《電子技術(shù)應(yīng)用》
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面向鮮食葡萄冷鏈物流的無線實時監(jiān)測系統(tǒng)
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2013年第8期
肖新清1, 齊 林2, 張 雷1, 張小栓1
1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，北京100083； 2. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京100083
摘要： 為了保證鮮食葡萄冷鏈物流過程中的質(zhì)量安全，提高冷鏈物流過程透明度，以ZigBee協(xié)議為基礎(chǔ)，圍繞CC2530型無線傳感片上系統(tǒng)，設(shè)計了面向鮮食葡萄冷鏈物流的無線實時監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)包括集成溫濕度傳感器和SO2傳感器的傳感器節(jié)點、用于建立和維護ZigBee網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)匯集的協(xié)調(diào)器節(jié)點以及用于遠程實時監(jiān)控的遠程監(jiān)測系統(tǒng)，同時在模擬葡萄冷鏈環(huán)境(0℃恒溫)下對系統(tǒng)進行了測試。結(jié)果表明，監(jiān)測系統(tǒng)能夠很好地應(yīng)用于鮮食葡萄冷鏈物流過程；傳感器節(jié)點在恒溫0℃時工作可靠，且能夠穩(wěn)定、準(zhǔn)確地監(jiān)測冷鏈環(huán)境溫度、相對濕度及SO2濃度等關(guān)鍵參數(shù)的變化過程。
中圖分類號： S126;F252
文獻標(biāo)識碼: A
文章編號： 0258-7998(2013)08-0077-03
Wireless real-time monitoring system for table grape cold-chain logistics
Xiao Xinqing1, Qi Lin2, Zhang Lei1, Zhang Xiaoshuan1
1.College of Information and Electrical Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China 2. College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China
Abstract： In order to ensure the quality and safety of the table grape and improve the transparency during the cold-chain logistics, a wireless real-time monitoring system was designed for table grape cold-chain logistics with ZigBee protocol and CC2530 wireless sensor SoC. The system included a sensor node, which integrated by the temperature and humidity sensor and the SO2 sensor, a coordinator used for data upload and ZigBee network organization, a remote monitoring system developed for cold-chain real-time monitor. And we have made the performance test of the system, which included the real-time monitoring of the cold-chain environment under the constant temperature of 0 ℃. The performance test of the system proved that it could reflect the process of change of the temperature, the relative humidity and SO2 content in the environment stably and accurately, and it could work effectively under the table grape cold-chain logistics.
Key words : table grape; cold-chain logistics; wireless sensor network; ZigBee

    鮮食葡萄具有很高的營養(yǎng)價值和食療價值。隨著社會進步和人們生活水平的提高，對鮮食葡萄質(zhì)量安全越來越關(guān)注。為了確保食品鮮食葡萄質(zhì)量安全，物流過程中多采用冷鏈技術(shù)，通過實時監(jiān)測并調(diào)節(jié)儲運中的溫濕度環(huán)境，使葡萄全程處于適宜的冷藏環(huán)境。但是，即使鮮食葡萄處在適宜的冷藏環(huán)境中，微生物仍然處在緩慢生長狀態(tài)，在長時間的運輸途中同樣容易出現(xiàn)腐爛變質(zhì)的情況，不能達到保鮮目的。因此，一般在冷鏈物流過程中，有效耦合應(yīng)用保鮮技術(shù)可以降低農(nóng)產(chǎn)品的新陳代謝及其呼吸速度，抑制冷藏環(huán)境中的細菌生長，延長貨架期。常用的果蔬保鮮劑有防病防腐保鮮劑、氣體防腐保鮮劑、涂被保鮮劑以及其他保鮮劑等。

