食品冷鏈配送中溫度采集系統(tǒng)的設計與試驗

引言

食品安全涉及民生之本，一旦出現(xiàn)問題危害很大叫在食品配送過程中，溫度是影響其品質(zhì)變化的主要因素，溫度變化會導致食品的冰晶重結晶、凍傷、加速脂肪氧化及新陳代謝等，因此溫度的控制和檢測已成為保證食品在配送過程中質(zhì)量安全的關鍵所在。近年來，很多學者開展冷鏈物流溫度監(jiān)控研究，來保證運輸產(chǎn)品的質(zhì)量安全。谷雪蓮、徐倩等總結了國內(nèi)外利用溫度指示器和溫度-時間指示器在記錄食品溫度及存放時間上的應用，該研究通過物理-化學變化反映溫度與食品存放時間的關系；趙立強、張耀荔、張小栓等”罰利用RFID技術結合溫度傳感器讀取產(chǎn)品溫度數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對溫度監(jiān)控和追溯；楊信廷、郭斌等利用Zigbee技術構建食品冷鏈車輛無線溫度采集網(wǎng)絡，實現(xiàn)對冷鏈車輛箱體溫度的無線采集。以上研究均能實現(xiàn)溫度監(jiān)控，但有些應用（物理-化學變化）無法實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)存儲，實時性、可追溯性差，有些應用（RFID、Zigbee）系統(tǒng)設計復雜，成本高，短距離無線數(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，無線溫度采集用模塊往往使用電池供電，功耗與供電不對稱性往往影響其使用壽命。

現(xiàn)階段大多數(shù)冷鏈運輸公司主要通過孤立的溫度記錄儀進行獨立的溫度記錄管理［9］,配送車輛箱體長度主要分為12.5m、7.2m、5.2m、小于5m四個規(guī)格，遠小于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線溫度采集硬件功耗、供電、干擾性強等問題,實現(xiàn)食品冷鏈配送途中溫度多點實時采集、傳輸及監(jiān)測。

1系統(tǒng)構成

食品冷鏈配送溫度采集系統(tǒng)結構框圖如圖1所示，系統(tǒng)包括溫度采集模塊、車載GPS/北斗定位終端、管理中心服務器?；竟ぷ髁鞒蹋簻囟葌鞲衅麝嚵胁杉潴w環(huán)境溫度，通過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)送到管理中心服務器，實現(xiàn)對箱體溫度實時監(jiān)測和存儲。

2系統(tǒng)硬件設計

2.1DS18B20數(shù)字溫度傳感器

DS18B20數(shù)字溫度傳感器是美國Dallas公司推出的單線數(shù)字式溫度傳感器，溫度測量范圍是一55?+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，微處理器查詢此序列號可區(qū)分不同的器件。對于多點測溫系統(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I/O口上，優(yōu)點是大大減少微處理器硬件開銷，缺點是微處理器系統(tǒng)開銷大，測溫巡檢周期長,軟件編程復雜；方式二是每個DS18B20獨占一個I/O口，這種連接方式可實現(xiàn)對所有傳感器并行操作，測溫巡檢周期短,缺點是硬件開銷比前者大，測溫通道擴展性差。針對食品冷鏈配送溫度采集系統(tǒng)的多測點、實時性、可追溯性等要求，本論文設計使用單端口并聯(lián)和多端口并行相結合的連接方式。

2.2溫度采集模塊硬件構架

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)字輸入檢測電路等。數(shù)字輸入用于車輛ACC開關檢測,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，電路設計輸出3.5V,主要用于微處理器、DS18B20、MAX3232等供電；溫度傳感器陣列設計結合單總線并聯(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個傳感器通道,每個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，這種設計可同時轉(zhuǎn)換4路傳感器，大大減少傳感器巡檢時間，同時微處理器硬件資源被合理利用，減少安裝過程中物理走線復雜程度；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RS232接口與車載GPS/北斗定位終端進行交互完成數(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。傳感器初始編號程序?qū)崿F(xiàn)對所有DS18B20的ROM序列號存儲，主工作程序?qū)崿F(xiàn)配置信息的讀取、修改及存儲，溫度數(shù)據(jù)采集、處理，數(shù)據(jù)發(fā)送,ACC檢測等。

