基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的果蔬冷鏈物流實時監(jiān)測系統(tǒng)

梁琨　肖宏偉　杜瑩瑩等

摘要：為改善果蔬冷鏈物流運輸中監(jiān)測信息不透明的現(xiàn)狀，設(shè)計一種基于物聯(lián)網(wǎng)的冷鏈物流溫濕度及地理信息實時監(jiān)測系統(tǒng)。通過二維碼掃描槍掃描溫濕度、GPS數(shù)據(jù)編碼得到的二維碼信息，獲取果蔬在冷鏈運輸中的溫濕度信息和運輸車的地理位置，提高冷鏈運輸?shù)男畔⒒c透明化，從而提升食品品質(zhì)，保證食品安全。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；果蔬冷鏈物流；溫濕度；二維碼；GPS

中圖分類號： S126；TS207.7文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）11-0519-03

收稿日期：2015-01-12

基金項目：國家大學(xué)生創(chuàng)新試驗項目（編號：201410307087）；南京農(nóng)業(yè)大學(xué)人才啟動基金（編號：rcqd13-15）。

作者簡介：梁琨（1983—），女，博士，講師，主要從事農(nóng)產(chǎn)品檢測與溯源研究。E-mail：Kliang@njau.edu.cn。

通信作者：沈明霞，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事檢測技術(shù)自動化裝置研究。E-mail：Mingxia@njau.edu.cn。隨著人們安全意識的增強與生活質(zhì)量的提高，果蔬的品質(zhì)安全逐漸受到消費者的重視。冷鏈物流是保障果蔬品質(zhì)安全的關(guān)鍵，而物流運輸監(jiān)測是其中較為薄弱的環(huán)節(jié)[1-2]。完善我國冷鏈物流體系的管理和監(jiān)督工作已成為當今社會急需解決的焦點問題[3]。物聯(lián)網(wǎng)是一種涉及射頻識別技術(shù)、傳感器技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)等的新一代信息技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展及其在冷鏈物流中的應(yīng)用使整個冷鏈過程更加信息化、透明化，從而提升食品品質(zhì)，保證食品安全[4-7]。

本研究提出一種將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于冷鏈物流的設(shè)計方案，通過GPS模塊、溫濕度采集模塊、食品條碼信息采集模塊采集冷鏈運輸過程中果蔬的食品身份信息、環(huán)境參數(shù)信息、地理信息，并通過無線發(fā)送裝置傳輸給上位機顯示。物聯(lián)網(wǎng)與冷鏈物流的結(jié)合，可實現(xiàn)對農(nóng)產(chǎn)品在冷鏈運輸過程中環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測，提高果蔬在冷鏈物流中的安全品質(zhì)。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)以微處理器STM32為核心，實時監(jiān)測冷鏈運輸過程中的環(huán)境參數(shù)和地理位置信息。通過溫濕度傳感器采集冷藏車的溫度、濕度，通過GPS采集運輸車的位置信息，通過掃碼器掃描食品包裝二維碼信息，并通過無線傳輸裝置（無線模塊UTC-1212SE）將以上信息發(fā)送給上位機，實現(xiàn)對食品冷鏈運輸?shù)膶崟r監(jiān)測（圖1）。

1.1硬件組成與設(shè)計

硬件部分主要由溫濕度、GPS、條碼采集三大模塊組成。溫濕度模塊用于實時采集冷鏈物流過程中的溫度、濕度信息，GPS模塊用于獲取冷藏車在運輸過程中的地理位置信息，條碼采集模塊用于收集食品的身份信息。本研究選取STM32F103ZET6型微處理器，該處理器是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位嵌入式微處理器，主頻為72 MHZ，具

有5個USART串口，其最小系統(tǒng)電路包括電源電路、復(fù)位電路、時鐘電路等[8]。該處理器具有功能強、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)勢[9]，其特性滿足冷鏈物流實時監(jiān)測的需要。STM32型微處理器通過無線裝置將溫濕度、GPS、條碼掃描3個模塊采集的數(shù)據(jù)傳輸并顯示于上位機，完成整個冷鏈物流運輸過程中的信息自動實時采集（圖2）。

1.1.1溫濕度采集模塊設(shè)計在果蔬冷鏈運輸過程中，溫濕度決定果蔬的品質(zhì)，溫濕度過高或過低均會導(dǎo)致果蔬的口感、味道等變差，從而使果蔬品質(zhì)降低甚至變質(zhì)[10]，因此溫濕度檢測極其重要。本系統(tǒng)的溫濕度采集模塊用于實時監(jiān)測冷藏車車廂內(nèi)的溫濕度信息。鑒于果蔬冷鏈運輸過程中的復(fù)雜環(huán)境，本模塊要求溫濕度傳感器的測量精度高、抗干擾能力強、工作性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、功耗較小。

本研究選用SHT10型溫濕度傳感器，包括1個電容式聚合體測濕元件、1個能隙式測溫元件，并與1個14位A/D轉(zhuǎn)換器、串行接口電路在同一芯片上無縫連接。SHT10型溫濕度傳感器的兩線制串行接口可與微處理器的串口相連并進行串口通信。SHT10型溫濕度傳感器具有長期穩(wěn)定、體積小、功耗低、信號質(zhì)量優(yōu)等優(yōu)點，且其測量范圍廣、精度高，完全滿足對果蔬冷鏈運輸過程中車廂內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測要求。