    鮮食冷鏈物流過程中比較常用的是SO2氣體防腐保鮮劑。但是，如果操作不當(dāng)，有可以導(dǎo)致SO2釋放過快,不僅導(dǎo)致鮮食葡萄漂泊損傷及影響人體健康與環(huán)境，還有可能后期劑量不足又引起葡萄腐爛[1-2]。因此，鮮食葡萄冷鏈過程需要監(jiān)測與調(diào)節(jié)SO2釋放情況，使SO2氣體能長時間、均勻釋放，達到全程保鮮目的。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種新的信息獲取技術(shù)，尤其是ZigBee技術(shù)，憑借其低功耗、低成本、高可靠性等特點，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域[3]?，F(xiàn)有的SO2傳感器主要是應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境，其精度與量程不能滿足鮮食葡萄等農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流需要[4]。
    本文針對鮮食葡萄冷鏈物流監(jiān)測需求，應(yīng)用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，集成溫濕度傳感器、SO2傳感器設(shè)計了面向鮮食葡萄冷鏈物流的無線傳感器節(jié)點，同時設(shè)計了用于數(shù)據(jù)匯集的協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)節(jié)點以及遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)，并進行了相關(guān)的性能測試。
1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)
    面向鮮食葡萄冷鏈物流的無線實時監(jiān)測系統(tǒng)是一個無線傳感信息采集系統(tǒng)，其基本結(jié)構(gòu)主要由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)單元和遠程實時監(jiān)控單元組成，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)端與遠程實時監(jiān)控端的數(shù)據(jù)通信則是通過GPRS遠程傳輸方式進行，系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括無線傳感器節(jié)點部分和協(xié)調(diào)器部分。

2.1 無線傳感器節(jié)點設(shè)計
    無線傳感器節(jié)點即終端節(jié)點，實時感知著整個冷鏈物流過程中鮮食葡萄環(huán)境中的溫濕度、SO2濃度值等信息，主要由主控模塊、無線射頻模塊以及傳感器模塊組成，傳感器模塊包括溫濕度及SO2采集模塊，結(jié)構(gòu)如圖2所示。
    經(jīng)過文獻查詢[5-6]及調(diào)研結(jié)果得到鮮食葡萄冷鏈環(huán)境下溫度、相對濕度及SO2體積含量的理論監(jiān)測范圍，根據(jù)其范圍選擇合適的傳感器，鮮食葡萄冷鏈環(huán)境下的監(jiān)測參數(shù)及傳感器選擇情況如表1所示。

    本系統(tǒng)主控芯片采用TI公司的片上系統(tǒng)(SOC)的CC2530F256，溫濕度采集模塊采用的溫濕度傳感器為瑞士Sensirion公司出品的具有14 位A/D轉(zhuǎn)換器的SHT11數(shù)字溫濕度傳感器。SO2傳感器模塊則采用瑞士MEMBRAPOR公司生產(chǎn)的基于三電極系統(tǒng)的電化學(xué)MF-20型SO2傳感器。
2.2 協(xié)調(diào)器設(shè)計
    協(xié)調(diào)器是整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵，它既負(fù)責(zé)建立和維護整個ZigBee網(wǎng)絡(luò),同時還需要接收采集節(jié)點的信息并將匯集來的數(shù)據(jù)信息整合上傳至遠程實時監(jiān)控端。本文設(shè)計的協(xié)調(diào)器節(jié)點還通過RS-232串行接口與GPRS模塊相連接以實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與遠程實時監(jiān)控端的遠程通信,實現(xiàn)無線網(wǎng)關(guān)的功能，協(xié)調(diào)器的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。
    GPRS模塊采用廣州致遠電子有限公司的具有小體積和靈活應(yīng)用方式的ZWG-28DP嵌入式工業(yè)級GPRS無線模塊。通過配置GPRS模塊的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)以實現(xiàn)GPRS與Internet的連接，最終實現(xiàn)將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實時采集的數(shù)據(jù)傳送至遠程實時監(jiān)控端。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    本文的軟件開發(fā)系統(tǒng)采用IAR Embedded Workbench for 8051嵌入式集成開發(fā)環(huán)境，軟件設(shè)計采用TI公司針對其ZigBee芯片開發(fā)的采用事件輪詢機制的半開源Z-Stack協(xié)議棧，開發(fā)語言為C語言。系統(tǒng)遠程監(jiān)控端的監(jiān)控軟件采用NI公司的LabVIEW圖形化軟件進行開發(fā)。
3.1 無線傳感器節(jié)點軟件設(shè)計
    無線傳感器節(jié)點與SHT11和SO2傳感器通信程序及數(shù)據(jù)采集程序都只需在Z-Stack協(xié)議棧的應(yīng)用層開發(fā)。應(yīng)用層分別定義了溫濕度采集任務(wù)及SO2采集任務(wù).當(dāng)有任務(wù)就緒時，調(diào)用相應(yīng)的處理函數(shù);無就緒任務(wù)時，系統(tǒng)進入休眠實現(xiàn)低功耗。數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)牧鞒倘鐖D3中(1)所示。

