引言

隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們的物質(zhì)生活水平快速提高，人們對食品的新鮮度、營養(yǎng)價值和食品安全方面的要求也逐漸提高。冷鏈是以保證物品品質(zhì)為目的，使其保持低溫環(huán)境為核心要求的供應鏈系統(tǒng)。冷藏車是冷鏈的重要環(huán)節(jié)，伴隨整個冷鏈過程，也伴隨著物品從產(chǎn)地、工廠儲藏、零售等每個環(huán)節(jié)間的流動。車廂微環(huán)境感知對冷藏車至關重要，對保持果蔬正常生理和優(yōu)良品質(zhì)是極為重要的。所以，在流通過程中，都要求對冷藏運輸系統(tǒng)的全過程進行實時微環(huán)境信息的感知、傳輸和處理，跟蹤微環(huán)境控制情況。

由于冷藏車車廂與駕駛室是隔開的，因此，及時掌握冷藏車廂里的信息十分重要。基于無線傳感器技術的監(jiān)測系統(tǒng)為冷藏車廂內(nèi)環(huán)境信息的采集提供了很好的途徑。ZigBee無線網(wǎng)絡由于其具有低成本、低功耗和自組網(wǎng)功能，因而具有低成本、低功耗、小體積、安全性強的特點。GPRS通信技術是一種高效、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務,可提供TCP/IP連接,可用于Internet連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，同時其具有網(wǎng)絡運行穩(wěn)定、傳輸距離遠、不受時間和空間的限制等特點，因而被廣泛應用于遠距離數(shù)據(jù)傳輸叫無線傳感器網(wǎng)絡作為一種新的信息獲取技術，憑借其低功耗、低成本、高可靠性等特點，已逐漸滲透到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、藥品監(jiān)管、物流等領域。在本文之前,郭斌等基于ZigBee技術的JN5139為無線節(jié)點信息處理的核心，結(jié)合溫濕度傳感器模塊設計了采集節(jié)點，構建了車載環(huán)境中的無線傳感器網(wǎng)絡，結(jié)合嵌入式和.net技術開發(fā)了果蔬冷鏈配送環(huán)境信息采集上位機軟件，解決了數(shù)據(jù)采集和實時監(jiān)測的問題。韓芝俠則以射頻芯片CC2500、微控制PIC18F4620及M23模塊為核心，設計了系統(tǒng)網(wǎng)絡節(jié)點的硬件平臺，給出了網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點的軟件設計流程叫顧延濤等設計了一種以ARM11高性能微處理器為核心的嵌入式車載信息采集系統(tǒng)，并通過ZigBee技術和GPS定位技術實現(xiàn)對儲運參數(shù)的采集，同時采用GSM網(wǎng)絡的短信業(yè)務實現(xiàn)對儲運參數(shù)的傳輸。李雪剛則利用ARM處理器和嵌入式Linux技術，結(jié)合無線通信網(wǎng)絡，通過智能手機客戶端實現(xiàn)了可隨時隨地進行C/S模式的遠程監(jiān)控的智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。

本文針對冷鏈儲運設備在儲運過程中微環(huán)境調(diào)控精度低、儲運農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全保障性差等突出問題，提出了一種冷藏車車廂微環(huán)境信息感知系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一種基于ZigBee技術和GPRS技術相結(jié)合的遠程信息采集、監(jiān)控、傳輸以及網(wǎng)絡發(fā)布系統(tǒng)，可實現(xiàn)車廂微環(huán)境農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)監(jiān)測以及設備微環(huán)境的監(jiān)測與調(diào)控。

