食品冷鏈配送中溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

引言

食品安全涉及民生之本，一旦出現(xiàn)問(wèn)題危害很大叫在食品配送過(guò)程中，溫度是影響其品質(zhì)變化的主要因素，溫度變化會(huì)導(dǎo)致食品的冰晶重結(jié)晶、凍傷、加速脂肪氧化及新陳代謝等，因此溫度的控制和檢測(cè)已成為保證食品在配送過(guò)程中質(zhì)量安全的關(guān)鍵所在。近年來(lái)，很多學(xué)者開(kāi)展冷鏈物流溫度監(jiān)控研究，來(lái)保證運(yùn)輸產(chǎn)品的質(zhì)量安全。谷雪蓮、徐倩等總結(jié)了國(guó)內(nèi)外利用溫度指示器和溫度-時(shí)間指示器在記錄食品溫度及存放時(shí)間上的應(yīng)用，該研究通過(guò)物理-化學(xué)變化反映溫度與食品存放時(shí)間的關(guān)系；趙立強(qiáng)、張耀荔、張小栓等”罰利用RFID技術(shù)結(jié)合溫度傳感器讀取產(chǎn)品溫度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度監(jiān)控和追溯；楊信廷、郭斌等利用Zigbee技術(shù)構(gòu)建食品冷鏈車輛無(wú)線溫度采集網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷鏈車輛箱體溫度的無(wú)線采集。以上研究均能實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)控，但有些應(yīng)用（物理-化學(xué)變化）無(wú)法實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，實(shí)時(shí)性、可追溯性差，有些應(yīng)用（RFID、Zigbee）系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，成本高，短距離無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸易受環(huán)境溫濕度、產(chǎn)品擺放形式、箱壁材料、電磁干擾等因素影響，無(wú)線溫度采集用模塊往往使用電池供電，功耗與供電不對(duì)稱性往往影響其使用壽命。

現(xiàn)階段大多數(shù)冷鏈運(yùn)輸公司主要通過(guò)孤立的溫度記錄儀進(jìn)行獨(dú)立的溫度記錄管理［9］,配送車輛箱體長(zhǎng)度主要分為12.5m、7.2m、5.2m、小于5m四個(gè)規(guī)格，遠(yuǎn)小于DS18B20溫度傳感器有效傳輸距離［1°］。綜合以上現(xiàn)狀，本文提出了一種基于DS18B20的食品冷鏈配送溫度采集系統(tǒng)，使用有線溫度采集克服了無(wú)線溫度采集硬件功耗、供電、干擾性強(qiáng)等問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)食品冷鏈配送途中溫度多點(diǎn)實(shí)時(shí)采集、傳輸及監(jiān)測(cè)。

1系統(tǒng)構(gòu)成

食品冷鏈配送溫度采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，系統(tǒng)包括溫度采集模塊、車載GPS/北斗定位終端、管理中心服務(wù)器?；竟ぷ髁鞒蹋簻囟葌鞲衅麝嚵胁杉潴w環(huán)境溫度，通過(guò)RS232傳輸給車載定位終端，定位終端接收車輛位置信息,同溫度信息一同發(fā)送到管理中心服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)箱體溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和存儲(chǔ)。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1DS18B20數(shù)字溫度傳感器

DS18B20數(shù)字溫度傳感器是美國(guó)Dallas公司推出的單線數(shù)字式溫度傳感器，溫度測(cè)量范圍是一55?+125在一10?+85。。范圍內(nèi)精度為±0.5C滿足食品冷鏈配送溫度采集的基本要求。

Sensosl-DS18B20具有唯一的64位ROM序列號(hào)，微處理器查詢此序列號(hào)可區(qū)分不同的器件。對(duì)于多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)，可采用單端口并聯(lián)連接、多端口并行連接兩種方式［14-15］。方式一將所有DS18B20連接在同一個(gè)I/O口上，優(yōu)點(diǎn)是大大減少微處理器硬件開(kāi)銷，缺點(diǎn)是微處理器系統(tǒng)開(kāi)銷大，測(cè)溫巡檢周期長(zhǎng),軟件編程復(fù)雜；方式二是每個(gè)DS18B20獨(dú)占一個(gè)I/O口，這種連接方式可實(shí)現(xiàn)對(duì)所有傳感器并行操作，測(cè)溫巡檢周期短,缺點(diǎn)是硬件開(kāi)銷比前者大，測(cè)溫通道擴(kuò)展性差。針對(duì)食品冷鏈配送溫度采集系統(tǒng)的多測(cè)點(diǎn)、實(shí)時(shí)性、可追溯性等要求，本論文設(shè)計(jì)使用單端口并聯(lián)和多端口并行相結(jié)合的連接方式。

