基于嵌入式技术的茶叶智能保鲜装置的设计与实现

2018-01-19赖冬寅

福建茶叶 2018年4期

吴琦,赖冬寅

(四川工商职业技术学院,四川都江堰 611830)

我国茶叶物流配送普遍存在成本较高、效率不足、运输损耗较大等问题[1],特别是缺乏有效的信息化智能保鲜装置,从而导致茶叶销售末端品质有所下降。目前嵌入式技术发展迅猛,如果我们能在嵌入式技术的应用下设计一套能实时监控茶叶保鲜信息的智能装置,就有助于减少茶叶销售末端品质下降的数量,有效延长茶叶品质的保持时间。

1 茶叶保鲜技术的特点

茶作为一种绿色植物饮品,在某种程度上和绿色蔬菜一样具有不易存贮、变质迅速的特点,而影响茶叶品质与保鲜的因素主要是自然环境中的温度、湿度与光照[2]。茶叶在高温情况下会加速氧化,从而导致茶叶在色、香、味、形的发生较大变化,严重影响茶叶的品质,因此茶叶对贮藏环境的温度有特定需求,一般在0～10°C范围内为宜。由于茶叶吸湿性强,当茶叶有效贮藏的含水量大于10%后,茶叶的品质将会下降[3],因此需要保证贮藏环境的湿度长期控制在10%以内。而光照会促进茶叶的多酚类等多种物质的降解,加速茶叶的陈化速度,因此贮藏环境避光处理的情况将会影响茶叶保鲜的时间。

2 茶叶智能保鲜装置的硬件设计

2.1 整体架构设计

结合茶叶保鲜技术的特点和保鲜装置在运输和贮藏过程的应用,茶叶智能保鲜装置的设计不仅需要满足严格的控温、控湿、避光,而且还需要具备能根据实际应用的环境进行动态调节的功能、具备茶叶实时保鲜信息的远程监控功能,并且还要保证装置既能在普通家用贮藏条件下正常工作,又能在车载运输环节中正常工作。因此,茶叶智能保鲜装置的整体架构设计上主要由核心处理系统、供电电路、温度检测及控制电路、湿度检测及报警电路、环境条件的检测电路、远程实时监控电路和外观设计共7个部分组成。

2.2 核心处理器的选择

根据茶叶智能保鲜装置的设计目标,综合成本和处理器芯片的性能,茶叶智能保鲜装置的核心处理器选择意法半导体公司的高性能嵌入式芯片STM32F767IGT6,该芯片内核为32位的ARM Cortex-M7,最高处理速度可达216MHz,有1MB的闪存空间,带USB2.0、CAN、SPI等多种通信接口,带3个24通道12位分辨率的模数转换模块,转换速度最高可达2.4MSPS,仅需要1个芯片就能完全支撑茶叶智能保鲜装置的数据处理工作。

2.3 供电电源的设计

根据茶叶智能保鲜装置在运输和贮藏过程的需求特点,家用贮藏一般采用交流220V供电,而承载茶叶运输的车辆电源主要有直流12V和直流24V两大类,因此保鲜装置的供电一共设计了2大输入接口,1个接口用于连接普通家用220V交流电源,另一个接口用于连接运输车辆的12V～24V宽范围直流电源。供电电路实现将输入的电源转换为3组供电电路输出,分别是：为温度和湿度控制电路供电的直流12V输出,为检测电路供电的直流5V输出,为核心处理系统供电的直流1.7V至3.6V可调电压的电路输出。

2.4 温度检测及控制电路的设计

为实现茶叶贮藏温度的实时动态调节,保鲜装置分别采用了2组温度检测电路,分别对环境温度和装置内部温度进行检测。其中,温度传感器采用数字式的DS18B20,检测精度可达到0.125℃,常规检测范围-10℃～85℃,能满足茶叶贮藏温度的检测需求。

茶叶贮藏温度的控制方式主要采用半导体制冷方式+内风机循环系统进行,其中,半导体制冷片通过改变导通电流的大小,可实现温度的无极调节；内风机的加入可实现装置内部温度的均衡化。为达到装置长期持续保温节能的效果,装置内壁和外壁之间还需要加入保温隔热材料,形成保温层,以便保证茶叶的贮藏温度长期控制在0～10℃。

