冷藏車(chē) 車(chē)廂微環(huán)境信息感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們的物質(zhì)生活水平快速提高，人們對(duì)食品的新鮮度、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和食品安全方面的要求也逐漸提高。冷鏈?zhǔn)且员ＷC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(yīng)鏈系統(tǒng)。冷藏車(chē)是冷鏈的重要環(huán)節(jié)，伴隨整個(gè)冷鏈過(guò)程，也伴隨著物品從產(chǎn)地、工廠儲(chǔ)藏、零售等每個(gè)環(huán)節(jié)間的流動(dòng)。車(chē)廂微環(huán)境感知對(duì)冷藏車(chē)至關(guān)重要，對(duì)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(guò)程中，都要求對(duì)冷藏運(yùn)輸系統(tǒng)的全過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)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(chē)車(chē)廂與駕駛室是隔開(kāi)的，因此，及時(shí)掌握冷藏車(chē)廂里的信息十分重要。基于無(wú)線(xiàn)傳感器技術(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為冷藏車(chē)廂內(nèi)環(huán)境信息的采集提供了很好的途徑。ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(qiáng)的特點(diǎn)。GPRS通信技術(shù)是一種高效、低成本的無(wú)線(xiàn)分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),可提供TCP/IP連接,可用于Internet連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，同時(shí)其具有網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行穩(wěn)定、傳輸距離遠(yuǎn)、不受時(shí)間和空間的限制等特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸叫無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種新的信息獲取技術(shù)，憑借其低功耗、低成本、高可靠性等特點(diǎn)，已逐漸滲透到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、藥品監(jiān)管、物流等領(lǐng)域。在本文之前,郭斌等基于ZigBee技術(shù)的JN5139為無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)信息處理的核心，結(jié)合溫濕度傳感器模塊設(shè)計(jì)了采集節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建了車(chē)載環(huán)境中的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合嵌入式和.net技術(shù)開(kāi)發(fā)了果蔬冷鏈配送環(huán)境信息采集上位機(jī)軟件，解決了數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的問(wèn)題。韓芝俠則以射頻芯片CC2500、微控制PIC18F4620及M23模塊為核心，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件平臺(tái)，給出了網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)流程叫顧延濤等設(shè)計(jì)了一種以ARM11高性能微處理器為核心的嵌入式車(chē)載信息采集系統(tǒng)，并通過(guò)ZigBee技術(shù)和GPS定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)運(yùn)參數(shù)的采集，同時(shí)采用GSM網(wǎng)絡(luò)的短信業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)運(yùn)參數(shù)的傳輸。李雪剛則利用ARM處理器和嵌入式Linux技術(shù)，結(jié)合無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)智能手機(jī)客戶(hù)端實(shí)現(xiàn)了可隨時(shí)隨地進(jìn)行C/S模式的遠(yuǎn)程監(jiān)控的智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。

本文針對(duì)冷鏈儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備在儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中微環(huán)境調(diào)控精度低、儲(chǔ)運(yùn)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全保障性差等突出問(wèn)題，提出了一種冷藏車(chē)車(chē)廂微環(huán)境信息感知系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一種基于ZigBee技術(shù)和GPRS技術(shù)相結(jié)合的遠(yuǎn)程信息采集、監(jiān)控、傳輸以及網(wǎng)絡(luò)發(fā)布系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)車(chē)廂微環(huán)境農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)監(jiān)測(cè)以及設(shè)備微環(huán)境的監(jiān)測(cè)與調(diào)控。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

冷藏車(chē)車(chē)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(guò)不同集成度的智能傳感器來(lái)實(shí)時(shí)采集蘋(píng)果儲(chǔ)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(hào)傳送至ZigBee無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)，并通過(guò)ZigBee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò)，將所采集的數(shù)據(jù)周期性傳輸至主節(jié)點(diǎn)；主節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后，由微處理器模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與管理，并傳輸給GPRS模塊，由GPRS網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)傳輸至接收模塊，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于服務(wù)器。感知軟件模塊通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)平臺(tái)和數(shù)據(jù)庫(kù)接收存儲(chǔ)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與數(shù)據(jù)超限報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)冷藏車(chē)車(chē)廂內(nèi)微環(huán)境的感知與遠(yuǎn)程控制預(yù)警。圖1所示是其冷藏車(chē)車(chē)廂微環(huán)境信息感知系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)，同一個(gè)站點(diǎn)由多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)組成，傳感器節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)自組織方式組成網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳地進(jìn)行傳輸，經(jīng)過(guò)多個(gè)節(jié)點(diǎn)跳轉(zhuǎn)傳輸后，路由到匯聚節(jié)點(diǎn)。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)不同的需求接入相應(yīng)的傳感器和執(zhí)行設(shè)備。各站點(diǎn)的匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)GPRS模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，以把數(shù)據(jù)發(fā)送到終端服務(wù)器。然后由終端服務(wù)器軟件采用B/S體系架構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1傳感器節(jié)點(diǎn)

