食品質(zhì)量安全是人們一直高度關(guān)注的問題，傳統(tǒng)的保質(zhì)方法只是簡單設(shè)定食品出廠的保質(zhì)期,并利用條形碼技術(shù)對食品進(jìn)行流通管理[1-2]。但無論是植物性食品、動物性食品還是人造食品，在原材料的摘取、加工、物流、倉儲、銷售等環(huán)節(jié)中，都會受到外界溫度、濕度、光照及環(huán)境中微生物群與包裝氣體組成等影響，并不斷地發(fā)生物理、化學(xué)、微生物上的變化，因此急需對食品在生產(chǎn)、運(yùn)輸、銷售等環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、管理，但傳統(tǒng)方法已不能滿足細(xì)致的食品安全管理要求。

    目前，對于食品安全監(jiān)測已成為研究重點(diǎn)[3-4]，上海海洋大學(xué)陳明、劉慧芳、馮國富采用K—means聚類算法，研制了水產(chǎn)品貨架期指示器[5]，能夠?qū)λa(chǎn)品進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。通過生化實(shí)驗(yàn)對比，監(jiān)測的貨架期數(shù)據(jù)與生化數(shù)據(jù)具有98%的擬合度，此檢測裝置達(dá)到了對水產(chǎn)品實(shí)時(shí)監(jiān)測的水平,但不能將監(jiān)測數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)送給管理者進(jìn)行及時(shí)有效的管理。針對這一問題，本文采用RFID技術(shù)[6]和GPRS" title="GPRS" target="_blank">GPRS技術(shù)[7-8]設(shè)計(jì)了食品貨架期監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)κ称窋?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)管理。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理
    食品貨架期監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)測前端、監(jiān)測終端和監(jiān)控中心三部分組成。監(jiān)測前端負(fù)責(zé)采集食品在流通過程中的貨架期信息，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；監(jiān)測終端負(fù)責(zé)接收監(jiān)測前端的數(shù)據(jù)信息，并進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送；監(jiān)控中心負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)信息。監(jiān)測前端與監(jiān)測終端的無線通信采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)監(jiān)測前端都能與監(jiān)測終端進(jìn)行雙向通信，但各個(gè)監(jiān)測前端之間不能進(jìn)行通信，食品貨架期監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    監(jiān)測系統(tǒng)首先通過監(jiān)測前端檢測冷藏車內(nèi)食品質(zhì)量信息，通過射頻裝置將質(zhì)量參數(shù)信息發(fā)送給監(jiān)測終端，監(jiān)測終端通過SPI口將數(shù)據(jù)發(fā)送給GPRS模塊，然后發(fā)送給監(jiān)控中心的監(jiān)測終端，再通過RS232串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)，以此實(shí)現(xiàn)客戶端的可視化和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息的監(jiān)測與查詢。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 監(jiān)測前端硬件設(shè)計(jì)
    監(jiān)測前端主要負(fù)責(zé)對食品質(zhì)量信息的采集與計(jì)算，通過nRF905無線射頻模塊將數(shù)據(jù)信息發(fā)送給監(jiān)測終端，并接收監(jiān)測終端發(fā)送的相關(guān)指令。監(jiān)測前端主要由控制模塊、RFID模擬前端模塊(天線、射頻芯片nRF905)、溫度采集模塊、用戶界面模塊(按鍵模塊、用于LED、時(shí)鐘模塊、調(diào)試接口JTAG)、電源管理模塊等五大模塊和相關(guān)電路組成。RFID模擬前端模塊負(fù)責(zé)接收指令，并根據(jù)指令格式發(fā)送數(shù)據(jù)包；溫度采集模塊負(fù)責(zé)采集溫度并將溫度傳輸?shù)娇刂颇K；控制模塊處理裝置的所有數(shù)據(jù)并維護(hù)裝置的正常運(yùn)行，用戶界面模塊能夠便于用戶使用,電源管理模塊主要為控制模塊和RFID模擬前端模塊供電。
    監(jiān)測前端的微處理器采用MSP430F149，其自帶有60 KB+256 B Flash存儲器，地址為1100H-FFDFH的Flash存儲器,用于存放系統(tǒng)代碼;地址為0200H-9FFH的2 KB RAM用于存儲裝置的歷史信息。監(jiān)測前端的信號類型分為模擬部分和數(shù)字部分，模擬部分負(fù)責(zé)與監(jiān)測終端的通信，數(shù)字部分負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)、控制裝置運(yùn)行以及控制與監(jiān)測終端的通信。模擬部分包括射頻收發(fā)芯片nRF905、PCB板載天線、晶振等芯片和相關(guān)電路等。數(shù)字部分由嵌入式微處理器MSP430F149、溫度傳感器DS18B20、日歷時(shí)鐘芯片DS1302、調(diào)試接口JTAG、紅綠指示燈、開關(guān)鍵、復(fù)位鍵等外圍電路以及各芯片間的連接電路組成。射頻芯片nRF905的4種工作方式中，正常工作狀態(tài)是處于接收狀態(tài)，即ShockBurst RX模式。在接收到指令時(shí),自動將指令數(shù)據(jù)包的字頭和CRC校驗(yàn)碼移出，再根據(jù)數(shù)據(jù)包的第一個(gè)字節(jié)的內(nèi)容解析指令數(shù)據(jù)包，并根據(jù)解析的配置裝置運(yùn)行狀態(tài)或發(fā)送數(shù)據(jù)。若解析后的指令為“讀當(dāng)前”，則把當(dāng)前溫度、貨架期等數(shù)據(jù)組裝成32 B的數(shù)據(jù)包發(fā)送至監(jiān)測終端；若“讀歷史”,則從微處理器MSP430F149的0200H-9FFH的2 KB RAM中一次讀取N個(gè)數(shù)據(jù)為一組并組裝成32 B的數(shù)據(jù)包發(fā)送出去，直至RAM中所有信息均發(fā)送出去時(shí)，裝置發(fā)送過程結(jié)束。
    射頻電路主要由三大部分組成：與單片機(jī)相連的接口電路、nRF905應(yīng)用電路以及天線的發(fā)送、接收電路。在設(shè)計(jì)過程中，電源VDD引腳所接入的電壓范圍為1.9~3.6 V；為了使晶振穩(wěn)定，在晶振兩端并聯(lián)電阻R1(1 M?贅)；為了讓監(jiān)測前端得到穩(wěn)定的信號，天線的電路設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵，其中，VDD_PA引腳給天線提供直流電源，ANT1與ANT2引腳給天線提供穩(wěn)定的RF輸出，圖2所示為監(jiān)測前端的射頻電路。

