農產品冷鏈物流運輸的安全監測儀設計

江　偉

(廣東交通職業技術學院，廣州 510650)

農產品冷鏈物流運輸的安全監測儀設計

江偉

(廣東交通職業技術學院，廣州 510650)

摘要:農產品冷鏈物流運輸的安全監控是保證其質量安全的重要環節。本文以CC2650藍牙芯片為主控制器，外接多個傳感器，設計了一種農產品冷鏈物流運輸安全監測儀。該監測儀可以監測農產品運輸環境的溫度、濕度、氣壓、光照、碰撞、顛簸等參數，連接手持終端后顯示數據，通過網絡把數據傳送給遠程監控端。經測試，該監測儀可對農產品冷鏈物流運輸進行實時、有效的監控，提高農產品運輸質量。

關鍵詞:冷鏈物流；質量監測；藍牙

引言

隨著物流業的快速發展，物品在運輸途中的安全性越來越受到重視[1]。冷鏈物流由農產品生產、冷凍貯藏、加工包裝、冷凍運輸、上市銷售直到消費的各個環節構成，是一項十分復雜的低溫系統工程，而冷鏈物流的核心就是確保各環節質量安全問題[2]。目前，我國農產品冷鏈物流存在整體規劃欠缺、法律法規和標準體系建設滯后、基礎設施薄弱、運營成本高、專業人才缺乏、信息網絡不完善等問題[3-5]。如何加強冷鏈物流運輸途中農產品的實時監控，是保證其質量安全的重要環節。

在農產品冷鏈物流運輸中，需要全程對溫度以及在運輸途中暴力分揀、碰撞、拆箱等進行監測，防止發生變質，確保農產品質量安全。目前主要采用的控制手段是通過紙質證書、密封標識和車載車廂溫度記錄儀相結合的手段來保證冷鏈物流中溫度的控制和食品品質的監控，而這些監管手段均存在一定的缺陷。參考文獻[6]結合無線射頻識別技術(RFID)和無線傳感網絡技術(WSN)，構建了一個冷鏈物流跟蹤及追溯系統，實現對冷藏食品的實時監控，確保食品安全。參考文獻[7]以ZigBee協議為基礎，圍繞CC2530型無線傳感片上系統，設計了一種面向鮮食葡萄冷鏈物流的無線實時監測系統，能夠穩定、準確地監測環境溫度、濕度等關鍵參數的變化。參考文獻[8]研制了一種應用于冷鏈物流的車廂微環境感知與調控系統，該系統性能良好。

本文以藍牙芯片CC2650為基礎，外接多個傳感器，設計了一種農產品冷鏈物流運輸安全監測儀。該監測儀通過傳感器可以偵測運輸環境的溫度、濕度、氣壓、光照、碰撞、顛簸等信息，并記錄在內部存儲器中；駕駛員使用手持終端，通過藍牙連接安全監測儀，將狀態信息和地理位置信息實時傳輸到服務器；公司后臺可實時監控運輸狀態，必要時可采取措施減少經濟損失，并為事后責任劃分提供依據。

1硬件設計

該系統由4個模塊組成：CC2650模塊、傳感器模塊、電源模塊、通信模塊。CC2650內含 32 位 ARM Cortex-M3處理器核，工作頻率為 48 MHz。傳感器主要有溫/濕度傳感器、運動傳感器、光傳感器和氣壓傳感器，分別用來偵測運輸環境的溫度、濕度、氣壓、光照、碰撞、顛簸等信息。電源模塊采用微型鋰電池供電，使用壽命可長達數年。CC2650通過2.4 GHz天線與外部終端設備實現通信，駕駛員利用手持終端可查看監控信息，如圖1所示。

圖1　硬件結構框圖

1.1主控芯片及存儲器

1.1.1主控芯片

主控芯片采用低功耗藍牙CC2650系列芯片。CC2650是TI公司推出的一款面向Bluetooth Smart、ZigBee 和 6LoWPAN，以及 ZigBee RF4CE 遠程控制應用的超低功耗無線微控制器平臺。其內含一個強大的32 位 ARM Cortex-M3處理器核，與主處理器工作頻率同為 48 MHz；具有豐富的外設功能集，包括一個獨特的超低功耗傳感器控制器，適用于在系統處于休眠模式時連接外部傳感器和自主采集模擬和數字數據。其電路如圖2所示。

圖2　CC2650藍牙通信

1.1.2存儲器(Flash)

