冷鏈物流車廂微環(huán)境感知與調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主保玉 江朝暉 楊春合 李想 陸元洲

摘要

研制了一種應(yīng)用于冷鏈物流的車廂微環(huán)境感知與調(diào)控系統(tǒng)。系統(tǒng)由手持終端模塊和車載測控模塊兩部分組成，手持終端模塊通過RFID和按鍵設(shè)置理想環(huán)境參數(shù)和手機(jī)號(hào)碼等，并與車載控制模塊無線通信，車載測控模塊實(shí)時(shí)檢測車廂內(nèi)溫度、濕度、CO₂含量、震動(dòng)等參數(shù)，并進(jìn)行短信報(bào)警和PID調(diào)控。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)工作正常，性能良好。

關(guān)鍵詞 冷鏈物流;車廂微環(huán)境;檢測;控制;RFID

中圖分類號(hào) S24 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A ?文章編號(hào) 0517-6611（2015）03-374-03

The Information Perception and Control System of MicroEnvironment Compartment in Cold Chain Logistics

ZHU Baoyu， JIANG Zhaohui*， YANG Chunhe et al

（School of Information & Computer， Anhui Agricultural University， Hefei， Anhui 230036）

Abstract The system of perception and intelligent control was designed， which was applied to the microenvironment compartment in cold chain logistics. The system was composed of handheld terminal module and onboard measurement and control module. The handheld terminal module can set the comfortable environment parameters， the cell phone number and so on with dash control. It also communicated with the onboard measurement and control module by radio. The vehicle control module detected the compartment parameters， such as temperature， humidity， the density of carbon dioxide， vibration， in realtime automatically. And it can alarm with SMS and PID control， if the environment parameters were beyond the range. The test results show that the system works properly with good performance.

Key words ?Cold chain logistics; Microenvironment compartment; Detection; Control; Radio frequency identification devices

基金項(xiàng)目 國家大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（201310364017）;十二五科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAK17B12）。

作者簡介

主保玉（1989-），男，安徽亳州人，工程師，從事電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。*通訊作者，博士，副教授，從事農(nóng)業(yè)信息檢測與處理研究。

收稿日期 20141129

冷鏈物流是以冷凍工藝學(xué)為基礎(chǔ)、以制冷技術(shù)為手段的低溫物流，是保證食品質(zhì)量、減少食品消耗的一項(xiàng)系統(tǒng)工程。近年來隨著生活水平的提高，人們對冷鏈物品的消費(fèi)要求也在逐年增高。冷鏈物流一般遵循“3T”原則，即產(chǎn)品質(zhì)量最終取決于在冷鏈物流中貯藏和流通時(shí)間（Time）、溫度（Temperature）和產(chǎn)品耐藏性（Tolerance）^[1]。在運(yùn)輸過程中，車廂微環(huán)境對于冷鏈物品的質(zhì)量、損耗等具有重要影響，因此車廂微環(huán)境的監(jiān)測、調(diào)控始終是冷鏈物流的重要課題。筆者采用RFID、無線通信、測控等技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種車廂微環(huán)境感知與調(diào)控系統(tǒng)，能根據(jù)不同種類貨品的需求，方便、快捷地設(shè)定和更改所需的環(huán)境參數(shù)，并通過多種類型傳感器實(shí)時(shí)采集車廂內(nèi)主要微環(huán)境參數(shù)，當(dāng)車廂參數(shù)超過設(shè)定閾值時(shí)，自動(dòng)向司機(jī)和管理人員報(bào)警，并提供相關(guān)控制信號(hào)及控制接口。

1 ?總體功能和設(shè)計(jì)方案

該系統(tǒng)對冷鏈物流運(yùn)輸環(huán)節(jié)中車廂內(nèi)信息的感知與智能調(diào)控，確保貨品在運(yùn)輸途中始終處于最佳的環(huán)境狀態(tài)，保證貨品質(zhì)量，減少因不當(dāng)運(yùn)輸帶來的損耗。

系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。手持設(shè)備通過按鍵輸入和讀取貨品無線射頻（RFID， Radio Frequency Identification Devices）標(biāo)簽內(nèi)相關(guān)信息，設(shè)置車廂內(nèi)適合貨品運(yùn)輸?shù)淖罴循h(huán)境參數(shù)^[3]，并通過無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞桨言O(shè)置的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)杰囕d測控設(shè)備，車載控制設(shè)備將各種環(huán)境信息感知傳感器發(fā)回的數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定的環(huán)境參數(shù)閾值進(jìn)行比較，當(dāng)環(huán)境參數(shù)超標(biāo)時(shí)，車載測控設(shè)備進(jìn)行PID調(diào)控，通過控制輸出端口可外接執(zhí)行元器件，從而實(shí)現(xiàn)對車廂內(nèi)環(huán)境參數(shù)實(shí)施調(diào)控的功能，與此同時(shí)系統(tǒng)通過GSM/GPRS單元，把相關(guān)信息以短信的形式發(fā)送給司機(jī)和管理人員，使得相關(guān)人員能實(shí)時(shí)了解情況。