傳感器節(jié)點(diǎn)處在冷藏車(chē)車(chē)廂微環(huán)境信息感知系統(tǒng)的最基礎(chǔ)部分，是整個(gè)系統(tǒng)的感知部分，負(fù)責(zé)對(duì)冷藏車(chē)車(chē)廂微環(huán)境信息感知系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。冷鏈運(yùn)輸可以被看作是在車(chē)廂內(nèi)的特殊微環(huán)境下的短期儲(chǔ)藏，廂體內(nèi)的溫度、濕度、氣體成分等都會(huì)對(duì)貨物的運(yùn)輸品質(zhì)產(chǎn)生重要影響。

溫度是運(yùn)輸中最受關(guān)注的環(huán)境條件之一。運(yùn)輸溫度對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)起著決定性的影響，從原料到成品，任何細(xì)小的溫度變化都會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌的滋生及食品質(zhì)量的降低。溫度過(guò)高，會(huì)加快產(chǎn)品衰老，使品質(zhì)下降;溫度過(guò)低，使產(chǎn)品容易受冷或凍害。此外，在運(yùn)輸過(guò)程中，溫度波動(dòng)頻繁或過(guò)大都對(duì)保持產(chǎn)品質(zhì)量不利。

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

另外就是氣體成分。在低溫運(yùn)輸中，由于車(chē)廂體的密閉，運(yùn)輸環(huán)境中就可能會(huì)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(cè)濕精度±1.8%RH,測(cè)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(cè)量范圍為0~10000ppm,檢測(cè)精度為±30ppm±5%讀數(shù)，具有高可靠性、穩(wěn)定性、快速響應(yīng)性和對(duì)外界干擾的低靈敏度等特點(diǎn)，性?xún)r(jià)比較高。傳感器末梢節(jié)點(diǎn)是一個(gè)帶外圍傳感器（溫度感應(yīng)器、濕度感應(yīng)器、光強(qiáng)感應(yīng)器等）和ZigBee無(wú)線(xiàn)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(jì)算處理、無(wú)線(xiàn)通信、自動(dòng)組網(wǎng)和設(shè)備控制等能力。

2.2處理器模塊

處理器模塊是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的核心，負(fù)責(zé)信息的管理與收發(fā)，要求有較高的存儲(chǔ)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L(zhǎng)inux。基于ARM9的Linux程序能以IAR平臺(tái)為核心開(kāi)發(fā)，專(zhuān)門(mén)用于處理多任務(wù)，并可轉(zhuǎn)化信號(hào)，將ZigBee信息發(fā)送到GPRS接收端。

2.3GPRS傳輸模塊

該模塊是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)年P(guān)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(guò)串口連接網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器與計(jì)算機(jī)，基于Linux操作系統(tǒng)的操作平臺(tái)燒寫(xiě)接收程序，并可在服務(wù)器端開(kāi)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(dòng)寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.4冷藏車(chē)車(chē)廂環(huán)境信息感知系統(tǒng)

考慮到冷藏車(chē)車(chē)廂環(huán)境信息感知系統(tǒng)模塊的多用戶(hù)性和可擴(kuò)展性［12］，本系統(tǒng)采用B/S體系結(jié)構(gòu)，終端服務(wù)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(quán)限管理和系統(tǒng)維護(hù)功能?？筛鶕?jù)不同的用戶(hù)設(shè)定不同的權(quán)限，以保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性。

遠(yuǎn)程信息控制模塊可以為用戶(hù)提供設(shè)備遠(yuǎn)程控制、信息瀏覽、數(shù)據(jù)查詢(xún)及記錄下載等服務(wù)，包括設(shè)備管理、遠(yuǎn)程預(yù)警、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、信息查詢(xún)等功能。在冷藏車(chē)微環(huán)境的管理中，對(duì)車(chē)廂的儲(chǔ)藏環(huán)境實(shí)行品質(zhì)安全預(yù)警，也就是對(duì)影響冷藏車(chē)車(chē)廂內(nèi)的貨物品質(zhì)質(zhì)量安全的環(huán)境中的溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便實(shí)時(shí)提出預(yù)警信息，給出糾偏建議，提醒冷藏車(chē)管理者。

遠(yuǎn)程預(yù)警是通過(guò)對(duì)比設(shè)定的冷藏車(chē)車(chē)廂中的標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)藏參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。將車(chē)廂內(nèi)溫濕度含量按照貨物的儲(chǔ)藏標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，可在檢測(cè)到車(chē)廂微環(huán)境內(nèi)含量超標(biāo)或者低于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)送預(yù)警信號(hào)，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(shí)將實(shí)時(shí)信息數(shù)據(jù)傳送給服務(wù)器，并保存至數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)果品儲(chǔ)藏期的品質(zhì)安全質(zhì)量監(jiān)控。

