基于嵌入式技術的茶葉智能保鮮裝置的設計與實現

吳 琦,賴冬寅

(四川工商職業技術學院,四川都江堰 611830)

我國茶葉物流配送普遍存在成本較高、效率不足、運輸損耗較大等問題[1],特別是缺乏有效的信息化智能保鮮裝置,從而導致茶葉銷售末端品質有所下降。目前嵌入式技術發展迅猛,如果我們能在嵌入式技術的應用下設計一套能實時監控茶葉保鮮信息的智能裝置,就有助于減少茶葉銷售末端品質下降的數量,有效延長茶葉品質的保持時間。

1 茶葉保鮮技術的特點

茶作為一種綠色植物飲品,在某種程度上和綠色蔬菜一樣具有不易存貯、變質迅速的特點,而影響茶葉品質與保鮮的因素主要是自然環境中的溫度、濕度與光照[2]。茶葉在高溫情況下會加速氧化,從而導致茶葉在色、香、味、形的發生較大變化,嚴重影響茶葉的品質,因此茶葉對貯藏環境的溫度有特定需求,一般在0～10°C范圍內為宜。由于茶葉吸濕性強,當茶葉有效貯藏的含水量大于10%后,茶葉的品質將會下降[3],因此需要保證貯藏環境的濕度長期控制在10%以內。而光照會促進茶葉的多酚類等多種物質的降解,加速茶葉的陳化速度,因此貯藏環境避光處理的情況將會影響茶葉保鮮的時間。

2 茶葉智能保鮮裝置的硬件設計

2.1 整體架構設計

結合茶葉保鮮技術的特點和保鮮裝置在運輸和貯藏過程的應用,茶葉智能保鮮裝置的設計不僅需要滿足嚴格的控溫、控濕、避光,而且還需要具備能根據實際應用的環境進行動態調節的功能、具備茶葉實時保鮮信息的遠程監控功能,并且還要保證裝置既能在普通家用貯藏條件下正常工作,又能在車載運輸環節中正常工作。因此,茶葉智能保鮮裝置的整體架構設計上主要由核心處理系統、供電電路、溫度檢測及控制電路、濕度檢測及報警電路、環境條件的檢測電路、遠程實時監控電路和外觀設計共7個部分組成。

2.2 核心處理器的選擇

根據茶葉智能保鮮裝置的設計目標,綜合成本和處理器芯片的性能,茶葉智能保鮮裝置的核心處理器選擇意法半導體公司的高性能嵌入式芯片STM32F767IGT6,該芯片內核為32位的ARM Cortex-M7,最高處理速度可達216MHz,有1MB的閃存空間,帶USB2.0、CAN、SPI等多種通信接口,帶3個24通道12位分辨率的模數轉換模塊,轉換速度最高可達2.4MSPS,僅需要1個芯片就能完全支撐茶葉智能保鮮裝置的數據處理工作。

2.3 供電電源的設計

根據茶葉智能保鮮裝置在運輸和貯藏過程的需求特點,家用貯藏一般采用交流220V供電,而承載茶葉運輸的車輛電源主要有直流12V和直流24V兩大類,因此保鮮裝置的供電一共設計了2大輸入接口,1個接口用于連接普通家用220V交流電源,另一個接口用于連接運輸車輛的12V～24V寬范圍直流電源。供電電路實現將輸入的電源轉換為3組供電電路輸出,分別是：為溫度和濕度控制電路供電的直流12V輸出,為檢測電路供電的直流5V輸出,為核心處理系統供電的直流1.7V至3.6V可調電壓的電路輸出。

2.4 溫度檢測及控制電路的設計

為實現茶葉貯藏溫度的實時動態調節,保鮮裝置分別采用了2組溫度檢測電路,分別對環境溫度和裝置內部溫度進行檢測。其中,溫度傳感器采用數字式的DS18B20,檢測精度可達到0.125℃,常規檢測范圍-10℃～85℃,能滿足茶葉貯藏溫度的檢測需求。

茶葉貯藏溫度的控制方式主要采用半導體制冷方式+內風機循環系統進行,其中,半導體制冷片通過改變導通電流的大小,可實現溫度的無極調節；內風機的加入可實現裝置內部溫度的均衡化。為達到裝置長期持續保溫節能的效果,裝置內壁和外壁之間還需要加入保溫隔熱材料,形成保溫層,以便保證茶葉的貯藏溫度長期控制在0～10℃。

2.5 濕度檢測及報警電路的設計

由于茶葉貯藏濕度要求在10%以內,因此濕度檢測采用SENSIRION公司的數字濕度傳感器SHT31-DIS-B,該濕度傳感器檢測范圍為0%至100%,檢測精度為±2%,能滿足茶葉貯藏濕度的檢測要求。

茶葉智能保鮮裝置的濕度處理主要采用干燥劑進行,隨著使用時間的增長,干燥劑將會逐步失效,因此設計濕度報警電路,當濕度檢測電路檢測到保鮮裝置內部濕度達到茶葉貯藏濕度的設定臨界值時,將會啟動報警電路提示更換干燥劑。