2.2溫度采集模塊硬件構(gòu)架

溫度采集模塊主要由微處理器、外圍電路、電源管理單元、溫度傳感器陣列組成，其原理如圖2所示。微處理器選用Freescale公司8位單片機(jī)MC9S08QG8；外圍電路包括BDM下載調(diào)試電路、外部晶振電路和數(shù)字輸入檢測(cè)電路等。數(shù)字輸入用于車輛ACC開(kāi)關(guān)檢測(cè),控制溫度采集間隔；電源管理芯片使用可調(diào)節(jié)3端正電壓穩(wěn)壓器LM317,可承載8?30V直流電源輸入，電路設(shè)計(jì)輸出3.5V,主要用于微處理器、DS18B20、MAX3232等供電；溫度傳感器陣列設(shè)計(jì)結(jié)合單總線并聯(lián)連接與多端口并行連接兩種方式，微處理器PA0?PA3口用于連接4個(gè)傳感器通道,每個(gè)傳感器通道掛接傳感器路數(shù)需相等或相差1路，采用外部電源供電，這種設(shè)計(jì)可同時(shí)轉(zhuǎn)換4路傳感器，大大減少傳感器巡檢時(shí)間，同時(shí)微處理器硬件資源被合理利用，減少安裝過(guò)程中物理走線復(fù)雜程度；溫度采集系統(tǒng)輔以RS232接口電平轉(zhuǎn)換芯片完成電平轉(zhuǎn)換，通過(guò)RS232接口與車載GPS/北斗定位終端進(jìn)行交互完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

3系統(tǒng)軟件功能和流程

3.1溫度信息處理流程

溫度信息處理程序由傳感器初始編號(hào)程序和主工作程序兩部分組成，其流程圖如圖3所示。傳感器初始編號(hào)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)所有DS18B20的ROM序列號(hào)存儲(chǔ)，主工作程序?qū)崿F(xiàn)配置信息的讀取、修改及存儲(chǔ)，溫度數(shù)據(jù)采集、處理，數(shù)據(jù)發(fā)送,ACC檢測(cè)等。

傳感器初始編號(hào)使用逐一掛接方式，每次在4個(gè)通道中各掛接一個(gè)傳感器讀取序列號(hào)后順序存入Flash中；溫度數(shù)據(jù)通過(guò)車載GPS/北斗定位終端GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)焦芾碇行姆?wù)器，受數(shù)據(jù)流量費(fèi)用及車載電瓶功耗所限，設(shè)計(jì)通過(guò)服務(wù)器指令修改溫度采集上傳間隔等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器與溫度采集微處理器雙向通信。

圖4所示為系統(tǒng)分組溫度采集流程圖，其中DS18B20操作有嚴(yán)格的時(shí)序。由于微處理器工作任務(wù)少，設(shè)計(jì)利用空指令產(chǎn)生10us延遲，采集開(kāi)始需關(guān)閉部分中斷，轉(zhuǎn)換結(jié)束或轉(zhuǎn)

換失敗后打開(kāi)中斷，轉(zhuǎn)換過(guò)程同時(shí)操作PA口，讀取數(shù)據(jù)按位提取后再按位組包，獲取每個(gè)傳感器數(shù)據(jù)，循環(huán)2次，完成8個(gè)傳感器讀取。

3.2監(jiān)控軟件功能設(shè)計(jì)

上位機(jī)的食品冷鏈配送溫度采集系統(tǒng)采用BS架構(gòu)，運(yùn)行于管理中心服務(wù)器中，上位機(jī)軟件采用.net開(kāi)發(fā)，數(shù)據(jù)庫(kù)使用SQLServer2005。

此外，系統(tǒng)的軟件還具有車輛位置及溫度動(dòng)態(tài)監(jiān)控、存儲(chǔ)管理，報(bào)表中心，采集時(shí)間設(shè)置以及系統(tǒng)相關(guān)設(shè)置等功能,圖5所示是系統(tǒng)報(bào)表中心顯示的溫度曲線圖。

圖5報(bào)表中心-溫度曲線圖

3.2.1車輛位置及溫度動(dòng)態(tài)監(jiān)控

動(dòng)態(tài)監(jiān)控功能是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛位置及溫度信息，位置及溫度信息間隔固定時(shí)間上報(bào)，服務(wù)器解析后顯示在網(wǎng)頁(yè)端，用于管理人員監(jiān)控查詢。

3.2.2存儲(chǔ)管理

存儲(chǔ)管理是實(shí)現(xiàn)對(duì)位置及溫度信息進(jìn)行一段時(shí)間的存儲(chǔ)，通過(guò)查詢車輛歷史軌跡及報(bào)表中心溫度曲線圖實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛位置狀態(tài)及溫度狀態(tài)進(jìn)行追溯。

3.2.3報(bào)表中心

可以將存儲(chǔ)的溫度數(shù)據(jù)以曲線圖的形式顯示，根據(jù)車輛編號(hào)及時(shí)間可以查詢最近7日任何時(shí)間段溫度曲線圖。

