农产品冷链物流运输的安全监测仪设计

江　伟

(广东交通职业技术学院，广州 510650)

农产品冷链物流运输的安全监测仪设计

江伟

(广东交通职业技术学院，广州 510650)

摘要:农产品冷链物流运输的安全监控是保证其质量安全的重要环节。本文以CC2650蓝牙芯片为主控制器，外接多个传感器，设计了一种农产品冷链物流运输安全监测仪。该监测仪可以监测农产品运输环境的温度、湿度、气压、光照、碰撞、颠簸等参数，连接手持终端后显示数据，通过网络把数据传送给远程监控端。经测试，该监测仪可对农产品冷链物流运输进行实时、有效的监控，提高农产品运输质量。

关键词:冷链物流；质量监测；蓝牙

引言

随着物流业的快速发展，物品在运输途中的安全性越来越受到重视[1]。冷链物流由农产品生产、冷冻贮藏、加工包装、冷冻运输、上市销售直到消费的各个环节构成，是一项十分复杂的低温系统工程，而冷链物流的核心就是确保各环节质量安全问题[2]。目前，我国农产品冷链物流存在整体规划欠缺、法律法规和标准体系建设滞后、基础设施薄弱、运营成本高、专业人才缺乏、信息网络不完善等问题[3-5]。如何加强冷链物流运输途中农产品的实时监控，是保证其质量安全的重要环节。

在农产品冷链物流运输中，需要全程对温度以及在运输途中暴力分拣、碰撞、拆箱等进行监测，防止发生变质，确保农产品质量安全。目前主要采用的控制手段是通过纸质证书、密封标识和车载车厢温度记录仪相结合的手段来保证冷链物流中温度的控制和食品品质的监控，而这些监管手段均存在一定的缺陷。参考文献[6]结合无线射频识别技术(RFID)和无线传感网络技术(WSN)，构建了一个冷链物流跟踪及追溯系统，实现对冷藏食品的实时监控，确保食品安全。参考文献[7]以ZigBee协议为基础，围绕CC2530型无线传感片上系统，设计了一种面向鲜食葡萄冷链物流的无线实时监测系统，能够稳定、准确地监测环境温度、湿度等关键参数的变化。参考文献[8]研制了一种应用于冷链物流的车厢微环境感知与调控系统，该系统性能良好。

本文以蓝牙芯片CC2650为基础，外接多个传感器，设计了一种农产品冷链物流运输安全监测仪。该监测仪通过传感器可以侦测运输环境的温度、湿度、气压、光照、碰撞、颠簸等信息，并记录在内部存储器中；驾驶员使用手持终端，通过蓝牙连接安全监测仪，将状态信息和地理位置信息实时传输到服务器；公司后台可实时监控运输状态，必要时可采取措施减少经济损失，并为事后责任划分提供依据。

1硬件设计

该系统由4个模块组成：CC2650模块、传感器模块、电源模块、通信模块。CC2650内含 32 位 ARM Cortex-M3处理器核，工作频率为 48 MHz。传感器主要有温/湿度传感器、运动传感器、光传感器和气压传感器，分别用来侦测运输环境的温度、湿度、气压、光照、碰撞、颠簸等信息。电源模块采用微型锂电池供电，使用寿命可长达数年。CC2650通过2.4 GHz天线与外部终端设备实现通信，驾驶员利用手持终端可查看监控信息，如图1所示。

图1　硬件结构框图

1.1主控芯片及存储器

1.1.1主控芯片

主控芯片采用低功耗蓝牙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 远程控制应用的超低功耗无线微控制器平台。其内含一个强大的32 位 ARM Cortex-M3处理器核，与主处理器工作频率同为 48 MHz；具有丰富的外设功能集，包括一个独特的超低功耗传感器控制器，适用于在系统处于休眠模式时连接外部传感器和自主采集模拟和数字数据。其电路如图2所示。

图2　CC2650蓝牙通信

1.1.2存储器(Flash)