1系統(tǒng)結(jié)構

冷藏車車廂微環(huán)境信息感知系統(tǒng)由信息采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊與感知軟件模塊等3部分組成。信息采集模塊通過不同集成度的智能傳感器來實時采集蘋果儲藏環(huán)境中的溫度、氧量、二氧化碳含量、乙烯等信息。數(shù)據(jù)傳輸模塊將采集信號傳送至ZigBee無線節(jié)點，并通過ZigBee技術的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構建立基于ZigBee的無線傳輸網(wǎng)絡，將所采集的數(shù)據(jù)周期性傳輸至主節(jié)點；主節(jié)點收到數(shù)據(jù)后，由微處理器模塊對數(shù)據(jù)進行存儲與管理，并傳輸給GPRS模塊，由GPRS網(wǎng)絡將采集的數(shù)據(jù)傳輸至接收模塊，將數(shù)據(jù)存儲于服務器。感知軟件模塊通過數(shù)據(jù)庫服務平臺和數(shù)據(jù)庫接收存儲程序?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控與數(shù)據(jù)超限報警，從而實現(xiàn)對冷藏車車廂內(nèi)微環(huán)境的感知與遠程控制預警。圖1所示是其冷藏車車廂微環(huán)境信息感知系統(tǒng)的結(jié)構圖。

ZigBee無線網(wǎng)絡負責數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測，同一個站點由多個傳感器節(jié)點和一個匯聚節(jié)點組成，傳感器節(jié)點之間通過自組織方式組成網(wǎng)絡，傳感器節(jié)點監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點逐跳地進行傳輸，經(jīng)過多個節(jié)點跳轉(zhuǎn)傳輸后，路由到匯聚節(jié)點。每個傳感器節(jié)點可以根據(jù)不同的需求接入相應的傳感器和執(zhí)行設備。各站點的匯聚節(jié)點通過GPRS模塊實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸，以把數(shù)據(jù)發(fā)送到終端服務器。然后由終端服務器軟件采用B/S體系架構對數(shù)據(jù)進行處理。

2系統(tǒng)設計

2.1傳感器節(jié)點

傳感器節(jié)點處在冷藏車車廂微環(huán)境信息感知系統(tǒng)的最基礎部分，是整個系統(tǒng)的感知部分，負責對冷藏車車廂微環(huán)境信息感知系統(tǒng)進行監(jiān)測。冷鏈運輸可以被看作是在車廂內(nèi)的特殊微環(huán)境下的短期儲藏，廂體內(nèi)的溫度、濕度、氣體成分等都會對貨物的運輸品質(zhì)產(chǎn)生重要影響。

溫度是運輸中最受關注的環(huán)境條件之一。運輸溫度對產(chǎn)品品質(zhì)起著決定性的影響，從原料到成品，任何細小的溫度變化都會導致細菌的滋生及食品質(zhì)量的降低。溫度過高，會加快產(chǎn)品衰老，使品質(zhì)下降;溫度過低，使產(chǎn)品容易受冷或凍害。此外，在運輸過程中，溫度波動頻繁或過大都對保持產(chǎn)品質(zhì)量不利。

事實上，濕度也是很重要的。在低溫運輸條件下，由于車廂的密封和產(chǎn)品堆積的高度密集，運輸環(huán)境中的相對濕度常在很短的時間內(nèi)即達到95%~100%,高濕度會影響果蔬的品質(zhì)和腐爛率。

另外就是氣體成分。在低溫運輸中，由于車廂體的密閉，運輸環(huán)境中就可能會有CO2的積累。

本系統(tǒng)中的溫濕度傳感器模塊采用的是瑞士Sensirion公司出品的SHT75溫濕度傳感器。該模塊具有14位A/D轉(zhuǎn)換器，測濕精度±1.8%RH,測溫精度±0.3。。，量程范圍-40?1238C。模塊中的二氧化碳傳感器采用B-530,該傳感器的測量范圍為0~10000ppm,檢測精度為±30ppm±5%讀數(shù)，具有高可靠性、穩(wěn)定性、快速響應性和對外界干擾的低靈敏度等特點，性價比較高。傳感器末梢節(jié)點是一個帶外圍傳感器（溫度感應器、濕度感應器、光強感應器等）和ZigBee無線通信模塊的低功耗嵌入式MCU,可采用電池供電,并具有感知數(shù)據(jù)采集、計算處理、無線通信、自動組網(wǎng)和設備控制等能力。

