基于無線網絡的農產品冷鏈物流溫度監測系統研究

馮雙林,程麗紅

(廣西工業職業技術學院,南寧 530003)

0 引言

農產品在冷鏈物流運輸過程中,質量容易受到環境溫度變化而帶來的品質損失,而溫度變化一般會在儲藏、裝卸和運輸中產生。冷庫、物流運輸車和冷凍箱的溫度檢測是整個行業的熱點問題。若農產品保存環境溫度變化超過規定范圍,便會給整個產業鏈造成巨大損失。因此,設計一套工作穩定的冷鏈物流溫度監測系統顯得尤為重要。

1 農產品冷鏈物流溫度監控的必要性

為了確保農產品在售賣時的品質,在完成采摘加工后需要馬上放入冷庫進行冷藏,并對整個儲藏、裝卸和運輸中的環境溫度進行實時監測,方便消費者對購買的農產品進行溯源。每種農產品在不同環境下的保鮮度差異較大,具體如表1所示。

表1 不同環境下農產品的保鮮時間Table 1 The preservation time of agricultural products in different environments 天

由表1可看出:農產品在不同環境下的保鮮時間差別很大,因此在產品采摘后的幾個小時就應該完成冷鏈存儲,以保證農產品的新鮮度。

2 農產品冷鏈物流溫度監測系統總體設計

2.1 系統總體需求分析

作為一種特別的供應鏈物流,冷鏈運輸可以保證農產品的新鮮度,便于后續消費者進行信息溯源查詢。冷鏈物流溫度監測系統包括監控中心、運輸車輛和GPRS無線網絡等多個部分,架構如圖1所示。

圖1 冷鏈物流溫度監測系統架構圖Fig.1 The structure diagram of cold chain logistics temperature monitoring system

該監控系統主要是為了保證農產品的質量,并實現農產品信息的追溯,故需要對農產品在冷鏈運輸過程中的溫度信息進行實時采集;對數據進行處理后,還需要傳給車載終端進行實時顯示,并傳送給監控中心實現遠程監控管理。

2.2 系統總體架構設計

設計的農產品冷鏈物流溫度監測系統主要包括ZigBee網絡、冷鏈運輸車控制單元和監控中心3個部分,如圖2所示。其中,冷鏈運輸車控制單元和監控中心之間采用GPRS無線網絡進行通信。

圖2 溫度監測系統整體架構Fig.2 The overall structure of temperature monitoring system

農產品冷鏈物流溫度監測系統的原理為:基于ZigBee的無線網絡利用終端節點對冷鏈運輸車各個位置的環境溫度進行采集,再經過路由節點匯總后傳送給控制單元的ZigBee協調器;車載控制單元的主控模塊對ZigBee協調器傳輸的數據進行顯示、保存,且經過封裝后通過GPRS無線網絡傳給監控中心;監控中心收到冷鏈運輸車控制單元發送過來的溫度數據包,進行解包處理后存入數據庫,以方便后續購買者進行信息溯源查詢。整個系統的運行過程中如圖3所示。

圖3 溫度監測系統整體運行過程Fig.3 The overall operation process of temperature monitoring system

2.3 系統整體功能設計

農產品冷鏈物流溫度監測系統各模塊功能配置如圖4所示。

圖4 溫度監測系統各模塊功能配置Fig.4 The functional configuration of each module of temperature monitoring system

1)ZigBee無線網絡功能:對運輸車輛各個方位的溫度數據進行實時檢測,并經過ZigBee的路由節點傳送給車載控制單元。

2)冷鏈運輸車控制單元主要功能為:

(1)溫度數據實時監控:冷鏈運輸車控制單元接收ZigBee路由節點的數據信息,并對溫度數據進行實時顯示和存儲,方便司機實時了解冷凍箱溫度狀況,也可以為GPRS無線網絡的數據傳輸做好準備。

(2)溫度數據存儲:在GPRS無線網絡信號差時,可能無法及時將溫度數據傳給后臺監控中心,需要控制單元能夠將這段時間的溫度數據保存下來,在網絡正常后再發送出去。

(3)GPRS無線網絡:在通信網絡覆蓋情況下,將實時的溫度數據傳送給后臺監控信息,也可以接收監控中心發送給的控制命令。

(4)溫度異常報警:在接收的溫度出現異常(如溫度超過設定值)時,控制單元會發出警報通知司機,同時也會發送給監控中心。

3)監控中心的主要功能:在監控界面實時顯示車輛的溫度信息,方便對冷鏈運輸車溫度狀態進行監控,并將信息保存到數據庫;發現收到的溫度信息異常時,根據實際情況進行處理,并聯系冷鏈運輸車司機,對車輛狀態進行進一步的了解和處理。

