装置可以选用Oxybaby气体分析仪，其校准用标准气体，也可以采用气体检测智能RFID和无线传感网络。

3) 成熟度模型——乙稀测量

一般使用得到的气态激素乙烯来进行衡量或估计当前的农产品成熟的状态。方法是采用一个微型的高分辨率气相色谱仪，测量成熟度指标包括挥发性芳香与乙烯。

能进行成熟度的方法包括：通过减少冷藏集装箱容量；控制气体成分(CA)；降低温度(可以较少乙烯产生和对乙烯的敏感度)。这些过程的监控，需要使用乙烯传感器，如使用基于智能RFID和无线传感网络的乙烯测量。

4) 水分模型——湿度测量

90%至95%的相对湿度(RH)环境是大多数水果和蔬菜所需要的。一些产品诸如洋葱，冬南瓜，大蒜，姜应保持在相对湿度70%的环境里。

湿度控制方法研究如下：采用特殊包装；配备喷雾增湿系统；配备有一个可调的新鲜空气通气量来控制空气进入容器。这些需借助湿度的测量，有关湿度传感器的智能RFID等进展在3.3与3.4节进行了叙述。

5) 物理损伤——振动与冲击测量

振动、挤压、冲击会造成物理损伤。振动损坏是由于车辆在公路上行驶时振动的运动，而振动损伤最大的地方是在弹簧悬挂轴的位置，所以空气悬架能地降低了振动损伤。

防止振动的方法有：配备空气悬挂系统；安装后轴的悬架系统；合理的摆放位置(对振动敏感的农产品应放在至少最后的两个托盘的位置)。这些需借助振动和冲击的测量，有关研究进展见3.3与3.4节。

4.2. 与变化机理测量相关的传感器技术

1) 智能气体(包括乙烯)RFID

一般使用有机薄膜晶体管(OTFT)，电容器、谐振器的原理在塑料薄膜上印刷。由于电容具有异常低的功耗、较好的灵敏度，一般选用容性传感器来实现。

如一个设计实例是：在聚乙酯电容与聚对苯二甲酸乙二醇酯上印刷或电镀容性的化学传感器，集成AD7746的模数转换器。这种传感器采用5 um薄的Ni电镀到梳妆电极的电容性，使用聚酯箔聚乙烯层组成波导，形成各种敏感层，进而进行测量[61] 。

2) 气体检测无线传感器

无线传感网络可供选择的氧气、CO₂以及乙烯测量的传感器较多，目前受到关注还是基于MEMS的气体传感器技术。

氧气传感器采用氧离子导体、参考电极和待测试样构成伽伐尼电池，通过测量装置的电动势，确定待测试样的氧含量或氧分压。而二氧化碳传感器利用CO₂对红外线在4.26 um处波段吸收效果比较强来进行设计；乙稀传感器采用电化学原理进行设计。

5. 冷链中逆向与违规物流的传感器应用技术进展

针对冷链，可能存在的逆向、违规物流问题，需要研究传感器在冷链逆向物流中的应用进展。逆向物流一般采用开环结构和闭环结构运行；开环用于回收物品不回到初始的生产商,而回到其他接收地的情况；闭环结构指回收的物品回到初始的生产商的情况。

这里涉及到违规、废旧食品药品测量与运输控制问题。相关的研究如下：WOOD提出了确定性禁止网络模型，为在有限的资源中，把偷运者能建立的网络最小化，这样一个禁运网络是NP难的问题[73] 。在此基础上，WOOD和Israeli使用了确定的双层编程框架，以最大化偷运者运行的最短路径[74] 。Dimitrov等提出随机网络模型，并把测量技术应用到了网络中[75] 。如在运输中的人行道环形检测器、道旁的车辆计数站、车辆辨识器等；在检测站的固定和手持探测器、RFID传感器等[76] 。