 

 

3.2 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計
    協(xié)調(diào)器首先對串口等硬件進行初始化，之后協(xié)調(diào)器組建一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)并等待節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)協(xié)調(diào)器接收到數(shù)據(jù)信息時，它會回復(fù)ACK應(yīng)答信號確認(rèn)收到數(shù)據(jù)，同時將數(shù)據(jù)上傳，在串口發(fā)送失敗時協(xié)調(diào)器復(fù)位串口并重新發(fā)送。協(xié)調(diào)器應(yīng)用層數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)發(fā)流程如圖3中(2)所示。
3.3 遠程監(jiān)控軟件設(shè)計
    系統(tǒng)遠程監(jiān)控軟件運行在遠程的數(shù)據(jù)監(jiān)控端，協(xié)調(diào)器通過GPRS模塊實現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)實時與遠程監(jiān)控軟件的通信。
    遠程監(jiān)控軟件具有數(shù)據(jù)實時收集、實時曲線顯示、存儲管理、歷史數(shù)據(jù)查詢以及系統(tǒng)相關(guān)的配置等功能。
4 系統(tǒng)測試結(jié)果與分析
4.1測試條件
    葡萄冷鏈環(huán)境使用天津蘇瑞科技有限公司TEMI1880型高低溫交變實驗箱(以下簡稱變溫箱)模擬。分別向傳感器節(jié)點及協(xié)調(diào)器燒入相應(yīng)的嵌入式程序，協(xié)調(diào)器同時通過RS232串口與GPRS模塊連接，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程傳輸?shù)木W(wǎng)關(guān)功能。
4.2 模擬冷鏈環(huán)境下的系統(tǒng)測試
    本測試在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院進行，選用國家農(nóng)產(chǎn)品保鮮技術(shù)中心(天津)生產(chǎn)的袋裝SO2型保鮮劑，在變溫箱中放置一定的鮮食葡萄，將傳感器節(jié)點放入變溫箱內(nèi)， 密閉艙門， 設(shè)置變溫箱在0℃運行24 h，進行葡萄模擬冷鏈環(huán)境的系統(tǒng)測試，傳感器數(shù)據(jù)采樣間隔為10 min。協(xié)調(diào)器通過GPRS模塊將匯集的數(shù)據(jù)信息上傳到遠程監(jiān)控軟件，并由該軟件實時存儲入庫的同時實時顯示數(shù)據(jù)接收情況。傳感器節(jié)點采集的溫濕度及SO2釋放濃度數(shù)據(jù)如圖4所示。

    測試結(jié)果表明，傳感器節(jié)點在冷鏈環(huán)境能夠穩(wěn)定、準(zhǔn)確監(jiān)測環(huán)境中的溫度、相對濕度、SO2濃度等關(guān)鍵參數(shù)的變化過程。鮮食葡萄冷鏈環(huán)境下溫濕度及SO2釋放濃度采集傳輸過程中的數(shù)據(jù)延遲對系統(tǒng)應(yīng)用的影響并不大，系統(tǒng)能夠?qū)崟r接收采集的數(shù)據(jù)，并且采集的數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，能夠滿足實際鮮食葡萄冷鏈的應(yīng)用需求。
    本文以CC2530片上系統(tǒng)為核心設(shè)計的面向鮮食葡萄冷鏈物流的無線實時監(jiān)測系統(tǒng)，采用低功耗、低成本的ZigBee協(xié)議棧為軟件開發(fā)，適用于鮮食葡萄冷鏈物流環(huán)境，能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時、可靠傳輸。系統(tǒng)在葡萄冷鏈環(huán)境(0℃恒溫)的測試表明，傳感器節(jié)點在冷鏈環(huán)境能夠穩(wěn)定、準(zhǔn)確監(jiān)測環(huán)境中的溫度、相對濕度、SO2濃度等關(guān)鍵參數(shù)的變化過程。傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)可信，監(jiān)測系統(tǒng)能夠很好地應(yīng)用于鮮食葡萄冷鏈物流過程。
    本文設(shè)計的無線實時監(jiān)測系統(tǒng)還可以結(jié)合GPS衛(wèi)星定位技術(shù)，實現(xiàn)鮮食葡萄冷藏車物流過程中的實時定位， 方便進一步掌握鮮食葡萄冷鏈運輸過程中的實時情況。
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