2.2 監(jiān)測終端硬件設(shè)計(jì)
    監(jiān)測終端的任務(wù)是把監(jiān)測前端的數(shù)據(jù)信息通過GPRS發(fā)送至監(jiān)控中心，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

    監(jiān)測終端的微處理器通過SPI口與射頻模塊NRF905數(shù)據(jù)通信,通過串口方式與GPRS模塊數(shù)據(jù)通信。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 監(jiān)測前端的軟件設(shè)計(jì)
    在冷鏈物流過程中，監(jiān)測前端需要實(shí)時(shí)監(jiān)測食品質(zhì)量，采集完數(shù)據(jù)后進(jìn)入休眠狀態(tài)，每隔一定時(shí)間被喚醒監(jiān)聽是否有監(jiān)測終端的射頻信號，若監(jiān)聽到射頻信號，則立刻與之進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；若沒有監(jiān)聽到射頻信號，則繼續(xù)進(jìn)入休眠狀態(tài)。每隔30 min喚醒溫度傳感器模塊完成數(shù)據(jù)的采集，采集完數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)，工作流程如圖4所示。

3.2 監(jiān)測終端的軟件設(shè)計(jì)
    在冷藏車內(nèi)的監(jiān)測終端需要讀取監(jiān)測前端的數(shù)據(jù)信息，監(jiān)測終端首先發(fā)送讀取命令，待進(jìn)入通信范圍內(nèi)的監(jiān)測前端被喚醒時(shí)，將對其進(jìn)行驗(yàn)證，如果認(rèn)證成功，則建立數(shù)據(jù)通信，并將數(shù)據(jù)通過GPRS模塊發(fā)送給監(jiān)控中心的監(jiān)測終端，工作流程如圖5所示。

4 系統(tǒng)測試
    在食品運(yùn)輸流通過程中，監(jiān)測前端通過傳感器模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及貨架期計(jì)算，然后通過NRF905射頻模塊將數(shù)據(jù)信息發(fā)送監(jiān)測終端，監(jiān)測終端再把數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控中心。在監(jiān)控中心，監(jiān)測終端通過RS232串口與電腦連接，從而使數(shù)據(jù)能夠直接傳輸?shù)絇C機(jī)上。圖6所示為監(jiān)測前端發(fā)送到監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)，可通過串口調(diào)試精靈顯示。
    在圖6監(jiān)測數(shù)據(jù)中，監(jiān)測終端首先接收到的是監(jiān)測前端的ID號，其次是溫度數(shù)值。讀取到的第一個(gè)監(jiān)測前端是G3，其溫度數(shù)據(jù)為10.13 ℃。通過實(shí)驗(yàn)表明，食品貨架期監(jiān)測系統(tǒng)能夠監(jiān)測食品在流通過程中的質(zhì)量信息。

    食品貨架期監(jiān)測系統(tǒng)通過RFID技術(shù)和GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對食品質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)可視化，達(dá)到動態(tài)監(jiān)測食品在流通過程中的情況，系統(tǒng)具有可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，推廣價(jià)值較大。
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