無線傳感器網絡在鴨梨氣調貯藏技術中的應用

摘要：為解決鴨梨因水分含量高而貯藏難度大，易發生微生物侵蝕與變質，導致農戶貯藏損耗大、收入降低的問題，將無線傳感器網絡引入鴨梨的貯藏管理過程中，將無線傳感器網絡的優勢應用到鴨梨氣調冷藏保鮮的條件控制中，提高了種植農戶與企業的收益。

關鍵詞：鴨梨保鮮；氣調冷藏；傳感器；無線傳感器網絡

中圖分類號：Ｓ１２６；ＴＳ２５５．３ 文獻標識碼：Ａ 文章編號：0439－８114（２０12）16－3611-04

Research on the Application of Wireless Sensor Network in Atmosphere Storage Technology of Yali

ZHU Li-li

（Ｐｈｙｓｉｃｓ ＆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｃｏｌｌｅｇｅ， Ｌａｎｇｆａｎｇ Ｔｅａｃｈｅｒｓ Ｃｏｌｌｅｇｅ， Ｌａｎｇｆａｎｇ ０６５０００， Ｈｅｂｅｉ， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｙａｌｉ ｐｅａｒ （Ｐｙｒｕｓ ｂｅｒｔｓｃｈｎｅｉｄｅｒｉ） ｉｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ ｗｈｉｃｈ ｃａｕｓｅｄ ｔｈｅ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙ ｏｆ ｓｔｏｒａｇｅ ａｓ ｍｉｃｒｏｂｅ－ｉｎｖａｓｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｔｅｒｉｏｒａｔｉｏｎ ｍｉｇｈｔ ｅａｓｉｌｙ ｈａｐｐｅｎ， ｔｈｕｓ ｒｅｓｕｌｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｌｏｓｓ ｉｎ ｓｔｏｒａｇｅ ａｎｄ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｉｎｃｏｍｅ． Ｔｈｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｓｔｏｒａｇｅ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｏｆ Ｙａｌｉ ｔｏ ｍａｎａｇｅ ｔｈｅ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｃｏｌｄ ｓｔｏｒａｇｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ， ｗｈｉｃｈ ｃｏｕｌｄ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｅｓｔ ｏｆ ｆａｒｍｅｒ ａｎｄ ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： Ｙａｌｉ ｓｔｏｒａｇｅ； ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｃｏｌｄ ｓｔｏｒａｇｅ； ｓｅｎｓｏｒ； ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ

鴨梨是中國古老的地方良種，深受人們喜愛。但是鴨梨的貯藏卻一直困擾著種植農戶與企業，因受生物體的新陳代謝及微生物影響，鴨梨品質會發生不同程度的變化，甚至發生劣變，這嚴重影響了鴨梨產品的食用品質與價值［１］，導致中國鴨梨的貯藏質量一直不高。

通過可行的技術手段來長時間保持鴨梨的新鮮狀態，提高鴨梨貯藏質量與品質，有著非常重要的現實意義。

１ 鴨梨的貯藏方法與氣調保鮮技術

鴨梨貯藏條件極為苛刻，不適當的溫度、濕度、ＣＯ２濃度與Ｏ２濃度等都會引起產品的病變與損耗。為了提高鴨梨的貯藏質量，穩定收益，現有市場中出現了多種鴨梨保鮮貯藏方法。①低溫冷藏技術。將冷庫溫度保持在０ ℃，降低果實的氧化與腐敗速度，可將鴨梨貯藏期延長至８個月，且能保證好果率達８０％以上［１］，但此方式不利于農戶小批量存貯。②紙箱碼垛貯藏技術。將挑選后的果實墊板隔開分層裝入紙箱，然后入庫碼垛，可一定程度減少果實損壞率，此方法簡單易行但是成效一般，不適合長時間大批量存儲。③化學保鮮貯藏技術。在貯藏容器或設備中放置適量的防腐劑抑制微生物的繁殖，相對來說技術要求高，成本也較高，且不利于環境保護。④氣調貯藏技術。這是目前國內外較為先進的果蔬保鮮技術，通過調節貯藏環境中的氣體成分來達到保鮮的目的。其基本原理是通過調節貯藏環境的氣體構成，限制果蔬的呼吸強度，抑制果蔬腐敗的生理生化過程及微生物的活動，延緩其衰老和變質，同時鴨梨出庫的擺架期也可大大延長。此種方式適用范圍廣，設備體系完整，可實現自動化作業，有效地降低勞動成本，且無環境污染等問題。