傳感器初始編號使用逐一掛接方式，每次在4個通道中各掛接一個傳感器讀取序列號后順序存入Flash中；溫度數(shù)據(jù)通過車載GPS/北斗定位終端GPRS網(wǎng)絡傳輸?shù)焦芾碇行姆掌?，受?shù)據(jù)流量費用及車載電瓶功耗所限，設計通過服務器指令修改溫度采集上傳間隔等參數(shù)，實現(xiàn)服務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操作有嚴格的時序。由于微處理器工作任務少，設計利用空指令產(chǎn)生10us延遲，采集開始需關閉部分中斷，轉(zhuǎn)換結束或轉(zhuǎn)

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

3.2監(jiān)控軟件功能設計

上位機的食品冷鏈配送溫度采集系統(tǒng)采用BS架構，運行于管理中心服務器中，上位機軟件采用.net開發(fā)，數(shù)據(jù)庫使用SQLServer2005。

此外，系統(tǒng)的軟件還具有車輛位置及溫度動態(tài)監(jiān)控、存儲管理，報表中心，采集時間設置以及系統(tǒng)相關設置等功能,圖5所示是系統(tǒng)報表中心顯示的溫度曲線圖。

圖5報表中心-溫度曲線圖

3.2.1車輛位置及溫度動態(tài)監(jiān)控

動態(tài)監(jiān)控功能是實現(xiàn)實時監(jiān)控車輛位置及溫度信息，位置及溫度信息間隔固定時間上報，服務器解析后顯示在網(wǎng)頁端，用于管理人員監(jiān)控查詢。

3.2.2存儲管理

存儲管理是實現(xiàn)對位置及溫度信息進行一段時間的存儲，通過查詢車輛歷史軌跡及報表中心溫度曲線圖實現(xiàn)對車輛位置狀態(tài)及溫度狀態(tài)進行追溯。

3.2.3報表中心

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

4試驗與分析

4.1試驗平臺及方法

本實驗針對由慶鈴600P雙排箱式輕卡改裝冷鏈配送車輛設計,貨箱內(nèi)部尺寸為3245mmX1784mmX1730mm(長X寬X高)。試驗使用對比溫度計為臺灣路昌TM-902C型數(shù)字溫度計，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]，本試驗設計在箱內(nèi)

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

試驗一：溫度采集系統(tǒng)穩(wěn)定特性及數(shù)據(jù)精度測試。在不同溫度下采集3路傳感器數(shù)據(jù)，計算數(shù)據(jù)丟包率，求3組溫度平均值與標定溫度計測量值進行對比。

試驗二：傳感器線長對數(shù)據(jù)精度的影響測試。根據(jù)慶鈴600P雙排箱式輕卡箱體尺寸，設計835mm、735mm、635mm三組傳感器線長，探索在一20?20°C及相對濕度為90%環(huán)境中數(shù)據(jù)變化規(guī)律。

4.2結果分析

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，對測試數(shù)據(jù)中標定溫度整體加+5C計算，其結果如圖6(a)所示。試驗設定1min采集一條數(shù)據(jù)，測試采集365條數(shù)據(jù)，用時365min，數(shù)據(jù)丟包率為0,數(shù)據(jù)發(fā)送間隔累計偏差1s；一20?0C溫度范圍內(nèi)平均溫度與標定溫度最大差值為0.74C；0?20C最大差值為0.79C，-20?20C平均差值為0.31C，356個測點中差值小于0.5C占78.93%。結果表明：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，平均溫度與標定溫度曲線擬合性良好，達到系統(tǒng)設計要求。

4.2.2傳感器線長對數(shù)據(jù)精度的影響測試

由于3組數(shù)據(jù)相似度高，為了在同一折線圖中表示，對測試數(shù)據(jù)中溫度2數(shù)據(jù)整體加+2C計算，對溫度3數(shù)據(jù)整體加+4C計算，其結果如圖6(b)所示。線長為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，所有測點中平均差值小于0.5C占96%，3組數(shù)據(jù)沒有明顯數(shù)學關系。結果表明，傳感器線長小于835mm情況下傳感器線長對數(shù)據(jù)精度影響很小。

5結語

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

在－20～20℃溫度范圍對系統(tǒng)穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)精度及傳感器線長對精度影響進行的測試結果表明：在－20～20℃溫度范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)精度為±0.31℃，在線長小于835mm情況下，傳感器線長對溫度數(shù)據(jù)精度的影響很小，能夠達到設計要求。

本文以食品配送溫度采集為例設計，系統(tǒng)稍作改動也可用于對冷庫及其他工業(yè)領域的監(jiān)控，因而具備實際應用與推廣價值。

20211116_6193bd4b1c8ca__食品冷鏈配送中溫度采集系統(tǒng)的設計與試驗