圖1 系統(tǒng)整體框架

2 ?硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的硬件分為兩部分：一是手持設(shè)備模塊，主要用于對車廂貨物數(shù)據(jù)的獲取以及對車廂多種微環(huán)境參數(shù)進(jìn)行有效設(shè)置;二是車載測控模塊，主要用于對車廂微環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并進(jìn)行報(bào)警和調(diào)控。兩模塊之間通過無線方式通信，包括設(shè)定參數(shù)傳輸和警報(bào)信息回饋等。

2.1 RFID手持模塊

RFID手持模塊以STC12C5A60S2單片機(jī)為CPU，通過串口連接無線收發(fā)單元，用于接收和發(fā)送來自車載控制設(shè)備模塊采集的車廂微環(huán)境信息數(shù)據(jù)，通過SPI總線方式與RFID讀卡器連接，用于讀取存儲(chǔ)貨品參數(shù)信息的RFID卡片。按鍵矩陣單元和液晶顯示屏主要用于對車廂微環(huán)境的參數(shù)信息進(jìn)行閾值設(shè)置和信息顯示。

RFID電路部分則采用MFRC522無線射頻芯片作為本單元的控制器。MFRC522是高度集成的非接觸式讀寫芯片，RFID芯片通過SPI接口的SCL、MOSI和MISO與CPU相連。無線通信單元采用APC240型UART接口模塊，通信頻率可在400～480 MHZ之間隨意設(shè)定，具有超低功耗、自休眠、中斷喚醒等特點(diǎn)，在沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)系統(tǒng)能自動(dòng)進(jìn)入休眠模式，當(dāng)接收到傳輸中斷之后會(huì)自動(dòng)喚醒，無需外部軟件和硬件參與，使得在設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)無需過多考慮其與主系統(tǒng)之間的硬件和軟件設(shè)置，只需要分配一個(gè)串口與模塊相連和基本的軟件設(shè)置即可。這種設(shè)計(jì)大大減低了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度和程序的編寫量，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)更簡單靈活。

2.2 車載測控模塊

車載測控模塊主要由主控單元、電源管理單元、環(huán)境參數(shù)檢測單元、無線傳輸單元和控制單元組成。其中，主控MCU是STC12C5A60S2單片機(jī);電源管理單元對各個(gè)不同的模塊單元提供不同的電壓;環(huán)境參數(shù)檢測單元主要包括溫度、濕度、二氧化碳含量及車廂振動(dòng)劇烈程度的檢測;無線傳輸單元主要是用來和RFID手持模塊進(jìn)行通信，獲取設(shè)定的環(huán)境參數(shù)信息，以及相應(yīng)的報(bào)警信息的發(fā)送;控制單元包括PID算法和控制輸出接口。

車載測控模塊中各單元對電源的要求不同，因此電源管理單元較復(fù)雜，在設(shè)計(jì)時(shí)采用多種芯片用于產(chǎn)生系統(tǒng)所需的不同電壓要求，如圖2所示。針對主控制器和其他5 V電平模塊，采用LM1117-5 V芯片作為穩(wěn)壓芯片，針對3.3 V供電單元采用LM1117-3.3 V作為電源穩(wěn)壓芯片，針對部分單元模塊需要6V電源電壓，采用LM7806作為此部分的電源管理芯片。

圖2 電源管理電路

圖3 二氧化碳檢測電路

環(huán)境參數(shù)檢測單元主要包括DHT22數(shù)字式溫濕度傳感器、MG811二氧化碳傳感器、SV805振動(dòng)傳感器及相關(guān)外圍電路。

DHT22數(shù)字式溫濕度傳感器具有體積小、接口方便、性能良好等特點(diǎn)，應(yīng)用非常廣泛。SV805振動(dòng)傳感器適用于振動(dòng)源的檢測，具有良好的抗干擾特性，通常與TC8022震動(dòng)信號(hào)處理器組合，使振動(dòng)傳感器的性能更加穩(wěn)定、可靠。

MG811型二氧化碳傳感器采用固體電解質(zhì)電池原理，在外部提供電源的情況下，內(nèi)部電熱絲發(fā)熱，電熱絲外表溫度足夠高以后相當(dāng)于一個(gè)電池，電熱絲兩端會(huì)產(chǎn)生電壓差，并且測量電極與參考電極間的電勢差符合能斯特方程，如式（1）所示：

EMF=EC-（R×T）/（2F）ln[P（CO₂）] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

由于二氧化碳傳感器是以模擬信號(hào)量為輸出方式，且輸出電壓比較低，為了減小誤差，讓處理器能夠?qū)﹄妷盒盘?hào)進(jìn)行合理的A/D轉(zhuǎn)化，所以在二氧化碳傳感器與單片機(jī)之間需加一個(gè)運(yùn)放電路。運(yùn)放電路由電阻R24、R30、R31和CA3140運(yùn)放芯片組成，電壓放大倍數(shù)由R24、R30、R31決定。二氧化碳檢測電路如圖3所示。