溫濕度采集模塊的工作流程見圖3。首先，微處理器發(fā)送1組“啟動傳輸”時序來完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟?，啟動時序為：當SCK時鐘為高電平時，DATA翻轉(zhuǎn)為低電平，緊接著SCK變?yōu)榈碗娖剑S后在SCK時鐘高電平時，DATA翻轉(zhuǎn)為高電平。啟動完成后，微處理器向SHT10型溫濕度傳感器發(fā)送包含3個地址位（目前只支持“000”）、5個命令位的指令，并等待其測量結(jié)束。當SHT10型溫濕度傳感器測量完成后，通過下拉DATA至低電平表示測量結(jié)束。最后，控制器觸發(fā)SCK時鐘讀取溫濕度數(shù)據(jù)。

1.1.2GPS模塊設(shè)計目前，我國冷鏈物流的流程信息不透明，冷鏈食品的信息網(wǎng)絡(luò)和技術(shù)均處于初級階段，難以保證食品質(zhì)量，使冷鏈物流成本大幅提升[11]。GPS定位系統(tǒng)具有高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡便、使用廣泛等特點，可對冷藏車進行全天候、全面的監(jiān)控[12]；因此，GPS技術(shù)的引用極有利于物流行業(yè)的發(fā)展。本系統(tǒng)選用型號為WF-NEO-6M的GPS。WF-NEO-6M型GPS是具有高性能、低功耗的GPS定位模塊，采用u-blox公司的NEO-6M模組方案，可通過串口、USB接口將GPS定位信息輸出至單片機系統(tǒng)和電腦。WF-NEO-6M型GPS工作時的波特率為9 600 B/s。本研究中采用NMEA0183協(xié)議的GPS定位數(shù)據(jù)信息，被WF-NEO-6M型GPS通過串口傳輸至STM32型微處理器。本研究使用NMEA0813協(xié)議定義語句中的$GPGGA，格式為：$GPGGA，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，<12>，<13>，<14>*<15>。其中，<1>、<2>、<3>、<4>、<5>是所需信息，分別代表UTC時間、緯度、緯度半球、經(jīng)度、經(jīng)度半球。STM32型微處理器接收到GPS數(shù)據(jù)后，將所需信息提取解析并通過串口發(fā)送至上位機（圖4）。

1.1.3條碼信息采集模塊設(shè)計二維碼技術(shù)是一種用于信息儲存、傳輸、識別的全新技術(shù)。二維碼技術(shù)的應(yīng)用可極大提高信息的采集、處理速度，提升工作效率[13]。在發(fā)達國家，二維碼技術(shù)被廣泛運用于軍事、物流等領(lǐng)域。我國應(yīng)用二維碼技術(shù)的領(lǐng)域較少，物流條碼覆蓋率較低，許多物流公司尚未應(yīng)用條碼技術(shù)[14]，須加強二維碼技術(shù)在我國物流領(lǐng)域的推廣。

本研究選用型號為H21的二維影像式掃描器。H21型掃碼器主要由激光源、光學(xué)掃描、光學(xué)接收、光電轉(zhuǎn)換、信號放大、整形、量化、譯碼等部分組成。H21型掃碼器的全向掃描模式可解讀所有標準一維條碼以及PDF417、QR Code、Data Matrix、Aztec Code等二維條碼，其掃描角度為水平50°、垂直20°。H21型掃碼器有USB、RS-232等接口模式，本研究選擇掃碼器的串口模式與STM32型微處理器相連。掃碼器將掃描得到的條碼信息傳送至串口的數(shù)據(jù)寄存器，微處理器檢測到數(shù)據(jù)寄存器有數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)讀取至內(nèi)存中，然后將條碼信息通過串口傳送至上位機。

1.2軟件設(shè)計

本研究中，上位機信息采集顯示軟件在Windows 8操作系統(tǒng)下、Visual Studio 2012編程環(huán)境中，使用C# 語言調(diào)用 SerialPort 類實現(xiàn)串口通信功能（圖5），此類提供同步I/O、事件驅(qū)動I/O、對管腳和中斷狀態(tài)的訪問、對串行驅(qū)動程序?qū)傩缘脑L問，為應(yīng)用程序提供通過串口收發(fā)數(shù)據(jù)的簡便方法，具有功能強大、通信快速、實時性好等特點[15]。

最終編寫的上位機見圖6，能夠?qū)崟r采集并顯示果蔬冷鏈物流過程中的溫濕度信息、果蔬條碼信息、運輸車的經(jīng)緯度和地理位置信息。

2結(jié)果與分析

溫度參數(shù)檢測精度在監(jiān)測系統(tǒng)中最重要，本研究對其進行測試。試驗在不同溫度的環(huán)境下進行監(jiān)測，將監(jiān)測結(jié)果與AZ7752型溫濕度采集器采集的20組數(shù)據(jù)進行對比（圖7）。結(jié)果表明，系統(tǒng)精度滿足果蔬冷鏈物流中溫濕度監(jiān)測精度的要求，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定。

3總結(jié)

針對目前冷鏈運輸環(huán)節(jié)追溯信息不透明的問題，設(shè)計了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的果蔬溫濕度實時監(jiān)測系統(tǒng)。本試驗?zāi)M了果蔬的冷鏈運輸環(huán)境，并對冷鏈運輸過程中果蔬所處環(huán)境的溫濕度信息、車輛位置信息進行監(jiān)測，證實了試驗的可行性。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對果蔬冷鏈物流的信息化起重要作用，其在冷鏈物流中的應(yīng)用已成為一種趨勢，對提高食品品質(zhì)、保證食品安全具有重要意義。

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