圖3　存儲器W25Q16DW

選用華邦電子公司生產的Flash型號W25Q16DW，用于存儲傳感器數據。W25Q16DW支持標準的串行外設接口( SPI )，雙/四通道I/O SPI以及2時鐘指令周期，4路外設接口(QPI)，支持50 MBPS的連續數據傳輸，超過100 000次可擦寫/編程。其存儲器如圖3所示。

1.2傳感器

1.2.1溫/濕度傳感器

圖4　溫/濕度傳感器HDC1000

選用TI公司型號為HDC1000的溫/濕度傳感器，檢測運輸環境的溫度和濕度。HDC1000 是一款集成型溫度和濕度的傳感器，可在超低功耗下提供出色的測量精度。該傳感器是基于新型電容式傳感器來進行測量，具有14位測量分辨率，可檢測相對濕度 (RH) 范圍為 0～100%，相對濕度精度為 ±3%，檢測溫度為 -40～125 ℃，溫度精度為±0.2 ℃。HDC1000型溫/濕度傳感器如圖4所示。

1.2.2運動傳感器

選用型號為MPU6050的6軸運動傳感器，檢測運輸中是否產生碰撞、顛簸。MPU6050為整合性6軸運動處理組件，其整合了3軸陀螺儀、3軸加速器，分別用了3個16位的ADC，將其測量的模擬量轉化為可輸出的數字量。為了精確跟蹤快速和慢速的運動，傳感器的測量范圍用戶可控。角速度感測范圍為±250、±500、±1 000與±2 000 °/sec (dps)，加速度感測范圍為±2 g、±4 g、±8 g、±10 g。6軸運動傳感器MPU6050如圖5所示。

圖5　6軸運動傳感器MPU6050

1.2.3光傳感器

選用TI公司的光傳感器OPT3001，檢測包裝是否被打開。OPT3001 傳感器用于測量可見光的密度，采用精密光學過濾可阻隔 99%(典型值)以上的紅外線 (IR)。測量范圍為0.01～83k lux，且內置有滿量程設置功能，無需手動選擇滿量程范圍，允許在23位有效動態范圍內進行光測量。

圖6　光傳感器OPT3001

該傳感器兼具低功耗和低電源電壓特性，操作靈活，測量既可連續進行,也可單次觸發，控制和中斷系統可自主操作，允許處理器進入休眠狀態。光傳感器OPT3001如圖6所示。

1.2.4氣壓傳感器

圖7　氣壓傳感器BMP280

選用氣壓傳感器BMP280，檢測受壓狀況。BMP280是基于博世公司的壓阻壓力傳感器技術，具有較高的精度和線性度,以及長期穩定性和高EMC魯棒性?？蓽y量氣壓范圍為300～1 100 hPa，工作溫度范圍為-40～85 ℃，相對精度為±0.12 hPa(相當于±1 m)，傳感器功耗僅有2.7 μA。氣壓傳感器BMP280電路如圖7所示。

2工作模式

2.1實時監控模式

記錄儀可將需要實時監控的環境信息(如溫度、氣壓等)記在Flash中，駕駛員手機可自動讀取并顯示數據，同時將數據通過運營商網絡發送到服務器。如超過預定值可通過聲音震動等形式提醒。

2.2突發記錄模式

有時限于運輸時間太長，無法將數據全部記錄在Flash中，傳感器控制器可將超過某一閾值的數據記錄，等到達目的地后再通過手機或其他設備讀取，只要保證物品安全送達即可。

3軟件設計

軟件開發包括兩個部分：手持終端和遠程監控軟件。手持終端采用IAR Embedded Workbench for 8051嵌入式集成開發環境，開發語言為C語言。遠程監控軟件采用北京三維力控的組態軟件ForceControl6.0進行開發。算法如下：

① 選擇運輸產品的種類以及需要監測的參數，并設置各參數量的閥值(上限、下限值)，保存至Flash閃存；

② 各傳感器采集現場環境的參數，采樣時間間隔為1 min，將采集的數據保存在Flash閃存；

③ CC2640的ARM處理器讀取Flash閃存中的數據，分析處理各參數量是否超出預先設置的閥值，如果超出，則進行報警發送和短信提示，通過提醒駕駛員或工作人員來調整參數量，使之處于設定的閥值以下；如果沒有超出，則通過藍牙發送數據至手持終端，隨后進入休眠省電狀態，下一次發送數據時利用定時中斷進行喚醒；