另外，在冷链中，医疗产品及其辅助电子仪器的回收也是要考虑的问题之一；同时由于在低温下，冷链具有细菌等难以生长的特点，使冷链能应用在这些物品的逆向物流中。为此需要在温度控制的同时，增加多种检测(控制)手段提供更可靠、更广泛的应用。

在传感器技术中，危害物、辐射度、废弃品的无线传感、RFID多参数检测或总线测量是增加这种应用的基础[77] 。目前结合环境监测的无线传感网络、智能RFID应用到智慧物流领域，对物流传感器的应用仍然是一个挑战。

6. 冷链协同信息处理研究的传感器应用技术进展

在这个方面有很多研究，主要分为对无线传感器网络的信息处理研究、智慧RFID的信息处理研究、以及其他方式冷链物流传感器的信息处理研究。

6.1. 冷链无线传感器网络融合信息处理研究

在数据处理方面：Luis Ruiz-Garcia采用了Zigbee网络连续测量了物流运输时的物品状态情况，测量了1051公里，融合处理了一系列的测量数据，其处理方法如下：采用的标准方差为参数指标如(4)式所示，这里n是发送的包总数，p是在实验中的丢包率[23] 。

(4)

采用因子方差分析(ANOVA)来评估不同测量类型的效应，如：温度、湿度、大气压、光强、加速度模块。使用ASAE标准D271.2进行湿度测定。

在降低传输量方面：Sebastian Zöller等研究了物流传感网络的能量有效、高性价比的传感网络应用特征，开发了在网络确定传感数据相关性的滤波方法，以减少数据传输量[14] 。

Huping Xu等研究了在物流系统中传感器部属以获取较好覆盖率和连通性的问题，他们采用可信信息覆盖模型，其中使用了两种启发式算法：连通覆盖信息和带可移除的冗余中继部署算法[77] 。

6.2. 冷链RFID融合信息处理研究

由于RFID存在大量的测量数据，RFID的数据管理研究进展比较多，如RFID的数据仓库和多余数据的剔除、RFID的数据查询、RFID的数据清理以及RFID的数据压缩。有关的研究者和提出的研究[78] -[86] 如表3所示。

下面介绍几个实例。

1) RFID的数据压缩

Hua Fan等提出了分离路径策略下的RFID的数据存储模型，该分离路径基于树的拓扑结构。他们首先把路径信息进行数据分离，按照两分岔路径分别进行存储，极大地减少了信息量[87] 。

2) RFID的数据处理

Ki Hwan Eom等使用神经网络对kalman滤波中测量噪声矩阵进行在线调整，这样提高智能RFID标签中测试数据的精度：如温度(提高MSE达40.1%)、湿度(提高MSE达60.4%)、氧气(提高MSE达60.4%)等[88] 。

Table 3. The data process research of RFID

表3. RFID的数据处理研究

3) RFID的车辆定位

Xiang Song等在GPS基础上，利用RFID的接收强度，使用最小均方根方法进行定位，提出互联多层模型的全局数据融合算法和有强跟踪能力的增强Kalman滤波算法[89] 。

在相关的应用中，单轴惯性陀螺仪、里程计和基于红外、微波、射频器件的测量与通信装置得到应用[90] -[92] 。

6.3. 冷链低功耗组网技术研究

1) 基于低功耗RFID的组网

Antonio Sánchez等使用低功耗的RFID外围集成电路，可以在备用模式下以10 uW功耗、在发送和接收模式下以极低功耗工作[93] ；这种低功耗RFID在组网时采用了CSMA-CA中的CCA机制。

2) 基于低功耗椭圆曲线密码(ECP)加密的RFID组网

Zilong Liu在他们的研究中使用数量少的椭圆曲线密码(ECP)实现RFID加密。其中椭圆曲线函数采用(5)式。

(5)

这种RFID的面积是0.12 mm²，在847.5 KHz工作时功耗能降到20.1 μW工作。这样为RFID低功耗组网的安全论证提供一种解决方案[94] 。在椭圆曲线密码(ECP)的实现上，certiCom公司推出了相关软件和一种硬件内核产品。