2.2處理器模塊

處理器模塊是整個網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器的核心，負責信息的管理與收發(fā)，要求有較高的存儲能力。本系統(tǒng)選擇基于ARM9S3C2430內(nèi)核的微控制器(MCU),操作系統(tǒng)為Linux?；贏RM9的Linux程序能以IAR平臺為核心開發(fā)，專門用于處理多任務，并可轉(zhuǎn)化信號，將ZigBee信息發(fā)送到GPRS接收端。

2.3GPRS傳輸模塊

該模塊是實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程無線傳輸?shù)年P鍵，采用GPRS通信芯片SIM900。SIM900具備TCP/IP協(xié)議棧，可支持幾種頻段的操作。通過串口連接網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器與計算機，基于Linux操作系統(tǒng)的操作平臺燒寫接收程序，并可在服務器端開發(fā)信息接收程序和解析PDU(ProtocolDataUnit，協(xié)議數(shù)據(jù)單元)碼，以便接收數(shù)據(jù)并自動寫入數(shù)據(jù)庫。

2.4冷藏車車廂環(huán)境信息感知系統(tǒng)

考慮到冷藏車車廂環(huán)境信息感知系統(tǒng)模塊的多用戶性和可擴展性［12］，本系統(tǒng)采用B/S體系結(jié)構，終端服務器為系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收、處理和發(fā)布的中心，可由數(shù)據(jù)通信軟件和基于Web的數(shù)據(jù)分析顯示軟件系統(tǒng)組成，其功能模塊如圖2所示。

圖2中的系統(tǒng)管理模塊包括權限管理和系統(tǒng)維護功能?？筛鶕?jù)不同的用戶設定不同的權限，以保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性。

遠程信息控制模塊可以為用戶提供設備遠程控制、信息瀏覽、數(shù)據(jù)查詢及記錄下載等服務，包括設備管理、遠程預警、數(shù)據(jù)實時顯示、信息查詢等功能。在冷藏車微環(huán)境的管理中，對車廂的儲藏環(huán)境實行品質(zhì)安全預警，也就是對影響冷藏車車廂內(nèi)的貨物品質(zhì)質(zhì)量安全的環(huán)境中的溫濕度進行實時監(jiān)測，以便實時提出預警信息，給出糾偏建議，提醒冷藏車管理者。

遠程預警是通過對比設定的冷藏車車廂中的標準儲藏參數(shù)來實現(xiàn)的。將車廂內(nèi)溫濕度含量按照貨物的儲藏標準設置為標準數(shù)據(jù)，可在檢測到車廂微環(huán)境內(nèi)含量超標或者低于標準數(shù)據(jù)時發(fā)送預警信號，傳送給管理員提示信息，提示需要采取增加氧氣或者降溫，同時將實時信息數(shù)據(jù)傳送給服務器，并保存至數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對果品儲藏期的品質(zhì)安全質(zhì)量監(jiān)控。

針對以往監(jiān)測系統(tǒng)中信息采集參數(shù)不易更改，缺乏控制的情況，本系統(tǒng)設計了遠程參數(shù)設置模塊。各傳感器節(jié)點的工作模式、數(shù)據(jù)采樣時間等系統(tǒng)參數(shù)的設置，都可通過客戶端遠程設置頁面完成。服務器后臺處理程序可以從數(shù)據(jù)庫讀取設置的參數(shù)值，并通過GPRS網(wǎng)絡以短信方式發(fā)送至網(wǎng)關節(jié)點，再經(jīng)底層傳感器網(wǎng)絡完成對傳感器節(jié)點的參數(shù)設置。這樣,通過與服務器數(shù)據(jù)庫的交互，就可實現(xiàn)Web方式下客戶端對傳感器節(jié)點的遠程參數(shù)設置功能。

數(shù)據(jù)管理模塊包括數(shù)據(jù)接收、解析、存儲和處理等功能。通過監(jiān)聽服務器端口和創(chuàng)建控件數(shù)組，可同時接受多個連接請求，將網(wǎng)關節(jié)點通過GPRS發(fā)來的數(shù)據(jù)按照自定義的數(shù)據(jù)幀協(xié)議解析后存入數(shù)據(jù)庫。

