基于無線網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流溫度監(jiān)測系統(tǒng)研究

馮雙林,程麗紅

(廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,南寧 530003)

0 引言

農(nóng)產(chǎn)品在冷鏈物流運(yùn)輸過程中,質(zhì)量容易受到環(huán)境溫度變化而帶來的品質(zhì)損失,而溫度變化一般會(huì)在儲藏、裝卸和運(yùn)輸中產(chǎn)生。冷庫、物流運(yùn)輸車和冷凍箱的溫度檢測是整個(gè)行業(yè)的熱點(diǎn)問題。若農(nóng)產(chǎn)品保存環(huán)境溫度變化超過規(guī)定范圍,便會(huì)給整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈造成巨大損失。因此,設(shè)計(jì)一套工作穩(wěn)定的冷鏈物流溫度監(jiān)測系統(tǒng)顯得尤為重要。

1 農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流溫度監(jiān)控的必要性

為了確保農(nóng)產(chǎn)品在售賣時(shí)的品質(zhì),在完成采摘加工后需要馬上放入冷庫進(jìn)行冷藏,并對整個(gè)儲藏、裝卸和運(yùn)輸中的環(huán)境溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,方便消費(fèi)者對購買的農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行溯源。每種農(nóng)產(chǎn)品在不同環(huán)境下的保鮮度差異較大,具體如表1所示。

表1 不同環(huán)境下農(nóng)產(chǎn)品的保鮮時(shí)間Table 1 The preservation time of agricultural products in different environments 天

由表1可看出:農(nóng)產(chǎn)品在不同環(huán)境下的保鮮時(shí)間差別很大,因此在產(chǎn)品采摘后的幾個(gè)小時(shí)就應(yīng)該完成冷鏈存儲,以保證農(nóng)產(chǎn)品的新鮮度。

2 農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流溫度監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體需求分析

作為一種特別的供應(yīng)鏈物流,冷鏈運(yùn)輸可以保證農(nóng)產(chǎn)品的新鮮度,便于后續(xù)消費(fèi)者進(jìn)行信息溯源查詢。冷鏈物流溫度監(jiān)測系統(tǒng)包括監(jiān)控中心、運(yùn)輸車輛和GPRS無線網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)部分,架構(gòu)如圖1所示。

圖1 冷鏈物流溫度監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 The structure diagram of cold chain logistics temperature monitoring system

該監(jiān)控系統(tǒng)主要是為了保證農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量,并實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品信息的追溯,故需要對農(nóng)產(chǎn)品在冷鏈運(yùn)輸過程中的溫度信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集;對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后,還需要傳給車載終端進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示,并傳送給監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控管理。

2.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流溫度監(jiān)測系統(tǒng)主要包括ZigBee網(wǎng)絡(luò)、冷鏈運(yùn)輸車控制單元和監(jiān)控中心3個(gè)部分,如圖2所示。其中,冷鏈運(yùn)輸車控制單元和監(jiān)控中心之間采用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。

圖2 溫度監(jiān)測系統(tǒng)整體架構(gòu)Fig.2 The overall structure of temperature monitoring system

農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流溫度監(jiān)測系統(tǒng)的原理為:基于ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)利用終端節(jié)點(diǎn)對冷鏈運(yùn)輸車各個(gè)位置的環(huán)境溫度進(jìn)行采集,再經(jīng)過路由節(jié)點(diǎn)匯總后傳送給控制單元的ZigBee協(xié)調(diào)器;車載控制單元的主控模塊對ZigBee協(xié)調(diào)器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行顯示、保存,且經(jīng)過封裝后通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)傳給監(jiān)控中心;監(jiān)控中心收到冷鏈運(yùn)輸車控制單元發(fā)送過來的溫度數(shù)據(jù)包,進(jìn)行解包處理后存入數(shù)據(jù)庫,以方便后續(xù)購買者進(jìn)行信息溯源查詢。整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行過程中如圖3所示。

圖3 溫度監(jiān)測系統(tǒng)整體運(yùn)行過程Fig.3 The overall operation process of temperature monitoring system

2.3 系統(tǒng)整體功能設(shè)計(jì)

農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流溫度監(jiān)測系統(tǒng)各模塊功能配置如圖4所示。

圖4 溫度監(jiān)測系統(tǒng)各模塊功能配置Fig.4 The functional configuration of each module of temperature monitoring system

1)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)功能:對運(yùn)輸車輛各個(gè)方位的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測,并經(jīng)過ZigBee的路由節(jié)點(diǎn)傳送給車載控制單元。

2)冷鏈運(yùn)輸車控制單元主要功能為:

(1)溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控:冷鏈運(yùn)輸車控制單元接收ZigBee路由節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息,并對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和存儲,方便司機(jī)實(shí)時(shí)了解冷凍箱溫度狀況,也可以為GPRS無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸做好準(zhǔn)備。

(2)溫度數(shù)據(jù)存儲:在GPRS無線網(wǎng)絡(luò)信號差時(shí),可能無法及時(shí)將溫度數(shù)據(jù)傳給后臺監(jiān)控中心,需要控制單元能夠?qū)⑦@段時(shí)間的溫度數(shù)據(jù)保存下來,在網(wǎng)絡(luò)正常后再發(fā)送出去。

(3)GPRS無線網(wǎng)絡(luò):在通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況下,將實(shí)時(shí)的溫度數(shù)據(jù)傳送給后臺監(jiān)控信息,也可以接收監(jiān)控中心發(fā)送給的控制命令。