中國將氣調貯藏技術應用于鴨梨貯藏的歷史不長，手段傳統且成本控制不好，考慮到貯藏成本和有效性的要求，將先進的無線傳感器網絡應用于鴨梨氣調貯藏技術中，以取得更優的保鮮效果。

２ 無線傳感器網絡系統

無線傳感器網絡是一種全新的信息獲取和處理技術，它綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等多個領域［２］，能夠實時地監測、感知和采集網絡覆蓋的地理區域內的各種信息，并對這些信息進行分析處理。同時，它具有成本低、功耗少、部署簡單、布置密集等一系列優勢，而且在實際應用中長期不需要更換電池，不需要現場維護，適宜短距離的無線網絡技術，被廣泛地應用于工農業生產、國防安全、環境監測、危險區域遠程監控等多個領域［３］。

一個典型的無線傳感器網絡由分布式傳感器節點、移動式發送接收器、Ｉｎｔｅｒｎｅｔ或通信衛星、任務管理節點等部分構成，如圖１所示。

其基本原理是通過隨機部署處于監控區域中的具備無線通信功能的傳感器節點，以自組織的方式構成無線監控網絡，收集監控數據，并以逐跳的方式進行數據傳輸［４］，最后通過無基站的移動通信方式將監控數據輸送到用戶端。

無線傳感器節點是網絡的基本單元，通常是一個微型的嵌入式系統，其處理能力、存儲能力和通信能力都有限，需通過攜帶的電池供電。在不同應用中，無線傳感器節點的組成不盡相同。但是一般來說，無線傳感器節點都由數據采集模塊（傳感單元、Ａ／Ｄ轉換器）、數據處理和控制模塊（微處理器、存儲器）、通信模塊（收發器）和供電模塊（如電池）等組成［４］，其基本模塊組成如圖２所示，用戶可以通過管理節點對無線傳感器節點進行配置。

數據采集模塊是整個節點的核心，主要負責感知、獲取監控信息，并將其轉換為數據信號；數據處理和控制模塊負責數據的存儲和處理工作，并控制感知部件和供電模塊的工作模式；通信模塊負責與其他傳感器或觀察者的通信，將數據直接或間接地傳送到傳感器網絡的信息接入點；供電模塊由電池和Ａ／Ｄ轉換器等構成，為整個節點提供電能供應。電能決定了節點的壽命，電能一旦耗盡，節點將退出節點網絡，由余下的正常工作節點重新組網。

此外，無線傳感器節點還可以包括其他輔助模塊，如移動系統、定位系統等。

３ 無線傳感器網絡在鴨梨氣調貯藏技術中的應用價值分析

鴨梨的氣調貯藏技術要求較高，需要同時監測貯藏環境中的溫度、濕度、Ｏ２濃度、ＣＯ２濃度等，傳統模式下多依賴不同類型傳感器來完成其監測任務。而先進的無線傳感器網絡可同時監控多個待測量，并對數據進行處理、輸出，以供自動化控制系統決策，達到精確控制鴨梨的貯藏環境條件，實現良好的貯藏效果。其工作流程如圖３所示。