图3　存储器W25Q16DW

选用华邦电子公司生产的Flash型号W25Q16DW，用于存储传感器数据。W25Q16DW支持标准的串行外设接口( SPI )，双/四通道I/O SPI以及2时钟指令周期，4路外设接口(QPI)，支持50 MBPS的连续数据传输，超过100 000次可擦写/编程。其存储器如图3所示。

1.2传感器

1.2.1温/湿度传感器

图4　温/湿度传感器HDC1000

选用TI公司型号为HDC1000的温/湿度传感器，检测运输环境的温度和湿度。HDC1000 是一款集成型温度和湿度的传感器，可在超低功耗下提供出色的测量精度。该传感器是基于新型电容式传感器来进行测量，具有14位测量分辨率，可检测相对湿度 (RH) 范围为 0～100%，相对湿度精度为 ±3%，检测温度为 -40～125 ℃，温度精度为±0.2 ℃。HDC1000型温/湿度传感器如图4所示。

1.2.2运动传感器

选用型号为MPU6050的6轴运动传感器，检测运输中是否产生碰撞、颠簸。MPU6050为整合性6轴运动处理组件，其整合了3轴陀螺仪、3轴加速器，分别用了3个16位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。为了精确跟踪快速和慢速的运动，传感器的测量范围用户可控。角速度感测范围为±250、±500、±1 000与±2 000 °/sec (dps)，加速度感测范围为±2 g、±4 g、±8 g、±10 g。6轴运动传感器MPU6050如图5所示。

图5　6轴运动传感器MPU6050

1.2.3光传感器

选用TI公司的光传感器OPT3001，检测包装是否被打开。OPT3001 传感器用于测量可见光的密度，采用精密光学过滤可阻隔 99%(典型值)以上的红外线 (IR)。测量范围为0.01～83k lux，且内置有满量程设置功能，无需手动选择满量程范围，允许在23位有效动态范围内进行光测量。

图6　光传感器OPT3001

该传感器兼具低功耗和低电源电压特性，操作灵活，测量既可连续进行,也可单次触发，控制和中断系统可自主操作，允许处理器进入休眠状态。光传感器OPT3001如图6所示。

1.2.4气压传感器

图7　气压传感器BMP280

选用气压传感器BMP280，检测受压状况。BMP280是基于博世公司的压阻压力传感器技术，具有较高的精度和线性度,以及长期稳定性和高EMC鲁棒性。可测量气压范围为300～1 100 hPa，工作温度范围为-40～85 ℃，相对精度为±0.12 hPa(相当于±1 m)，传感器功耗仅有2.7 μA。气压传感器BMP280电路如图7所示。

2工作模式

2.1实时监控模式

记录仪可将需要实时监控的环境信息(如温度、气压等)记在Flash中，驾驶员手机可自动读取并显示数据，同时将数据通过运营商网络发送到服务器。如超过预定值可通过声音震动等形式提醒。

2.2突发记录模式

有时限于运输时间太长，无法将数据全部记录在Flash中，传感器控制器可将超过某一阈值的数据记录，等到达目的地后再通过手机或其他设备读取，只要保证物品安全送达即可。

3软件设计

软件开发包括两个部分：手持终端和远程监控软件。手持终端采用IAR Embedded Workbench for 8051嵌入式集成开发环境，开发语言为C语言。远程监控软件采用北京三维力控的组态软件ForceControl6.0进行开发。算法如下：

① 选择运输产品的种类以及需要监测的参数，并设置各参数量的阀值(上限、下限值)，保存至Flash闪存；

② 各传感器采集现场环境的参数，采样时间间隔为1 min，将采集的数据保存在Flash闪存；

③ CC2640的ARM处理器读取Flash闪存中的数据，分析处理各参数量是否超出预先设置的阀值，如果超出，则进行报警发送和短信提示，通过提醒驾驶员或工作人员来调整参数量，使之处于设定的阀值以下；如果没有超出，则通过蓝牙发送数据至手持终端，随后进入休眠省电状态，下一次发送数据时利用定时中断进行唤醒；