(4)溫度異常報(bào)警:在接收的溫度出現(xiàn)異常(如溫度超過設(shè)定值)時(shí),控制單元會(huì)發(fā)出警報(bào)通知司機(jī),同時(shí)也會(huì)發(fā)送給監(jiān)控中心。

3)監(jiān)控中心的主要功能:在監(jiān)控界面實(shí)時(shí)顯示車輛的溫度信息,方便對冷鏈運(yùn)輸車溫度狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控,并將信息保存到數(shù)據(jù)庫;發(fā)現(xiàn)收到的溫度信息異常時(shí),根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行處理,并聯(lián)系冷鏈運(yùn)輸車司機(jī),對車輛狀態(tài)進(jìn)行進(jìn)一步的了解和處理。

2.4 系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的多點(diǎn)測溫傳感器網(wǎng)絡(luò)采用單總線,ZigBee路由節(jié)點(diǎn)通過單總線和多個(gè)溫度傳感器連接在一起,以實(shí)現(xiàn)多測溫節(jié)點(diǎn)和ZigBee路由節(jié)點(diǎn)的通信,從而實(shí)現(xiàn)冷鏈溫箱內(nèi)部的多點(diǎn)測溫。多點(diǎn)測溫傳感器網(wǎng)絡(luò)如圖5所示。

圖5 多點(diǎn)測溫傳感器網(wǎng)絡(luò)Fig.5 Multipoint temperature sensor network

從理論上講,1條總線可以掛載多個(gè)溫度傳感器;但隨著總線上器件的增加,可能導(dǎo)致ZigBee路由節(jié)點(diǎn)總線驅(qū)動(dòng)能力不足,出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況。因此,根據(jù)實(shí)際情況,在冷鏈溫箱內(nèi)部設(shè)置了6個(gè)溫度傳感器,其分布情況如圖6所示。

圖6 冷鏈溫箱內(nèi)部溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)Fig.6 The internal temperature sensor network of cold chain temperature box

3 農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流溫度監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 溫度監(jiān)測系統(tǒng)硬件架構(gòu)

車載控制單元是農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流溫度監(jiān)測系統(tǒng)的核心,其主要負(fù)責(zé)溫度數(shù)據(jù)的收發(fā)、保存和遠(yuǎn)程傳輸,是GPRS無線傳輸、ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)和微處理器結(jié)合的平臺,其硬件整體架構(gòu)如7所示。

圖7 溫度監(jiān)測系統(tǒng)硬件整體架構(gòu)圖Fig.7 The overall hardware architecture of temperature monitoring system

3.2 溫度傳感器電路設(shè)計(jì)

目前,溫度監(jiān)測的傳感器種類繁多,冷鏈溫度監(jiān)測范圍比較廣,要求能夠測量負(fù)溫。為了保證測試過程中的精度,結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求,采用DS1820溫度傳感器對冷鏈溫箱內(nèi)部溫度進(jìn)行監(jiān)測。DS1820溫度傳感器最高分辨率為12位,測量范圍為-10～+85°C,測量精度為±0.5°C,其干擾因素比較小,適合環(huán)境惡劣的現(xiàn)場測量,常應(yīng)用于工業(yè)系統(tǒng)。其電路原理圖如圖8所示。

圖8 DS1820電路原理圖Fig.8 DS1820 circuit schematic diagram

3.3 ZigBee無線傳感模塊

采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)車載控制單元和冷鏈溫箱內(nèi)部傳感器之間的數(shù)據(jù)傳輸。在選擇無線傳感器時(shí),為了讓系統(tǒng)簡單,采用了內(nèi)置微處理器和ZigBee模塊的CC2430芯片。該芯片片上資源豐富,只需要加上少量的外圍器件,便可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。CC2430電路原理如圖9所示。

圖9 CC2430電路原理圖Fig.9 CC2430 circuit schematic diagram

4 冷鏈溫箱溫度采集試驗(yàn)

為了驗(yàn)證農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流溫度監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)的準(zhǔn)確性,將設(shè)計(jì)系統(tǒng)裝載到一臺冷鏈物流車上。車內(nèi)溫度設(shè)置為3℃,允許±2℃的偏差,超過這個(gè)范圍便會(huì)發(fā)生報(bào)警。車載控制單元的應(yīng)用程序采用QT開發(fā),可以實(shí)時(shí)顯示冷鏈溫箱內(nèi)部溫度。冷鏈溫箱溫度采集數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖10 冷鏈溫箱溫度采集數(shù)據(jù)Fig.10 The temperature acquisition data of cold chain incubator

圖10中,點(diǎn)擊“詳細(xì)數(shù)據(jù)”后,便可以實(shí)時(shí)看到冷鏈溫箱6個(gè)溫度檢測點(diǎn)的數(shù)據(jù),說明車載單元和冷鏈溫箱溫度檢測模塊通信正常。

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)對超溫后的報(bào)警功能,將某一個(gè)溫度傳感器用打火機(jī)烤了一會(huì),而車載控制單元檢測到超溫后,便會(huì)每隔5s彈出報(bào)警串口,提供操作人員,如圖11所示。由此驗(yàn)證了車載控制單元對溫度異常時(shí)的報(bào)警功能。

圖11 溫度異常的報(bào)警測試Fig.11 Alarm test of abnormal temperature

5 結(jié)論

采用GPRS網(wǎng)絡(luò)和ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流溫度監(jiān)測系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)對冷鏈溫箱溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性,將該系統(tǒng)裝載到一臺冷鏈物流車上進(jìn)行了實(shí)際的測試。結(jié)果表明:系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)顯示冷鏈溫箱內(nèi)部溫度,且能對異常溫度進(jìn)行報(bào)警。