３．１ 傳感器節點組成與功能

３．１．１ 數據采集模塊 在鴨梨的氣調貯藏中，數據采集模塊選用了濕度傳感器、溫度傳感器和氣體傳感器構成的傳感器節點網絡，對鴨梨貯存區域進行環境要素采集，實現對環境濕度、溫度、Ｏ２濃度和ＣＯ２濃度等的精確測量。考慮到節點功耗與實際需要，可采取周期性采樣來延長傳感器網絡的使用壽命，以程序預設采樣周期為１５ ｍｉｎ／次的模式來實現長期自動觀測。首先傳感單元采集檢測區內的環境要素數據，利用Ａ／Ｄ轉換器轉換為數據信號，再通過不串接的傳感器節點作為中繼，將信號輸出給數據處理模塊進行下一步處理。

３．１．２ 數據處理與傳輸模塊 傳感器節點中的微處理器將輸入的信號放大后進行預處理，處理后的數據以自組織多跳方式傳輸至基站，然后由網絡將數據上傳至網關。在傳感器網絡中，需要提供良好的通信服務，使傳感器采集的數據能夠準確地到達外部網絡，這要求各節點間要有合適的傳輸協議，能保證傳輸數據的實效性和準確性。根據氣調貯藏技術的特點，可以采用ＺｉｇＢｅｅ無線網絡數據通信技術［２］和基于無線通訊方式的數據采集和數據處理，較好地解決了傳統數據收集和處理所存在的問題。具有匯聚功能的基站接收來自傳感器網絡的數據包，然后將其傳送至網關中，再經射頻天線發出。

３．２ 用戶接收裝置

用戶接收裝置一般由數據接收轉化模塊與控制信號輸出模塊組成，數據接收轉化模塊一般由射頻天線與預裝相應軟件的ＰＣ機組成。射頻天線接收來自無線傳感器節點的數據信息，由ＰＣ機對數據作進一步的處理。在實際貯藏過程中，專業軟件根據鴨梨貯藏條件的要求類別分別設置控制標準：如溫度設定為０ ℃，控制誤差范圍為－０．５～０．５ ℃；相對濕度設定為９２％，控制誤差范圍為－２．５%～２．５％；設定Ｏ２濃度為１２．５％，誤差范圍控制在－０．５％～０．５％；設定ＣＯ２濃度為０，控制濃度不超過０．３％。設置編制控制程序并運行程序，將設定參數標準與現場采集的環境要素數據相比較，分別輸出控制信號，用來驅動自動化控制系統設備的運行。

３．３ 氣調庫環境自動控制系統

氣調貯藏的關鍵在于改變環境氣體的構成以滿足貯藏要求，因此氣調控制系統是氣調庫的關鍵設備。目前，氣調庫環境控制系統都已經實現自動化，結合鴨梨的貯藏要求，一套完整有效的鴨梨氣調貯藏環境控制系統包括：實現溫度控制的制冷系統、實現濕度控制的加濕系統、實現氣體構成調節的氣調系統。

３．３．１ 制冷系統 氣調庫的設計要求將庫內溫度波動嚴格控制在－０．５～０．５ ℃，因此氣調庫制冷系統的設計可采用如下方案：采用泵再循環供液（氨、氟利昂）的活塞式直接制冷機，同時選擇傳熱效率高、結構緊湊的水冷式冷凝器和體積小、重量輕的吊頂式冷風機。

３．３．２ 加濕系統 目前市面上的倉庫加濕系統非常多，氣調庫中最有效的還是超聲波加濕法，利用超聲波技術使水分子脫離水面，擴散到空氣中，實現加濕的目的。其優點是擴散蒸發速度快、效果好，而且對環境溫度不產生任何影響，但對水的純凈度要求很高。

３．３．３ 氣調系統 氣調系統是整個氣調庫的核心部分，主要是對氣調庫環境中的Ｏ２濃度和ＣＯ２濃度進行調節，限制鴨梨的呼吸強度，以降低鴨梨的自熟與腐敗生理速度，同時也抑制導致病害的微生物活動。