3系統(tǒng)性能測試

本系統(tǒng)于2012年8月份在中集車輛(山東)有限公司的型號為JG5045XLCD冷藏車輛上進行了測試，其貨箱內(nèi)部尺寸(長X寬X高)為：4200mmXl800mmX2000mm。冷藏車車廂的厚度為82mm。其中，車廂兩側(cè)采用內(nèi)外2.5mm的玻璃鋼板，中間夾77mm厚的新型無氟聚氨酯發(fā)泡材料。在環(huán)境溫度0°C、濕度90%的環(huán)境中進行了信息采集傳輸模塊的性能測試，即包接收率(PRR)實驗。本實驗中包接收率(PRR)等于協(xié)調(diào)器接收到并通過GPRS傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫中的包的數(shù)量與環(huán)境信息采集節(jié)點總發(fā)出包的數(shù)量之比。測試過程中使用的電池為2節(jié)普通華太7號電池，采集間隔時間為10s,共測5000個數(shù)據(jù)包，花費時間約為850min。

由于冷藏車車廂采用雙面玻璃鋼聚氨酯夾芯保溫板材料,對無線信號存在一些阻擋與吸收，因此在其通信過程中產(chǎn)生了一些丟包情況。另外，12h以后，由于電池質(zhì)量原因，發(fā)送信號也受到一些干擾，但總體測試結(jié)果仍能保證85%以上包接收率，圖3所示是其溫度收包率測試結(jié)果?？梢姡谄髽I(yè)應用過程中，其實時監(jiān)測密度下的結(jié)果可以滿足使用要求。

4系統(tǒng)應用

冷藏車車廂環(huán)境信息感知系統(tǒng)通過在冷藏箱內(nèi)部固定位置點分布式布置溫度傳感器，傳感器每隔一定的時間采集一次信號。除可對溫度外，還可根據(jù)需要加裝其他感應器(如門探測感應器等),以便通過對冷藏箱內(nèi)部環(huán)境的準確監(jiān)測和實時信號采集與報警，實現(xiàn)對冷藏箱內(nèi)部貨物品質(zhì)的監(jiān)管。冷藏車智能安全監(jiān)控系統(tǒng)還可以通過專用接口與冷凍機相連，實時對冷凍機的運行狀態(tài)(如送風溫度、回風溫度、環(huán)境溫度等)進行監(jiān)控，并可遠程控制冷凍機的運行參數(shù)及工作模式，如遠程改變設定溫度、遠程啟動除霜、遠程啟動除濕等。當冷凍機出現(xiàn)故障時，也可以實時上傳故障代碼，通過短信等方式通知管理人員。

5結(jié)論

本文給出了一種車廂微環(huán)境內(nèi)多點溫濕度監(jiān)測單元的設計方法，構建了冷庫中的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡，并通過GPRS技術進行了遠程傳輸，可實現(xiàn)冷鏈儲運過程中多種環(huán)節(jié)參數(shù)的同步監(jiān)測，從而實現(xiàn)對冷庫內(nèi)的環(huán)境信息的實時動態(tài)采集、傳輸及預警；同時，設計了基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡結(jié)構的多傳感器結(jié)構的數(shù)據(jù)采集節(jié)點，可實現(xiàn)多種數(shù)據(jù)的采集、匯總；另外也設計了冷藏車車廂環(huán)境信息感知系統(tǒng),可實現(xiàn)各種采集數(shù)據(jù)的融合，并可進行顯示。

通過使用本系統(tǒng)，可以有效地對冷藏車車廂內(nèi)微環(huán)境進行實時遠程監(jiān)控，讓管理者能夠?qū)崟r了解冷藏車車廂的微環(huán)境狀況變化，在出現(xiàn)預警信息時，能及時采取有效措施，從而保證在冷鏈運輸過程中的農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)。

20211017_616c1c0d07829__冷藏車車廂微環(huán)境信息感知系統(tǒng)設計