2.6 遠程實時監控電路的設計

根據茶葉智能保鮮裝置的使用場景,茶葉在運輸和長期貯藏過程中需要實時監控貯藏情況,因此需要設計遠程實時監控電路。遠程實時監控電路主要采用GPS和GPRS兩大模塊實現。其中,茶葉實時監控過程的主要涉及溫濕度、透光情況、工作狀態等信息,由于數據信息量有限,因此GPRS模塊采用2.5G網絡通信技術的SIM800A模塊,就可實現茶葉貯藏信息的無線上傳；而GPS模塊采用瑞士U-BLOX公司的車載GPS模塊NEO-7N,該模塊為串口信號輸出,主要用于茶葉智能保鮮裝置在隨車運輸過程中的精確定位。

3 茶葉智能保鮮裝置的軟件設計

茶葉智能保鮮裝置的軟件設計,分為下位機軟件設計和上位機軟件設計。下位機主要涉及裝置的溫度動態調節、濕度檢測及報警、無線遠程實時監控、電源智能化管理、HMI人機交互等設計內容,上位機主要涉及網絡通信接口程序、后臺監控軟件、裝置運行數據庫、遠程網站監控平臺的設計。

3.1 下位機溫度動態調節程序設計

鑒于茶葉智能保鮮裝置在運輸環節中也可使用,需要進行節能化的設計,因此下位機主要工作之一就是實現溫度動態調節。通過檢測裝置內外的溫度,分析對比,設定溫度調節的滯回范圍,并根據外部環境溫度、內部貯藏溫度、裝置尺寸,實時自動調節半導體制冷片的導通時間和導通電流大小,分段控制內部風循環電機的工作時間和工作狀態,以此實現茶葉貯藏環境溫度動態調節的最佳節能效果。

3.2 下位機無線遠程通信程序設計

茶葉智能保鮮裝置不是單個獨立存在的,管理者需要同時監控成百上千個裝置的實時運行狀態,因此在裝置無線遠程通信的程序設計上,主要是無線通信協議的設計,包括了裝置ID的設定,溫度、濕度、光照度、半導體制冷片工作電流、風機工作狀態等信息的數據形式,裝置所在位置,數據長度、命令字、校驗碼等多項內容,其中不同裝置的識別主要根據裝置ID號,而校驗方式則采用CRC校驗。

3.3 上位機監控接口軟件及數據庫設計

上位機監控接口軟件采用PHP語言編程,主要實現分時提取每個裝置上傳的各組信息并對信息進行分類存儲處理,工作主要流程包括了：初始化通信接口、配置通信參數、實時查詢接收通信數據包、按照通信協議判斷數據包的正確性和完整性、如果數據包正確就進一步按照通信協議提取裝置相關等信息,并分類存儲入數據庫。

數據庫采用SQL Server 2008進行開發,主要由客戶信息數據表、茶葉溯源數據表、裝置運行狀態數據表、銷售及運輸進程采集數據表等4類主要數據表格組成,用于保存和更新茶葉客戶信息、茶葉溯源信息、裝置的運行和控制狀態信息以及茶葉銷售過程中的進程信息。

3.4 上位機監控網站設計

上位機監控網站,主要用于管理、調配和遠程實時控制茶葉智能保鮮裝置,可設定管理權限,界面顯示內容根據管理權限進行細分。以區域普通管理者為例,主要包括了注冊登錄頁面、區域裝置統計頁面、裝置實時位置顯示頁面、裝置工作狀態頁面、裝置運輸行程頁面、裝置內茶葉溯源頁面、茶葉銷售統計頁面等7大部分。裝置實時位置顯示頁面主要顯示所查詢的單個裝置的實時位置,與裝置運輸行程頁面相配合能對茶葉運輸進程進行實時監控和預測；裝置工作狀態頁面主要包括：環境溫度和濕度、裝置內部溫度和濕度、透光度、裝置運行數據等；裝置內茶葉溯源頁面主要顯示所查詢的裝置內茶葉的類型、原產地、加工時間以及銷售過程中的相關信息等。

4 結束語

結合茶葉保鮮技術有關要素的要求,采用嵌入式技術對茶葉智能保鮮裝置進行系統設計,基本能達到預期效果,并且在實際應用中,還可以深入挖掘茶葉保鮮技術和數據,使得智能保鮮裝置能針對不同品種的茶葉、不同時期的茶葉、不同加工工藝的茶葉等進行分析和保鮮的細分處理,有利于更進一步的細分茶葉市場。

[1]張玉玲.茶產品在物流配送中車輛路徑問題研究 [J].福建茶葉,2017(8):39-40

[2]郭淼，王桂楨.茶葉加工過程中速冷處理對茶葉品質和保鮮效果的影響[J].福建茶葉,2016(6):14-15

[3]劉本英，周紅杰，王平盛，等．茶葉灰分和水分與品質關系[J].熱帶農業科技，2007(3):22-26．