針對(duì)以往監(jiān)測(cè)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(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置模塊。各傳感器節(jié)點(diǎn)的工作模式、數(shù)據(jù)采樣時(shí)間等系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置，都可通過(guò)客戶(hù)端遠(yuǎn)程設(shè)置頁(yè)面完成。服務(wù)器后臺(tái)處理程序可以從數(shù)據(jù)庫(kù)讀取設(shè)置的參數(shù)值，并通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)以短信方式發(fā)送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，再經(jīng)底層傳感器網(wǎng)絡(luò)完成對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的參數(shù)設(shè)置。這樣,通過(guò)與服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)的交互，就可實(shí)現(xiàn)Web方式下客戶(hù)端對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置功能。

數(shù)據(jù)管理模塊包括數(shù)據(jù)接收、解析、存儲(chǔ)和處理等功能。通過(guò)監(jiān)聽(tīng)服務(wù)器端口和創(chuàng)建控件數(shù)組，可同時(shí)接受多個(gè)連接請(qǐng)求，將網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過(guò)GPRS發(fā)來(lái)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(kù)。

3系統(tǒng)性能測(cè)試

本系統(tǒng)于2012年8月份在中集車(chē)輛(山東)有限公司的型號(hào)為JG5045XLCD冷藏車(chē)輛上進(jìn)行了測(cè)試，其貨箱內(nèi)部尺寸(長(zhǎng)X寬X高)為：4200mmXl800mmX2000mm。冷藏車(chē)車(chē)廂的厚度為82mm。其中，車(chē)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(wú)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(jìn)行了信息采集傳輸模塊的性能測(cè)試，即包接收率(PRR)實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)中包接收率(PRR)等于協(xié)調(diào)器接收到并通過(guò)GPRS傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)中的包的數(shù)量與環(huán)境信息采集節(jié)點(diǎn)總發(fā)出包的數(shù)量之比。測(cè)試過(guò)程中使用的電池為2節(jié)普通華太7號(hào)電池，采集間隔時(shí)間為10s,共測(cè)5000個(gè)數(shù)據(jù)包，花費(fèi)時(shí)間約為850min。

由于冷藏車(chē)車(chē)廂采用雙面玻璃鋼聚氨酯夾芯保溫板材料,對(duì)無(wú)線(xiàn)信號(hào)存在一些阻擋與吸收，因此在其通信過(guò)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(hào)也受到一些干擾，但總體測(cè)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(cè)試結(jié)果。可見(jiàn)，在企業(yè)應(yīng)用過(guò)程中，其實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)密度下的結(jié)果可以滿(mǎn)足使用要求。

4系統(tǒng)應(yīng)用

冷藏車(chē)車(chē)廂環(huán)境信息感知系統(tǒng)通過(guò)在冷藏箱內(nèi)部固定位置點(diǎn)分布式布置溫度傳感器，傳感器每隔一定的時(shí)間采集一次信號(hào)。除可對(duì)溫度外，還可根據(jù)需要加裝其他感應(yīng)器(如門(mén)探測(cè)感應(yīng)器等),以便通過(guò)對(duì)冷藏箱內(nèi)部環(huán)境的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)信號(hào)采集與報(bào)警，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷藏箱內(nèi)部貨物品質(zhì)的監(jiān)管。冷藏車(chē)智能安全監(jiān)控系統(tǒng)還可以通過(guò)專(zhuān)用接口與冷凍機(jī)相連，實(shí)時(shí)對(duì)冷凍機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)(如送風(fēng)溫度、回風(fēng)溫度、環(huán)境溫度等)進(jìn)行監(jiān)控，并可遠(yuǎn)程控制冷凍機(jī)的運(yùn)行參數(shù)及工作模式，如遠(yuǎn)程改變?cè)O(shè)定溫度、遠(yuǎn)程啟動(dòng)除霜、遠(yuǎn)程啟動(dòng)除濕等。當(dāng)冷凍機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，也可以實(shí)時(shí)上傳故障代碼，通過(guò)短信等方式通知管理人員。

5結(jié)論

本文給出了一種車(chē)廂微環(huán)境內(nèi)多點(diǎn)溫濕度監(jiān)測(cè)單元的設(shè)計(jì)方法，構(gòu)建了冷庫(kù)中的ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)GPRS技術(shù)進(jìn)行了遠(yuǎn)程傳輸，可實(shí)現(xiàn)冷鏈儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中多種環(huán)節(jié)參數(shù)的同步監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)冷庫(kù)內(nèi)的環(huán)境信息的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集、傳輸及預(yù)警；同時(shí)，設(shè)計(jì)了基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多傳感器結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)的采集、匯總；另外也設(shè)計(jì)了冷藏車(chē)車(chē)廂環(huán)境信息感知系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)各種采集數(shù)據(jù)的融合，并可進(jìn)行顯示。

通過(guò)使用本系統(tǒng)，可以有效地對(duì)冷藏車(chē)車(chē)廂內(nèi)微環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，讓管理者能夠?qū)崟r(shí)了解冷藏車(chē)車(chē)廂的微環(huán)境狀況變化，在出現(xiàn)預(yù)警信息時(shí)，能及時(shí)采取有效措施，從而保證在冷鏈運(yùn)輸過(guò)程中的農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)。

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