④ 駕駛員使用專用手持終端實時顯示各參數量，并通過網絡把數據發送至遠程監控端，遠程監控服務器實時接收數據，實現數據的儲存管理、實時曲線顯示、歷史數據查詢等功能；

⑤ 如果手持終端數據無法顯示，則等待兩個采樣周期2 min，若仍無接收數據，系統自動復位。

軟件程序流程如圖8所示。

圖8　程序流程

4測試與總結

選擇廣州某農產品物流配送企業開展測試，配送產品為可食性蔬菜西蘭花，運輸時間為45 min。為保證西蘭花的新鮮程度，在配送前用保鮮薄膜密封裝袋，采用冷藏車運輸，車廂初始溫度為1 ℃，相對濕度為95%。影響西蘭花品質的重要參數是溫度和濕度，因此選擇監測參數為溫度和濕度，設置溫度下限為0 ℃，上限為2 ℃，相對濕度下限為90%、上限為98%。監測數據曲線如圖9所示。

圖9　溫度和相對濕度監測曲線

參考文獻

[1] 王玉俠.我國農產品冷鏈物流存在的問題及對策[J].物流工程與管理,2011,33(3):80-84.

[2] 董冬.農產品冷鏈物流中的質量安全監控機制研究[D].杭州：浙江工業大學,2014.

[3] 李忠誠,郄海拓.農產品冷鏈物流研究進展[J].安徽農業科學,2014,42(13):4062-4064.

[4] 楊娜.生鮮冷鏈物流產品質量風險預警體系研究[J].價值工程,2015(19):232-233.

[5] 李玉婷,何靜.農產品冷鏈物流質量安全管理研究[J].中國漁業經濟,2015(4):72-78.

[6] 馬婷,李芳,單大亞.基于物聯網技術的食品冷鏈物流跟蹤及追溯問題研究[J].上海理工大學學報, 2013,35(6):557-562.

[7] 肖新清,齊林,張雷,等.面向鮮食葡萄冷鏈物流的無線實時監測系統[J].電子技術應用,2013,39(8):77-83.

[8] 主保玉,江朝暉,楊春合,等.冷鏈物流車廂微環境感知與調控系統設計[J].安徽農業科學,2015，43(3):374-376.

[9] 王曉思,崔肖敏,劉佳.RFID技術在生鮮電商冷鏈物流安全監控中的應用研究[J].安徽農業科學,2014，42(17):5691-5694.

[10] 畢思遠,李金峰,徐臻,等.無線傳感器網絡在食品冷鏈物流監控中的應用研究[J].安徽農業科學,2014，42(22):7553-7613.

江偉(講師)，主要研究方向為交通信息工程及控制。

(責任編輯：楊迪娜收修改稿日期：2015-12-29)

不僅如此，用戶也可以隨時獲取到服務器上的數據，讓用戶可以隨時隨地查看到燈的狀態，方便用戶實時控制。本項目是通過服務器作為中介進行傳輸和控制的。

結語

[1] 宋艷霞.基于ZigBee的智能照明設備控制系統設計[D].太原:中北大學,2013.

[2] 張啟明.基于ZigBee的智能照明系統的設計[D].武漢:武漢理工大學,2010.

[3] 盧娜.基于 Android 平臺的手機桌面資訊系統的設計與實現[M].西安：西安電子科技大學，2011:290-300.

[4] 高煥堂.Google Android 應用框架原理與程序設計[EB/OL].[2016-01].http:www.docin.com.

[5] 馮燕奎,趙德奎.JSP實用案例教程[M].北京：清華大學出版社,2004:70-100.

[6] 孫鑫.Java Web開發詳解[M].北京：電子工業出版社，2006：189-274.

[7] 柴淑娟,趙建平.基于ZigBee技術的無線數據傳輸系統[J].通信技術,2010,8(34):30-34．

[8] 徐敬東,趙文耀,李淼，等.基于ZigBee的無線傳感器網絡設計[J].計算機工程, 2010,36(10):110-112.

Safety Monitor Design of Cold Chain Logistics Transportation of Agricultural Products

Jiang Wei

(Guangdong Communication Polytechnic,Guangzhou 510650,China)

Abstract：The safety monitoring of the cold chain logistics is an important link to ensure the quality and safety of agricultural products.A kind of cold chain logistics transportation safety monitor for agricultural products is designed,which takes the CC2650 Bluetooth chip as the main controller,and adds many external sensors.The monitor can detect the temperature,humidity,air pressure,light,collision,bumps and other parameters of the agricultural products transportation environment,and it is connected the hand-held terminal to display the data,and then transmits the data to the remote monitoring terminal through the network.The monitoring instrument can carry out real-time,effective monitoring of the agricultural products cold chain logistics transportation,and ensure the quality of agricultural products.

Key words:cold chain logistics;quality monitoring;Bluetooth

中圖分類號:TP391.4

文獻標識碼:A

收稿日期：(責任編輯：楊迪娜2016-01-08)