鮮食葡萄具有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和食療價(jià)值。隨著社會(huì)進(jìn)步和人們生活水平的提高，對(duì)鮮食葡萄質(zhì)量安全越來(lái)越關(guān)注。為了確保食品鮮食葡萄質(zhì)量安全，物流過(guò)程中多采用冷鏈技術(shù)，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并調(diào)節(jié)儲(chǔ)運(yùn)中的溫濕度環(huán)境，使葡萄全程處于適宜的冷藏環(huán)境。但是，即使鮮食葡萄處在適宜的冷藏環(huán)境中，微生物仍然處在緩慢生長(zhǎng)狀態(tài)，在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)輸途中同樣容易出現(xiàn)腐爛變質(zhì)的情況，不能達(dá)到保鮮目的。因此，一般在冷鏈物流過(guò)程中，有效耦合應(yīng)用保鮮技術(shù)可以降低農(nóng)產(chǎn)品的新陳代謝及其呼吸速度，抑制冷藏環(huán)境中的細(xì)菌生長(zhǎng)，延長(zhǎng)貨架期。常用的果蔬保鮮劑有防病防腐保鮮劑、氣體防腐保鮮劑、涂被保鮮劑以及其他保鮮劑等。

    鮮食冷鏈物流過(guò)程中比較常用的是SO2氣體防腐保鮮劑。但是，如果操作不當(dāng)，有可以導(dǎo)致SO2釋放過(guò)快,不僅導(dǎo)致鮮食葡萄漂泊損傷及影響人體健康與環(huán)境，還有可能后期劑量不足又引起葡萄腐爛[1-2]。因此，鮮食葡萄冷鏈過(guò)程需要監(jiān)測(cè)與調(diào)節(jié)SO2釋放情況，使SO2氣體能長(zhǎng)時(shí)間、均勻釋放，達(dá)到全程保鮮目的。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種新的信息獲取技術(shù)，尤其是ZigBee技術(shù)，憑借其低功耗、低成本、高可靠性等特點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域[3]?，F(xiàn)有的SO2傳感器主要是應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境，其精度與量程不能滿足鮮食葡萄等農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流需要[4]。
    本文針對(duì)鮮食葡萄冷鏈物流監(jiān)測(cè)需求，應(yīng)用ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，集成溫濕度傳感器、SO2傳感器設(shè)計(jì)了面向鮮食葡萄冷鏈物流的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，同時(shí)設(shè)計(jì)了用于數(shù)據(jù)匯集的協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)以及遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并進(jìn)行了相關(guān)的性能測(cè)試。
1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)
    面向鮮食葡萄冷鏈物流的無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)無(wú)線傳感信息采集系統(tǒng)，其基本結(jié)構(gòu)主要由無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)單元和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控單元組成，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)端與遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控端的數(shù)據(jù)通信則是通過(guò)GPRS遠(yuǎn)程傳輸方式進(jìn)行，系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)部分和協(xié)調(diào)器部分。

2.1 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
    無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)即終端節(jié)點(diǎn)，實(shí)時(shí)感知著整個(gè)冷鏈物流過(guò)程中鮮食葡萄環(huán)境中的溫濕度、SO2濃度值等信息，主要由主控模塊、無(wú)線射頻模塊以及傳感器模塊組成，傳感器模塊包括溫濕度及SO2采集模塊，結(jié)構(gòu)如圖2所示。
    經(jīng)過(guò)文獻(xiàn)查詢[5-6]及調(diào)研結(jié)果得到鮮食葡萄冷鏈環(huán)境下溫度、相對(duì)濕度及SO2體積含量的理論監(jiān)測(cè)范圍，根據(jù)其范圍選擇合適的傳感器，鮮食葡萄冷鏈環(huán)境下的監(jiān)測(cè)參數(shù)及傳感器選擇情況如表1所示。

    本系統(tǒng)主控芯片采用TI公司的片上系統(tǒng)(SOC)的CC2530F256，溫濕度采集模塊采用的溫濕度傳感器為瑞士Sensirion公司出品的具有14 位A/D轉(zhuǎn)換器的SHT11數(shù)字溫濕度傳感器。SO2傳感器模塊則采用瑞士MEMBRAPOR公司生產(chǎn)的基于三電極系統(tǒng)的電化學(xué)MF-20型SO2傳感器。
2.2 協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)
    協(xié)調(diào)器是整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵，它既負(fù)責(zé)建立和維護(hù)整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò),同時(shí)還需要接收采集節(jié)點(diǎn)的信息并將匯集來(lái)的數(shù)據(jù)信息整合上傳至遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控端。本文設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)還通過(guò)RS-232串行接口與GPRS模塊相連接以實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控端的遠(yuǎn)程通信,實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)關(guān)的功能，協(xié)調(diào)器的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。
    GPRS模塊采用廣州致遠(yuǎn)電子有限公司的具有小體積和靈活應(yīng)用方式的ZWG-28DP嵌入式工業(yè)級(jí)GPRS無(wú)線模塊。通過(guò)配置GPRS模塊的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)以實(shí)現(xiàn)GPRS與Internet的連接，最終實(shí)現(xiàn)將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控端。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    本文的軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)采用IAR Embedded Workbench for 8051嵌入式集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，軟件設(shè)計(jì)采用TI公司針對(duì)其ZigBee芯片開(kāi)發(fā)的采用事件輪詢機(jī)制的半開(kāi)源Z-Stack協(xié)議棧，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為C語(yǔ)言。系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控端的監(jiān)控軟件采用NI公司的LabVIEW圖形化軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)。
3.1 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
    無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)與SHT11和SO2傳感器通信程序及數(shù)據(jù)采集程序都只需在Z-Stack協(xié)議棧的應(yīng)用層開(kāi)發(fā)。應(yīng)用層分別定義了溫濕度采集任務(wù)及SO2采集任務(wù).當(dāng)有任務(wù)就緒時(shí)，調(diào)用相應(yīng)的處理函數(shù);無(wú)就緒任務(wù)時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入休眠實(shí)現(xiàn)低功耗。數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)牧鞒倘鐖D3中(1)所示。