4試驗(yàn)與分析

4.1試驗(yàn)平臺(tái)及方法

本實(shí)驗(yàn)針對(duì)由慶鈴600P雙排箱式輕卡改裝冷鏈配送車輛設(shè)計(jì),貨箱內(nèi)部尺寸為3245mmX1784mmX1730mm(長(zhǎng)X寬X高)。試驗(yàn)使用對(duì)比溫度計(jì)為臺(tái)灣路昌TM-902C型數(shù)字溫度計(jì)，其傳感器特性為K型熱電耦合器，分辨率為0.1R根據(jù)食品最佳配送溫度一18?18[16]，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)在箱內(nèi)

環(huán)境溫度一20?20。。環(huán)境中進(jìn)行，室溫為26?28莒,濕度范圍是55%?60%。分別進(jìn)行兩次實(shí)驗(yàn)：

試驗(yàn)一：溫度采集系統(tǒng)穩(wěn)定特性及數(shù)據(jù)精度測(cè)試。在不同溫度下采集3路傳感器數(shù)據(jù)，計(jì)算數(shù)據(jù)丟包率，求3組溫度平均值與標(biāo)定溫度計(jì)測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比。

試驗(yàn)二：傳感器線長(zhǎng)對(duì)數(shù)據(jù)精度的影響測(cè)試。根據(jù)慶鈴600P雙排箱式輕卡箱體尺寸，設(shè)計(jì)835mm、735mm、635mm三組傳感器線長(zhǎng)，探索在一20?20°C及相對(duì)濕度為90%環(huán)境中數(shù)據(jù)變化規(guī)律。

4.2結(jié)果分析

4.2.1溫度采集系統(tǒng)穩(wěn)定特性及數(shù)據(jù)精度測(cè)試

由于兩組數(shù)據(jù)相似度高，為了在同一折線圖中表示，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)中標(biāo)定溫度整體加+5C計(jì)算，其結(jié)果如圖6(a)所示。試驗(yàn)設(shè)定1min采集一條數(shù)據(jù)，測(cè)試采集365條數(shù)據(jù)，用時(shí)365min，數(shù)據(jù)丟包率為0,數(shù)據(jù)發(fā)送間隔累計(jì)偏差1s；一20?0C溫度范圍內(nèi)平均溫度與標(biāo)定溫度最大差值為0.74C；0?20C最大差值為0.79C，-20?20C平均差值為0.31C，356個(gè)測(cè)點(diǎn)中差值小于0.5C占78.93%。結(jié)果表明：在冷鏈配送常用溫度一20?20C下，系統(tǒng)數(shù)據(jù)精度為±0.31C，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，平均溫度與標(biāo)定溫度曲線擬合性良好，達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

4.2.2傳感器線長(zhǎng)對(duì)數(shù)據(jù)精度的影響測(cè)試

由于3組數(shù)據(jù)相似度高，為了在同一折線圖中表示，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)中溫度2數(shù)據(jù)整體加+2C計(jì)算，對(duì)溫度3數(shù)據(jù)整體加+4C計(jì)算，其結(jié)果如圖6(b)所示。線長(zhǎng)為835mm、735mm、635mm三組傳感器在一20?20C溫度范圍數(shù)據(jù)擬合曲線，3路傳感器數(shù)據(jù)最大差值為+0.67C，平均差值為±0.25C，所有測(cè)點(diǎn)中平均差值小于0.5C占96%，3組數(shù)據(jù)沒(méi)有明顯數(shù)學(xué)關(guān)系。結(jié)果表明，傳感器線長(zhǎng)小于835mm情況下傳感器線長(zhǎng)對(duì)數(shù)據(jù)精度影響很小。

5結(jié)語(yǔ)

本文以DS18B20為基礎(chǔ)，構(gòu)建了食品配送溫度采集系統(tǒng)，傳感器設(shè)計(jì)使用不銹鋼探頭，硬件設(shè)備安裝在箱體之外，從而克服了箱體高濕度、溫差大對(duì)硬件穩(wěn)定性的影響，而有線采集克服了無(wú)線溫度采集系統(tǒng)供電與功耗不對(duì)稱、抗干擾能力弱等缺點(diǎn)。

在－20～20℃溫度范圍對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)精度及傳感器線長(zhǎng)對(duì)精度影響進(jìn)行的測(cè)試結(jié)果表明：在－20～20℃溫度范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)精度為±0.31℃，在線長(zhǎng)小于835mm情況下，傳感器線長(zhǎng)對(duì)溫度數(shù)據(jù)精度的影響很小，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

本文以食品配送溫度采集為例設(shè)計(jì)，系統(tǒng)稍作改動(dòng)也可用于對(duì)冷庫(kù)及其他工業(yè)領(lǐng)域的監(jiān)控，因而具備實(shí)際應(yīng)用與推廣價(jià)值。

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