2.5 湿度检测及报警电路的设计

由于茶叶贮藏湿度要求在10%以内,因此湿度检测采用SENSIRION公司的数字湿度传感器SHT31-DIS-B,该湿度传感器检测范围为0%至100%,检测精度为±2%,能满足茶叶贮藏湿度的检测要求。

茶叶智能保鲜装置的湿度处理主要采用干燥剂进行,随着使用时间的增长,干燥剂将会逐步失效,因此设计湿度报警电路,当湿度检测电路检测到保鲜装置内部湿度达到茶叶贮藏湿度的设定临界值时,将会启动报警电路提示更换干燥剂。

2.6 远程实时监控电路的设计

根据茶叶智能保鲜装置的使用场景,茶叶在运输和长期贮藏过程中需要实时监控贮藏情况,因此需要设计远程实时监控电路。远程实时监控电路主要采用GPS和GPRS两大模块实现。其中,茶叶实时监控过程的主要涉及温湿度、透光情况、工作状态等信息,由于数据信息量有限,因此GPRS模块采用2.5G网络通信技术的SIM800A模块,就可实现茶叶贮藏信息的无线上传；而GPS模块采用瑞士U-BLOX公司的车载GPS模块NEO-7N,该模块为串口信号输出,主要用于茶叶智能保鲜装置在随车运输过程中的精确定位。

3 茶叶智能保鲜装置的软件设计

茶叶智能保鲜装置的软件设计,分为下位机软件设计和上位机软件设计。下位机主要涉及装置的温度动态调节、湿度检测及报警、无线远程实时监控、电源智能化管理、HMI人机交互等设计内容,上位机主要涉及网络通信接口程序、后台监控软件、装置运行数据库、远程网站监控平台的设计。

3.1 下位机温度动态调节程序设计

鉴于茶叶智能保鲜装置在运输环节中也可使用,需要进行节能化的设计,因此下位机主要工作之一就是实现温度动态调节。通过检测装置内外的温度,分析对比,设定温度调节的滞回范围,并根据外部环境温度、内部贮藏温度、装置尺寸,实时自动调节半导体制冷片的导通时间和导通电流大小,分段控制内部风循环电机的工作时间和工作状态,以此实现茶叶贮藏环境温度动态调节的最佳节能效果。

3.2 下位机无线远程通信程序设计

茶叶智能保鲜装置不是单个独立存在的,管理者需要同时监控成百上千个装置的实时运行状态,因此在装置无线远程通信的程序设计上,主要是无线通信协议的设计,包括了装置ID的设定,温度、湿度、光照度、半导体制冷片工作电流、风机工作状态等信息的数据形式,装置所在位置,数据长度、命令字、校验码等多项内容,其中不同装置的识别主要根据装置ID号,而校验方式则采用CRC校验。

3.3 上位机监控接口软件及数据库设计

上位机监控接口软件采用PHP语言编程,主要实现分时提取每个装置上传的各组信息并对信息进行分类存储处理,工作主要流程包括了：初始化通信接口、配置通信参数、实时查询接收通信数据包、按照通信协议判断数据包的正确性和完整性、如果数据包正确就进一步按照通信协议提取装置相关等信息,并分类存储入数据库。

数据库采用SQL Server 2008进行开发,主要由客户信息数据表、茶叶溯源数据表、装置运行状态数据表、销售及运输进程采集数据表等4类主要数据表格组成,用于保存和更新茶叶客户信息、茶叶溯源信息、装置的运行和控制状态信息以及茶叶销售过程中的进程信息。

3.4 上位机监控网站设计

上位机监控网站,主要用于管理、调配和远程实时控制茶叶智能保鲜装置,可设定管理权限,界面显示内容根据管理权限进行细分。以区域普通管理者为例,主要包括了注册登录页面、区域装置统计页面、装置实时位置显示页面、装置工作状态页面、装置运输行程页面、装置内茶叶溯源页面、茶叶销售统计页面等7大部分。装置实时位置显示页面主要显示所查询的单个装置的实时位置,与装置运输行程页面相配合能对茶叶运输进程进行实时监控和预测；装置工作状态页面主要包括：环境温度和湿度、装置内部温度和湿度、透光度、装置运行数据等；装置内茶叶溯源页面主要显示所查询的装置内茶叶的类型、原产地、加工时间以及销售过程中的相关信息等。