基于无线网络的农产品冷链物流温度监测系统研究

冯双林,程丽红

(广西工业职业技术学院,南宁 530003)

0 引言

农产品在冷链物流运输过程中,质量容易受到环境温度变化而带来的品质损失,而温度变化一般会在储藏、装卸和运输中产生。冷库、物流运输车和冷冻箱的温度检测是整个行业的热点问题。若农产品保存环境温度变化超过规定范围,便会给整个产业链造成巨大损失。因此,设计一套工作稳定的冷链物流温度监测系统显得尤为重要。

1 农产品冷链物流温度监控的必要性

为了确保农产品在售卖时的品质,在完成采摘加工后需要马上放入冷库进行冷藏,并对整个储藏、装卸和运输中的环境温度进行实时监测,方便消费者对购买的农产品进行溯源。每种农产品在不同环境下的保鲜度差异较大,具体如表1所示。

表1 不同环境下农产品的保鲜时间Table 1 The preservation time of agricultural products in different environments 天

由表1可看出:农产品在不同环境下的保鲜时间差别很大,因此在产品采摘后的几个小时就应该完成冷链存储,以保证农产品的新鲜度。

2 农产品冷链物流温度监测系统总体设计

2.1 系统总体需求分析

作为一种特别的供应链物流,冷链运输可以保证农产品的新鲜度,便于后续消费者进行信息溯源查询。冷链物流温度监测系统包括监控中心、运输车辆和GPRS无线网络等多个部分,架构如图1所示。

图1 冷链物流温度监测系统架构图Fig.1 The structure diagram of cold chain logistics temperature monitoring system

该监控系统主要是为了保证农产品的质量,并实现农产品信息的追溯,故需要对农产品在冷链运输过程中的温度信息进行实时采集;对数据进行处理后,还需要传给车载终端进行实时显示,并传送给监控中心实现远程监控管理。

2.2 系统总体架构设计

设计的农产品冷链物流温度监测系统主要包括ZigBee网络、冷链运输车控制单元和监控中心3个部分,如图2所示。其中,冷链运输车控制单元和监控中心之间采用GPRS无线网络进行通信。

图2 温度监测系统整体架构Fig.2 The overall structure of temperature monitoring system

农产品冷链物流温度监测系统的原理为:基于ZigBee的无线网络利用终端节点对冷链运输车各个位置的环境温度进行采集,再经过路由节点汇总后传送给控制单元的ZigBee协调器;车载控制单元的主控模块对ZigBee协调器传输的数据进行显示、保存,且经过封装后通过GPRS无线网络传给监控中心;监控中心收到冷链运输车控制单元发送过来的温度数据包,进行解包处理后存入数据库,以方便后续购买者进行信息溯源查询。整个系统的运行过程中如图3所示。

图3 温度监测系统整体运行过程Fig.3 The overall operation process of temperature monitoring system

2.3 系统整体功能设计

农产品冷链物流温度监测系统各模块功能配置如图4所示。

图4 温度监测系统各模块功能配置Fig.4 The functional configuration of each module of temperature monitoring system

1)ZigBee无线网络功能:对运输车辆各个方位的温度数据进行实时检测,并经过ZigBee的路由节点传送给车载控制单元。

2)冷链运输车控制单元主要功能为:

(1)温度数据实时监控:冷链运输车控制单元接收ZigBee路由节点的数据信息,并对温度数据进行实时显示和存储,方便司机实时了解冷冻箱温度状况,也可以为GPRS无线网络的数据传输做好准备。

(2)温度数据存储:在GPRS无线网络信号差时,可能无法及时将温度数据传给后台监控中心,需要控制单元能够将这段时间的温度数据保存下来,在网络正常后再发送出去。

(3)GPRS无线网络:在通信网络覆盖情况下,将实时的温度数据传送给后台监控信息,也可以接收监控中心发送给的控制命令。

(4)温度异常报警:在接收的温度出现异常(如温度超过设定值)时,控制单元会发出警报通知司机,同时也会发送给监控中心。

3)监控中心的主要功能:在监控界面实时显示车辆的温度信息,方便对冷链运输车温度状态进行监控,并将信息保存到数据库;发现收到的温度信息异常时,根据实际情况进行处理,并联系冷链运输车司机,对车辆状态进行进一步的了解和处理。