④ 驾驶员使用专用手持终端实时显示各参数量，并通过网络把数据发送至远程监控端，远程监控服务器实时接收数据，实现数据的储存管理、实时曲线显示、历史数据查询等功能；

⑤ 如果手持终端数据无法显示，则等待两个采样周期2 min，若仍无接收数据，系统自动复位。

软件程序流程如图8所示。

图8　程序流程

4测试与总结

选择广州某农产品物流配送企业开展测试，配送产品为可食性蔬菜西兰花，运输时间为45 min。为保证西兰花的新鲜程度，在配送前用保鲜薄膜密封装袋，采用冷藏车运输，车厢初始温度为1 ℃，相对湿度为95%。影响西兰花品质的重要参数是温度和湿度，因此选择监测参数为温度和湿度，设置温度下限为0 ℃，上限为2 ℃，相对湿度下限为90%、上限为98%。监测数据曲线如图9所示。

图9　温度和相对湿度监测曲线

参考文献

[1] 王玉侠.我国农产品冷链物流存在的问题及对策[J].物流工程与管理,2011,33(3):80-84.

[2] 董冬.农产品冷链物流中的质量安全监控机制研究[D].杭州：浙江工业大学,2014.

[3] 李忠诚,郄海拓.农产品冷链物流研究进展[J].安徽农业科学,2014,42(13):4062-4064.

[4] 杨娜.生鲜冷链物流产品质量风险预警体系研究[J].价值工程,2015(19):232-233.

[5] 李玉婷,何静.农产品冷链物流质量安全管理研究[J].中国渔业经济,2015(4):72-78.

[6] 马婷,李芳,单大亚.基于物联网技术的食品冷链物流跟踪及追溯问题研究[J].上海理工大学学报, 2013,35(6):557-562.

[7] 肖新清,齐林,张雷,等.面向鲜食葡萄冷链物流的无线实时监测系统[J].电子技术应用,2013,39(8):77-83.

[8] 主保玉,江朝晖,杨春合,等.冷链物流车厢微环境感知与调控系统设计[J].安徽农业科学,2015，43(3):374-376.

[9] 王晓思,崔肖敏,刘佳.RFID技术在生鲜电商冷链物流安全监控中的应用研究[J].安徽农业科学,2014，42(17):5691-5694.

[10] 毕思远,李金峰,徐臻,等.无线传感器网络在食品冷链物流监控中的应用研究[J].安徽农业科学,2014，42(22):7553-7613.

江伟(讲师)，主要研究方向为交通信息工程及控制。

(责任编辑：杨迪娜收修改稿日期：2015-12-29)

不仅如此，用户也可以随时获取到服务器上的数据，让用户可以随时随地查看到灯的状态，方便用户实时控制。本项目是通过服务器作为中介进行传输和控制的。

结语

[1] 宋艳霞.基于ZigBee的智能照明设备控制系统设计[D].太原:中北大学,2013.

[2] 张启明.基于ZigBee的智能照明系统的设计[D].武汉:武汉理工大学,2010.

[3] 卢娜.基于 Android 平台的手机桌面资讯系统的设计与实现[M].西安：西安电子科技大学，2011:290-300.

[4] 高焕堂.Google Android 应用框架原理与程序设计[EB/OL].[2016-01].http:www.docin.com.

[5] 冯燕奎,赵德奎.JSP实用案例教程[M].北京：清华大学出版社,2004:70-100.

[6] 孙鑫.Java Web开发详解[M].北京：电子工业出版社，2006：189-274.

[7] 柴淑娟,赵建平.基于ZigBee技术的无线数据传输系统[J].通信技术,2010,8(34):30-34．

[8] 徐敬东,赵文耀,李淼，等.基于ZigBee的无线传感器网络设计[J].计算机工程, 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

中图分类号:TP391.4

文献标识码:A

收稿日期：(责任编辑：杨迪娜2016-01-08)