鮮食葡萄具有很高的營養(yǎng)價值和食療價值,。隨著社會進步和人們生活水平的提高,，對鮮食葡萄質(zhì)量安全越來越關(guān)注。為了確保食品鮮食葡萄質(zhì)量安全,，物流過程中多采用冷鏈技術(shù),，通過實時監(jiān)測并調(diào)節(jié)儲運中的溫濕度環(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狀態(tài),，在長時間的運輸途中同樣容易出現(xiàn)腐爛變質(zhì)的情況,，不能達到保鮮目的。因此,，一般在冷鏈物流過程中,，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,，延長貨架期,。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,，鮮食葡萄冷鏈過程需要監(jiān)測與調(diào)節(jié)SO2釋放情況,，使SO2氣體能長時間、均勻釋放,，達到全程保鮮目的,。無線傳感器網(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,，廣泛地應(yīng)用于工業(yè),、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域[3]。現(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],。
    本文針對鮮食葡萄冷鏈物流監(jiān)測需求，應(yīng)用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù),，集成溫濕度傳感器,、SO2傳感器設(shè)計了面向鮮食葡萄冷鏈物流的無線傳感器節(jié)點，同時設(shè)計了用于數(shù)據(jù)匯集的協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)節(jié)點以及遠(yuǎn)程實時監(jiān)測系統(tǒng),，并進行了相關(guān)的性能測試,。
1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)
    面向鮮食葡萄冷鏈物流的無線實時監(jiān)測系統(tǒng)是一個無線傳感信息采集系統(tǒng)，其基本結(jié)構(gòu)主要由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)單元和遠(yuǎn)程實時監(jiān)控單元組成,，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)端與遠(yuǎn)程實時監(jiān)控端的數(shù)據(jù)通信則是通過GPRS遠(yuǎn)程傳輸方式進行,，系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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

2.1 無線傳感器節(jié)點設(shè)計
    無線傳感器節(jié)點即終端節(jié)點，實時感知著整個冷鏈物流過程中鮮食葡萄環(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)過文獻查詢[5-6]及調(diào)研結(jié)果得到鮮食葡萄冷鏈環(huán)境下溫度、相對濕度及SO2體積含量的理論監(jiān)測范圍,，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
    協(xié)調(diào)器是整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵,，它既負(fù)責(zé)建立和維護整個ZigBee網(wǎng)絡(luò),同時還需要接收采集節(jié)點的信息并將匯集來的數(shù)據(jù)信息整合上傳至遠(yuǎn)程實時監(jiān)控端。本文設(shè)計的協(xié)調(diào)器節(jié)點還通過RS-232串行接口與GPRS模塊相連接以實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程實時監(jiān)控端的遠(yuǎn)程通信,實現(xiàn)無線網(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GPRS無線模塊。通過配置GPRS模塊的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)以實現(xiàn)GPRS與Internet的連接,，最終實現(xiàn)將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實時采集的數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程實時監(jiān)控端,。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    本文的軟件開發(fā)系統(tǒng)采用IAR Embedded Workbench for 8051嵌入式集成開發(fā)環(huán)境，軟件設(shè)計采用TI公司針對其ZigBee芯片開發(fā)的采用事件輪詢機制的半開源Z-Stack協(xié)議棧,，開發(fā)語言為C語言,。系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控端的監(jiān)控軟件采用NI公司的LabVIEW圖形化軟件進行開發(fā)。
3.1 無線傳感器節(jié)點軟件設(shè)計
    無線傳感器節(jié)點與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,，調(diào)用相應(yīng)的處理函數(shù);無就緒任務(wù)時，系統(tǒng)進入休眠實現(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
    協(xié)調(diào)器首先對串口等硬件進行初始化，之后協(xié)調(diào)器組建一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)并等待節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò),。當(dāng)協(xié)調(diào)器接收到數(shù)據(jù)信息時,，它會回復(fù)ACK應(yīng)答信號確認(rèn)收到數(shù)據(jù)，同時將數(shù)據(jù)上傳,，在串口發(fā)送失敗時協(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
    系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件運行在遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)監(jiān)控端,，協(xié)調(diào)器通過GPRS模塊實現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)實時與遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件的通信,。
    遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件具有數(shù)據(jù)實時收集、實時曲線顯示,、存儲管理,、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)測試結(jié)果與分析
4.1測試條件
    葡萄冷鏈環(huán)境使用天津蘇瑞科技有限公司TEMI1880型高低溫交變實驗箱(以下簡稱變溫箱)模擬。分別向傳感器節(jié)點及協(xié)調(diào)器燒入相應(yīng)的嵌入式程序,，協(xié)調(diào)器同時通過RS232串口與GPRS模塊連接,，以實現(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)測試
    本測試在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院進行,，選用國家農(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)點放入變溫箱內(nèi),， 密閉艙門,， 設(shè)置變溫箱在0℃運行24 h，進行葡萄模擬冷鏈環(huán)境的系統(tǒng)測試,，傳感器數(shù)據(jù)采樣間隔為10 min,。協(xié)調(diào)器通過GPRS模塊將匯集的數(shù)據(jù)信息上傳到遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件，并由該軟件實時存儲入庫的同時實時顯示數(shù)據(jù)接收情況,。傳感器節(jié)點采集的溫濕度及SO2釋放濃度數(shù)據(jù)如圖4所示,。

    測試結(jié)果表明，傳感器節(jié)點在冷鏈環(huán)境能夠穩(wěn)定,、準(zhǔn)確監(jiān)測環(huán)境中的溫度,、相對濕度、SO2濃度等關(guān)鍵參數(shù)的變化過程,。鮮食葡萄冷鏈環(huán)境下溫濕度及SO2釋放濃度采集傳輸過程中的數(shù)據(jù)延遲對系統(tǒng)應(yīng)用的影響并不大,，系統(tǒng)能夠?qū)崟r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)計的面向鮮食葡萄冷鏈物流的無線實時監(jiān)測系統(tǒng)，采用低功耗,、低成本的ZigBee協(xié)議棧為軟件開發(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)測數(shù)據(jù)的實時,、可靠傳輸,。系統(tǒng)在葡萄冷鏈環(huán)境(0℃恒溫)的測試表明，傳感器節(jié)點在冷鏈環(huán)境能夠穩(wěn)定,、準(zhǔn)確監(jiān)測環(huán)境中的溫度,、相對濕度、SO2濃度等關(guān)鍵參數(shù)的變化過程,。傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)可信,，監(jiān)測系統(tǒng)能夠很好地應(yīng)用于鮮食葡萄冷鏈物流過程。
    本文設(shè)計的無線實時監(jiān)測系統(tǒng)還可以結(jié)合GPS衛(wèi)星定位技術(shù),，實現(xiàn)鮮食葡萄冷藏車物流過程中的實時定位,， 方便進一步掌握鮮食葡萄冷鏈運輸過程中的實時情況,。
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