2.4 系統硬件方案設計

設計的多點測溫傳感器網絡采用單總線,ZigBee路由節點通過單總線和多個溫度傳感器連接在一起,以實現多測溫節點和ZigBee路由節點的通信,從而實現冷鏈溫箱內部的多點測溫。多點測溫傳感器網絡如圖5所示。

圖5 多點測溫傳感器網絡Fig.5 Multipoint temperature sensor network

從理論上講,1條總線可以掛載多個溫度傳感器;但隨著總線上器件的增加,可能導致ZigBee路由節點總線驅動能力不足,出現數據丟失的情況。因此,根據實際情況,在冷鏈溫箱內部設置了6個溫度傳感器,其分布情況如圖6所示。

圖6 冷鏈溫箱內部溫度傳感器網絡Fig.6 The internal temperature sensor network of cold chain temperature box

3 農產品冷鏈物流溫度監測系統硬件設計

3.1 溫度監測系統硬件架構

車載控制單元是農產品冷鏈物流溫度監測系統的核心,其主要負責溫度數據的收發、保存和遠程傳輸,是GPRS無線傳輸、ZigBee無線網絡和微處理器結合的平臺,其硬件整體架構如7所示。

圖7 溫度監測系統硬件整體架構圖Fig.7 The overall hardware architecture of temperature monitoring system

3.2 溫度傳感器電路設計

目前,溫度監測的傳感器種類繁多,冷鏈溫度監測范圍比較廣,要求能夠測量負溫。為了保證測試過程中的精度,結合實際應用需求,采用DS1820溫度傳感器對冷鏈溫箱內部溫度進行監測。DS1820溫度傳感器最高分辨率為12位,測量范圍為-10～+85°C,測量精度為±0.5°C,其干擾因素比較小,適合環境惡劣的現場測量,常應用于工業系統。其電路原理圖如圖8所示。

圖8 DS1820電路原理圖Fig.8 DS1820 circuit schematic diagram

3.3 ZigBee無線傳感模塊

采用ZigBee無線網絡實現車載控制單元和冷鏈溫箱內部傳感器之間的數據傳輸。在選擇無線傳感器時,為了讓系統簡單,采用了內置微處理器和ZigBee模塊的CC2430芯片。該芯片片上資源豐富,只需要加上少量的外圍器件,便可以實現數據的收發。CC2430電路原理如圖9所示。

圖9 CC2430電路原理圖Fig.9 CC2430 circuit schematic diagram

4 冷鏈溫箱溫度采集試驗

為了驗證農產品冷鏈物流溫度監測系統的系統的準確性,將設計系統裝載到一臺冷鏈物流車上。車內溫度設置為3℃,允許±2℃的偏差,超過這個范圍便會發生報警。車載控制單元的應用程序采用QT開發,可以實時顯示冷鏈溫箱內部溫度。冷鏈溫箱溫度采集數據如圖10所示。

圖10 冷鏈溫箱溫度采集數據Fig.10 The temperature acquisition data of cold chain incubator

圖10中,點擊“詳細數據”后,便可以實時看到冷鏈溫箱6個溫度檢測點的數據,說明車載單元和冷鏈溫箱溫度檢測模塊通信正常。

為了驗證該系統對超溫后的報警功能,將某一個溫度傳感器用打火機烤了一會,而車載控制單元檢測到超溫后,便會每隔5s彈出報警串口,提供操作人員,如圖11所示。由此驗證了車載控制單元對溫度異常時的報警功能。

圖11 溫度異常的報警測試Fig.11 Alarm test of abnormal temperature

5 結論

采用GPRS網絡和ZigBee無線網絡設計了農產品冷鏈物流溫度監測系統,可實現對冷鏈溫箱溫度的實時監測。為了驗證系統的準確性和可靠性,將該系統裝載到一臺冷鏈物流車上進行了實際的測試。結果表明:系統可以實時顯示冷鏈溫箱內部溫度,且能對異常溫度進行報警。