圖4 控制單元電路

無線傳輸單元采用Simcom公司推出的內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議的GPRS模塊SIM100。SIMl00提供標(biāo)準(zhǔn)的RS-232串行接口，用戶可以通過串行口使用AT命令完成對模塊的操作。在應(yīng)用中，當(dāng)MCU需要通過串口與模塊進(jìn)行通信時(shí)，可以只用TXD、RXD和GND 3個(gè)引腳;但當(dāng)需要通過模塊上網(wǎng)時(shí)，應(yīng)該盡量使用全部的串口信號(hào)引腳。SIMl00模塊支持外部SIM卡，可以直接與3.0 V SIM卡或者1.8 V SIM任意連接，并自動(dòng)監(jiān)測和適應(yīng)SIM卡類型^[4]。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2015年

控制單元的硬件部分是控制輸出接口。為達(dá)到強(qiáng)電與弱電分離、驅(qū)動(dòng)外接控制器件，用繼電器組作為開關(guān)控制器件。綜合考慮芯片的驅(qū)動(dòng)能力、設(shè)計(jì)難易以及電路板的設(shè)計(jì)布局問題，確定以ULN2003為繼電器驅(qū)動(dòng)芯片。ULN2003是由高耐壓、大電流的達(dá)林頓陣列組合而成，輸出可以高負(fù)載電流并行運(yùn)行。控制單元電路如圖4所示。

3 ?軟件和算法設(shè)計(jì)

3.1 軟件流程圖

軟件用C語言開發(fā)，主要包括控制器與各模塊之間的協(xié)議設(shè)定、PID算法實(shí)現(xiàn)、無線通信單元程序設(shè)計(jì)、RFID單元程序設(shè)計(jì)和GSM/GPRS單元程序設(shè)計(jì)。其中手持設(shè)備模塊軟件流程和車載測控模塊軟件流程如圖5所示。

3.2 PID控制算法

車廂內(nèi)溫度、濕度和二氧化碳含量需要調(diào)控。PID以其完善的理論基礎(chǔ)、高可靠性、設(shè)計(jì)簡單而廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)控制中^[5]。PID算法中的比例環(huán)節(jié)的作用是對偏差瞬間做出反應(yīng)，偏差一旦產(chǎn)生控制器立即產(chǎn)生控制作用，使控制量向減少偏差的方向變化。比例系數(shù)選擇

必須恰當(dāng)，才能過渡時(shí)間少，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)偏差小而又穩(wěn)定的效果。積分環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)作用雖然會(huì)消除靜態(tài)誤差，但也會(huì)降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，增加系統(tǒng)的超調(diào)量。微分環(huán)節(jié)的作用使阻止偏差的變化，它是根據(jù)偏差的變化趨勢進(jìn)行控制，微分作用的引入將有助于減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，特別對髙階系統(tǒng)非常有利，它加快了系統(tǒng)的跟蹤速度。

相應(yīng)傳感器通過對現(xiàn)場信息的采集將數(shù)據(jù)傳至單片機(jī)，然后單片機(jī)經(jīng)過分析處理各參數(shù)量是否偏離設(shè)置的閥值，如果有偏差，則調(diào)用PID算法，將現(xiàn)場參數(shù)與用戶設(shè)定目標(biāo)參數(shù)的差值帶入增量式PID算法公式，由公式輸出量決定PWM方波的占空比，后續(xù)控制電路根據(jù)此PWM方波的占空比決定各調(diào)節(jié)量的強(qiáng)弱。現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與目標(biāo)參數(shù)的偏差大則占空比大，控制電路的功率大，使實(shí)測值與設(shè)定值的偏差迅速減少;反之，二者的偏差小則占空比減小，控制電路輸出功率減少，直至目標(biāo)值與實(shí)測值相等或者在允許誤差范圍內(nèi)，以達(dá)到自動(dòng)控制的目的。

4 ?系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及測試

按照上述硬件、軟件思路設(shè)計(jì)系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)實(shí)物如圖6所示。

經(jīng)測試，系統(tǒng)工作正常，性能和指標(biāo)滿足實(shí)際需求。其中溫度調(diào)控的測試結(jié)果見表1。

圖5 軟件流程

圖6 系統(tǒng)模塊實(shí)物

表1 溫度PID控制測試結(jié)果（設(shè)定為32 ℃）

檢測時(shí)間∥min實(shí)測溫度∥℃檢測時(shí)間∥min實(shí)測溫度∥℃

0.527.3732.0

129.5832.1

231.2932.0

332.01031.9

432.11132.0

531.81232.0

632.01332.3

5 結(jié)論

冷鏈物流是近年興起的物流新模式，運(yùn)輸過程中的車廂微環(huán)境對于冷鏈物品的質(zhì)量、損耗等具有重要影響，車廂微環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測和自動(dòng)調(diào)控是冷鏈物流中的重要課題。該研究根據(jù)實(shí)際需求，綜合運(yùn)用RFID、無線通信、測控等技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種車廂微環(huán)境感知與調(diào)控系統(tǒng)，具有通用性、模塊化的特點(diǎn)，有效解決了現(xiàn)有冷鏈物流運(yùn)輸中車廂環(huán)境監(jiān)測和控制存在的一些問題，有利于提高貨品質(zhì)量，降低環(huán)境損耗，具有一定的參考和應(yīng)用價(jià)值。

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