3) RFID组网的能量有效

Adnan Nasir等研究了RFID组网的能量有效、和最大化RFID链接的信噪比(SNR)方法，并使用了隐马尔科夫(HMM)、分层隐马尔科夫(HHMM)算法预测接收和事件发生，来实现低功耗的组网，等等[94] 。

4) RFID低功耗组网的功率计算

在理论上，Shuenn-Yuh Le研究了RFID的场强和传输功耗问题。他们指出在近场下的RFID场强为(6)式，其中场强为H，N是线圈的匝数，r是与发射源的距离，R是线圈的直径，I是电流。

(6)

远场下，RFID场强如(7)式，式中为波阻抗，为发射功率，r是发射到接收线圈的距离。

(7)

传输的功率情况如(8)式

(8)

其中接收器的功率为，发送器功率为，为衰减因子，是频率，是距离，和是接收器和发送器的天线增益[95] 。

6.4. 冷链传感器信息与其他系统之间融合

(1) 冷链的后勤辅助系统

Shao-Fan Lien 等基于Android开发了后勤辅助修理框架，这个系统包括四个部分：智能手机、数据管理系统、维护支持中心和无线网络等等。

(2) 智能物流追踪系统

孙玉砚等研究了与GPS、物流管理、外界环境、GIS 融合的智能物流追踪系统；它由监测网络、数据传输网络、远程终端和运输人员4个部分构成[96] 。

Heinrich Milosiu在他们研究的“Energy independent Asset Tracking System”(独立能量财产跟踪系统)项目中使用了唤醒接收器、基于信标的定位方法，并能在多个频率段通信。

(3) 智能物流服务系统

王亦璋等研究了基于BLE4.0的无线温度模块、利用手机建立智慧管理平台监控温度的变化。在配置、初始化l、盘点、运输、货物查找、货物清点、信息下载和电量盘点等几个方面提供行动物流服务[97] 。

6.5. 冷链传感器技术的挑战

1) 基于定位技术的无线标签网络

从前面的分析可以看出，目前的智慧冷链RFID、无线传感网络在定位方面的研究和应用不多，降低了智慧的冷链服务的质量。基于超宽带的智能标签定位、RFID定位、WSN定位，在低功耗组网等方面的应用是冷链传感器技术的挑战。

2) 基于无线视频监测技术的冷链服务

冷链网络可视化技术，不但增加了冷链运输的可靠性、可追溯性，也对提高冷链全过程服务质量提供基础。但无线低功耗、低温的网络视频技术是智慧冷链感知技术另一个挑战。

3) 传感器信息与物流管理、GPS、外界环境信息(外部温湿度)等系统之间的智慧融合，以及冷链的低功耗组网也是智慧冷链传感器技术的挑战。

4) 低成本、大数量、性能可靠、测量参数多的传感器在冷链中的应用是冷链物流传感器技术的主要挑战。

7. 结论

随着冷链在社会生活的日益普及，以及人们对食品药品的质量与品质的不懈追求，传感器被越来越多的应用到冷链物流中。

在这种环境下，附带多种检测参数智能RFID传感器以不同的制作方式被制造、被完善；MEMS传感器、微型化传感器应用领域也日益被扩大；这些传感技术推动了智慧化冷链的发展。

而在信息处理与通信方面。超高频的RFID (433-900 MHz)的研究进展较大，而与433 MHz或895 MHz的RFID通信协议结合的无线传感网络也得到发展。

同时，成本低、数量大、性能可靠、参数众多、标准不完善、机理复杂等的物流传感器的特征是它们是否能在冷链中的可靠与长期应用的挑战。

致谢

成都信息工程大学物流工程09级的学生参与部分资料的整理工作，其中王愈钧、邓红波、章壮等同学参与了论文的部分资料翻译和总结工作。

基金项目

四川省教育厅重点自然科学基金项目14Z0172。