基于环境感知的荔枝智能仓储系统设计

2021-03-12盛国

佛山科学技术学院学报（自然科学版） 2021年1期

盛国

（浙江邮电职业技术学院电子与通信工程学院，浙江绍兴312366）

荔枝作为南热带果品，具有丰富的营养价值，也是老少皆宜的水果，深受消费者的喜爱。但是由于荔枝采后易腐烂变质，保鲜期极其短暂，对于荔枝的保鲜仓储和运输带来极大挑战［1-2］。目前荔枝低温贮藏是较为低成本的保鲜储存方法，通过采后低温贮藏和冷链运输可以一定程度上满足北方消费者品尝荔枝的消费需求［3-4］。但是现阶段我国荔枝保鲜信息化水平仍然存在偏低的问题，荔枝采后在贮运环节损耗极大，每年总产量占20%以上，经济损失巨大［5］。很多研究工作基本集中在荔枝保鲜技术的研究上，王欲翠等［6］提出了组合保鲜技术提高荔枝贮藏水平，廖仁昭等［7］研究低温贮藏对不同品种荔枝的品质影响。除了研究有效的保鲜技术外，加强对荔枝贮藏和运输过程的监测同样对于降低荔枝损耗率较为重要，黄臻燕［8］对漳州地区的荔枝冷链物流现状进行了分析，指出需要提高冷链物流阶段的信息化水平。

随着当前物联网技术、大数据技术和5G 技术的快速发展，将这些技术应用于果蔬保鲜也成为重要的发展趋势［9］。程如岐等［10］提出了采用物联网技术对果蔬新鲜度进行监测。针对荔枝对于低温保鲜要求较高的情况，本文设计了基于环境感知的荔枝智能仓储系统，充分利用当前的物联网技术和快速传输的无线通信技术，达到对于荔枝仓储环境的快速感知、分析和预警，提高仓储环境参数的监控与预警效率。

1 基于环境感知的荔枝智能仓储系统设计

本文设计的基于环境感知的荔枝智能仓储系统充分结合当前的物联网技术和快速传输的无线通信技术，系统功能主要分为三个部分：环境感知数据获取、环境感知数据分析以及环境感知数据用户显示，其中，环境感知数据获取部分由温湿度传感器、二氧化碳传感器、CC2530 节点以及嵌入式网关组成；环境感知数据分析由云服务器运行本文的程序进行分析处理；环境感知数据用户显示部分可以由各类终端通过广域网和4G/5G 访问云服务器获取显示。系统框图如图1 所示。

图1 基于环境感知的荔枝智能仓储系统框图

1.1 温湿度传感器节点设计

DHT11 温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，其湿度测量范围和温度测量范围分别为20%～90%RH（相对湿度）和0～50 ℃，测湿精度和测温精度分别为±5%RH 和±2 ℃，传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC 测温元件，其具有较高的采集精度、极低的功耗，采用串行传输可达20 m 以上。采用4 针单排引脚封装。应用领域包括汽车、自动控制、气象站、家电、医疗等。图2 为温湿度传感器DHT11 电路原理图，图3 为温湿度数据采集软件设计流程图。

图2 温湿度传感器DHT11 电路原理图

图3 DHT11 温湿度读取软件设计流程图

1.2 二氧化碳传感器节点设计

SGP30 是一款单一芯片上具有多个传感元件的金属氧化物气体传感器，内集成4 个气体传感元件，具有校准的空气质量输出信号，其二氧化碳气体测试范围为400 到60 000 ppm（百万分比浓度），测试精度为1～31 ppm，可应用于智能家居、家电和物联网应用中的环境监测。图4 为二氧化碳传感器SGP30 电路原理图，图5 为二氧化碳传感数据采集软件设计流程图。

图4 二氧化碳传感器SGP30 电路原理图

图5 SGP30 二氧化碳浓度读取软件设计流程图

2 通信协议设计

2.1 基于ZigBee 的多传感数据通信协议设计

ZigBee 是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，主要用于工业现场自动化控制数据传输。ZigBee 协议栈包括IEEE802.15.4 标准的物理层和MAC 层，以及ZigBee 的网络层和应用层。

由于本系统涉及多种类型环境传感数据的采集，为满足多传感器数据有效传输的需要，对于传统的MAC 层负载内容格式进行重新优化设计。本文设计基于ZigBee 的多传感数据通信协议在负载部分定义格式包括传感器类型、传感器数据个数和传感器负载数据3 部分，如表1 所示。

表1 负载协议格式

2.2 基于UDP 的多传感数据通信协议设计

考虑到本文所设计的系统需要满足实时监测环境状态的需要，因此采用基于UDP 协议进行嵌入式网关和云服务器之间的多传感数据传输。UDP 协议在传送数据之前不需要先建立连接。对方的运输层在收到UDP 报文后，不需要给出任何确认。虽然UDP 不提供可靠交付，但在某些情况下UDP 是一种最有效的工作方式。基于UDP 的多传感数据通信协议格式如表2 所示，图6 为基于UDP 协议完成多传感器数据传输的实现过程。

表2 基于UDP 的多传感数据通信协议格式

3 服务器端智能管理系统设计

图6 基于UDP 协议完成多传感器数据传输的实现过程

为了在云服务器端对各品种的荔枝进行智能仓储管理，本文在服务器端设计一套基于C#WinForm技术的智能管理系统，功能框图如图7 所示。C#语言是微软公司推出的面向对象的编程语言，能够快速构建基于Windows 和Internet 的应用程序和组件，开发人员可使用C#开发多种类型的应用程序。

本文在服务器端采用Access 2010 数据库来存储各节点的历史环境监测数据。为有效访问和存储来自各传感节点数据，本文系统采用ADO.NET 模型完成对Access 2010 数据库的连接和访问操作。ADO.NET 是应用程序和数据源之间的桥梁，通过ADO.NET 模型所提供的对象，再配合SQL 语句即可访问数据库中的数据。

图7 管理系统功能框图

4 实验结果

本文实验主要测试各传感节点传输正确率。实验所用传感器类型包括温湿度传感器、二氧化碳浓度传感器、CC2530 节点、基于ARM Cortex-M4 嵌入式网关设备以及服务器。图8 为基于ARM Cortex-M4 嵌入式网关开发板，完成传感数据转发。服务器端运行程序效果如图9 所示，可以显示对应仓库和相对荔枝品种的当前环境监测数据，并根据预先设置的报警阈值对异常传感数据进行报警，如图中白色栏目所示，从而可以使得监测更加智能便捷。