2.4 系统硬件方案设计

设计的多点测温传感器网络采用单总线,ZigBee路由节点通过单总线和多个温度传感器连接在一起,以实现多测温节点和ZigBee路由节点的通信,从而实现冷链温箱内部的多点测温。多点测温传感器网络如图5所示。

图5 多点测温传感器网络Fig.5 Multipoint temperature sensor network

从理论上讲,1条总线可以挂载多个温度传感器;但随着总线上器件的增加,可能导致ZigBee路由节点总线驱动能力不足,出现数据丢失的情况。因此,根据实际情况,在冷链温箱内部设置了6个温度传感器,其分布情况如图6所示。

图6 冷链温箱内部温度传感器网络Fig.6 The internal temperature sensor network of cold chain temperature box

3 农产品冷链物流温度监测系统硬件设计

3.1 温度监测系统硬件架构

车载控制单元是农产品冷链物流温度监测系统的核心,其主要负责温度数据的收发、保存和远程传输,是GPRS无线传输、ZigBee无线网络和微处理器结合的平台,其硬件整体架构如7所示。

图7 温度监测系统硬件整体架构图Fig.7 The overall hardware architecture of temperature monitoring system

3.2 温度传感器电路设计

目前,温度监测的传感器种类繁多,冷链温度监测范围比较广,要求能够测量负温。为了保证测试过程中的精度,结合实际应用需求,采用DS1820温度传感器对冷链温箱内部温度进行监测。DS1820温度传感器最高分辨率为12位,测量范围为-10～+85°C,测量精度为±0.5°C,其干扰因素比较小,适合环境恶劣的现场测量,常应用于工业系统。其电路原理图如图8所示。

图8 DS1820电路原理图Fig.8 DS1820 circuit schematic diagram

3.3 ZigBee无线传感模块

采用ZigBee无线网络实现车载控制单元和冷链温箱内部传感器之间的数据传输。在选择无线传感器时,为了让系统简单,采用了内置微处理器和ZigBee模块的CC2430芯片。该芯片片上资源丰富,只需要加上少量的外围器件,便可以实现数据的收发。CC2430电路原理如图9所示。

图9 CC2430电路原理图Fig.9 CC2430 circuit schematic diagram

4 冷链温箱温度采集试验

为了验证农产品冷链物流温度监测系统的系统的准确性,将设计系统装载到一台冷链物流车上。车内温度设置为3℃,允许±2℃的偏差,超过这个范围便会发生报警。车载控制单元的应用程序采用QT开发,可以实时显示冷链温箱内部温度。冷链温箱温度采集数据如图10所示。

图10 冷链温箱温度采集数据Fig.10 The temperature acquisition data of cold chain incubator

图10中,点击“详细数据”后,便可以实时看到冷链温箱6个温度检测点的数据,说明车载单元和冷链温箱温度检测模块通信正常。

为了验证该系统对超温后的报警功能,将某一个温度传感器用打火机烤了一会,而车载控制单元检测到超温后,便会每隔5s弹出报警串口,提供操作人员,如图11所示。由此验证了车载控制单元对温度异常时的报警功能。

图11 温度异常的报警测试Fig.11 Alarm test of abnormal temperature

5 结论

采用GPRS网络和ZigBee无线网络设计了农产品冷链物流温度监测系统,可实现对冷链温箱温度的实时监测。为了验证系统的准确性和可靠性,将该系统装载到一台冷链物流车上进行了实际的测试。结果表明:系统可以实时显示冷链温箱内部温度,且能对异常温度进行报警。