氣調貯藏首先需改變貯藏環境中的Ｏ２濃度，正?？諝庵泻校玻埃梗サ模希?，０．０３％的ＣＯ２，適合鴨梨貯藏的Ｏ２濃度為１２．５％?？梢酝ㄟ^抽除空氣充入Ｎ２的方式實現庫內Ｏ２濃度的調節［５］，即利用真空泵抽除庫內空氣的同時利用制氮機充入等量Ｎ２來減少空氣中的Ｏ２濃度。在使用無線傳感器網絡技術的條件下，傳感器節點測量到的Ｏ２濃度信息經天線傳輸給ＰＣ機，ＰＣ機預裝的管理軟件將信息處理后輸出控制指令，控制真空泵和制氮機的抽氣和充氣操作，直到氣調庫內的Ｏ２濃度穩定在１２．５％左右。可選用中空纖維膜制氮機作為鴨梨氣調貯藏庫的制氮機，這種制氮機是利用Ｏ２和Ｎ２等不同性質的氣體在通過空心纖維膜組時不同的滲透速率來使Ｏ２和Ｎ２分離而獲取高純度Ｎ２。與其他制氮設備相比，它具有結構簡單、體積小、維護量少、產氣快、增容方便等優點，因此它擁有很高的功能價格比，能有效地控制鴨梨的貯藏成本。

其次進行氣調庫中的ＣＯ２濃度的調節，過高的ＣＯ２濃度會提高鴨梨黑心病的發病率。鴨梨入庫后仍然會進行呼吸作用，會從環境中吸收Ｏ２釋放ＣＯ２，庫內ＣＯ２濃度和Ｏ２濃度都會發生變化，因此需要在Ｏ２濃度低于預定值時通風，增加Ｏ２濃度，同時安裝ＣＯ２脫除機，脫除過多的ＣＯ２。目前常見的ＣＯ２脫除機均采用活性炭作吸附劑，一般是將庫內空氣用風機送入活性炭罐內吸附，待吸附飽和后，用空氣脫附再生，脫附的ＣＯ２外排，如此循環至ＣＯ２濃度小于０．３％。在使用無線傳感器網絡技術的條件下，以傳感器網絡測量的ＣＯ２濃度數據作為輸入信號對吸附和再生過程進行自動控制，而且還可通過換裝不同的吸附劑清除鴨梨貯藏庫中過高的乙烯、乙醇、乙醛等有害氣體。

另外，由于無線傳感器網絡技術能精確地測量鴨梨貯藏庫內氣體的構成變化，通過ＰＣ機輸出指令可準確地控制各類設備的啟停時間、電氣負荷、蓄冷系統的優化、設備運行周期的調整等，最大限度地降低能耗與貯藏成本。

經試驗驗證，利用無線傳感器網絡監控鴨梨的貯藏環境，可實現高精度控制，使鴨梨的貯藏環境最大限度接近理想狀態，以此技術貯藏８個月的鴨梨，好果率在９５％以上，而且可以維持較高的果實硬度和可滴定酸含量，失重率減少，貨架壽命延長至３周，且可溶性固形物含量無顯著變化，貯藏質量獲得明顯提升，市場應用前景非常樂觀。

４ 結語

將無線傳感器網絡系統應用于鴨梨等果蔬產品的貯藏過程中，可有效提高果蔬的貯藏質量，還可利用無線傳感器網絡系統的功耗小、成本低等優勢，為農戶與企業增收提供科學途徑，推進中國農業產業化與“三農”政策的順利實施。

參考文獻：

［１］ 張瑞田，劉相宇． 鴨梨貯藏主要病害及防治［Ｊ］． 河北林業科技，２００９（４）：１２０．

［２］ 余向陽．無線傳感器網絡研究綜述［Ｊ］． 單片機與嵌入式系統應用，２００８，１２（８）：７０１－７０４．

［３］ 楊卓靜，孫宏志，任晨虹．無線傳感器網絡應用技術綜述［Ｊ］． 中國科技信息，２０１０（１１）：１２７－１２９．

［４］ 高 峰，盧尚瓊，徐青香，等． 無線傳感器網絡在設施農業中的應用進展［Ｊ］． 浙江林學院學報，２０１０，２７（５）：７６２－７６９．

［５］ 沈 麗，劉 艷．氣調庫原理與應用［Ｊ］．物流技術，２００９（１１）：２２５－２２６．