3.2 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)
    協(xié)調(diào)器首先對(duì)串口等硬件進(jìn)行初始化，之后協(xié)調(diào)器組建一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)并等待節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)協(xié)調(diào)器接收到數(shù)據(jù)信息時(shí)，它會(huì)回復(fù)ACK應(yīng)答信號(hào)確認(rèn)收到數(shù)據(jù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)上傳，在串口發(fā)送失敗時(shí)協(xié)調(diào)器復(fù)位串口并重新發(fā)送。協(xié)調(diào)器應(yīng)用層數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)發(fā)流程如圖3中(2)所示。
3.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件運(yùn)行在遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)監(jiān)控端，協(xié)調(diào)器通過(guò)GPRS模塊實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)與遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件的通信。
    遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件具有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)收集、實(shí)時(shí)曲線顯示、存儲(chǔ)管理、歷史數(shù)據(jù)查詢以及系統(tǒng)相關(guān)的配置等功能。
4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與分析
4.1測(cè)試條件
    葡萄冷鏈環(huán)境使用天津蘇瑞科技有限公司TEMI1880型高低溫交變實(shí)驗(yàn)箱(以下簡(jiǎn)稱變溫箱)模擬。分別向傳感器節(jié)點(diǎn)及協(xié)調(diào)器燒入相應(yīng)的嵌入式程序，協(xié)調(diào)器同時(shí)通過(guò)RS232串口與GPRS模塊連接，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)木W(wǎng)關(guān)功能。
4.2 模擬冷鏈環(huán)境下的系統(tǒng)測(cè)試
    本測(cè)試在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院進(jìn)行，選用國(guó)家農(nóng)產(chǎn)品保鮮技術(shù)中心(天津)生產(chǎn)的袋裝SO2型保鮮劑，在變溫箱中放置一定的鮮食葡萄，將傳感器節(jié)點(diǎn)放入變溫箱內(nèi)， 密閉艙門， 設(shè)置變溫箱在0℃運(yùn)行24 h，進(jìn)行葡萄模擬冷鏈環(huán)境的系統(tǒng)測(cè)試，傳感器數(shù)據(jù)采樣間隔為10 min。協(xié)調(diào)器通過(guò)GPRS模塊將匯集的數(shù)據(jù)信息上傳到遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件，并由該軟件實(shí)時(shí)存儲(chǔ)入庫(kù)的同時(shí)實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)接收情況。傳感器節(jié)點(diǎn)采集的溫濕度及SO2釋放濃度數(shù)據(jù)如圖4所示。

    測(cè)試結(jié)果表明，傳感器節(jié)點(diǎn)在冷鏈環(huán)境能夠穩(wěn)定、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)環(huán)境中的溫度、相對(duì)濕度、SO2濃度等關(guān)鍵參數(shù)的變化過(guò)程。鮮食葡萄冷鏈環(huán)境下溫濕度及SO2釋放濃度采集傳輸過(guò)程中的數(shù)據(jù)延遲對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用的影響并不大，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)接收采集的數(shù)據(jù)，并且采集的數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，能夠滿足實(shí)際鮮食葡萄冷鏈的應(yīng)用需求。
    本文以CC2530片上系統(tǒng)為核心設(shè)計(jì)的面向鮮食葡萄冷鏈物流的無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用低功耗、低成本的ZigBee協(xié)議棧為軟件開(kāi)發(fā)，適用于鮮食葡萄冷鏈物流環(huán)境，能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、可靠傳輸。系統(tǒng)在葡萄冷鏈環(huán)境(0℃恒溫)的測(cè)試表明，傳感器節(jié)點(diǎn)在冷鏈環(huán)境能夠穩(wěn)定、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)環(huán)境中的溫度、相對(duì)濕度、SO2濃度等關(guān)鍵參數(shù)的變化過(guò)程。傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可信，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠很好地應(yīng)用于鮮食葡萄冷鏈物流過(guò)程。
    本文設(shè)計(jì)的無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還可以結(jié)合GPS衛(wèi)星定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鮮食葡萄冷藏車物流過(guò)程中的實(shí)時(shí)定位， 方便進(jìn)一步掌握鮮食葡萄冷鏈運(yùn)輸過(guò)程中的實(shí)時(shí)情況。
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