冷鏈物流的變質(zhì)傳感信號追蹤器的設(shè)計與實現(xiàn)

王身相

摘 要： 當前變質(zhì)傳感信號追蹤器采用廣播無線電波技術(shù)，不能有效對變質(zhì)信號進行采集，追蹤精度不高，整體性能低下。為此，設(shè)計與實現(xiàn)了一種新的冷鏈物流的變質(zhì)傳感信號追蹤器，介紹了追蹤器的硬件總體結(jié)構(gòu)以及控制芯片和電源電路的設(shè)計過程，通過CMOS傳感器對光子進行探測，對食物變質(zhì)情況進行成像處理。為了準確獲取所有子節(jié)點的環(huán)境數(shù)據(jù)，設(shè)計了一套主節(jié)點和追蹤器之間的數(shù)據(jù)幀格式，給出追蹤器軟件的基本流程。實驗結(jié)果表明該追蹤器能夠有效地對變質(zhì)傳感信號進行追蹤。

關(guān)鍵詞： 冷鏈物流； 變質(zhì)傳感信號； 追蹤器； 光子探測

中圖分類號： TN02?34； TP216 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）07?0040?03

Design and implementation of metamorphic sensing signal tracker for cold chain logistics

WANG Shenxiang

（Department of Logistics， Guangzhou College of Technology and Business， Guangzhou 510800， China）

Abstract： The broadcast radio wave technology used by the current metamorphic sensing signal tracker can′t acquire the metamorphic signal effectively， and has low tracking accuracy， and poor overall performance. Therefore a new metamorphic sensing signal tracker for the cold chain logistics was designed and implemented. The hardware overall structure of the tracker is introduced. The design process of the control chip and power circuit is presented in detail. The CMOS sensor is adopted to detect the photons to image the food spoilage. In order to acquire the environmental data of all the child nodes accurately， a set data frame format for the master node and tracker was designed. The software design process of the tracker is given. The experimental results show that the tracker can trace the metamorphic sensing signal effectively.

Keywords： cold chain logistics； metamorphic sensing signal； tracker； photon detection

0 引 言

在冷鏈物流中，運輸時食品變質(zhì)信號主要源于遠程食品運輸車中安裝的變質(zhì)傳感器，通過塑造無線傳感器網(wǎng)絡(luò)獲取食品的變質(zhì)信號，信號源通常為冷鏈物流中運輸食品的溫度、濕度、腐敗物質(zhì)圖像等信息[1?3]。在運輸時對變質(zhì)傳感信號進行追蹤，可完成對遠程運輸食品的有效監(jiān)控，防止食品變質(zhì)[4?5]。因此，設(shè)計一種有效的冷鏈物流變質(zhì)傳感信號追蹤器具有重要意義，能夠保證食品的質(zhì)量[6]。

本文設(shè)計與實現(xiàn)了一種新的冷鏈物流的變質(zhì)傳感信號追蹤器，實驗結(jié)果表明，所設(shè)計追蹤器能夠有效地對變質(zhì)傳感信號進行追蹤。

1 冷鏈物流的變質(zhì)傳感器信號追蹤器設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 變質(zhì)傳感器信號追蹤器硬件設(shè)計

1.1.1 變質(zhì)傳感器信號追蹤器硬件總體設(shè)計

冷鏈物流的變質(zhì)傳感信號追蹤器硬件部分主要由傳感器采集節(jié)點、控制模塊和監(jiān)控中心三部分組成，其中控制模塊是硬件部分的核心。通過傳感器采集節(jié)點對濕度、溫度和食物變質(zhì)像素信號進行采集，傳輸至控制芯片中進行追蹤處理，將處理結(jié)果傳輸至監(jiān)控中心。設(shè)計的冷鏈物流的變質(zhì)傳感信號追蹤器硬件部分總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1.2 控制芯片結(jié)構(gòu)

控制芯片選用一種新型的自動偏置（self?biased）探測單元結(jié)構(gòu)，在該控制芯片結(jié)構(gòu)下，信號的部分輸出和輸出緩沖器直接相連，把檢測的模擬信號直接輸出，用于信號指標的測定[7]。信號的其他輸出和處理電路相連，依據(jù)既定閾值將電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再利用移位寄存器對其進行編碼，經(jīng)4路串行輸出。控制芯片的控制信號來自集成在芯片上的邏輯控制器。邏輯控制器的初始化通過PC機編程完成。

控制芯片的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

1.1.3 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件組成

無線傳感網(wǎng)絡(luò)主要負責對冷鏈物流中食品保鮮運輸車中的溫度信息、濕度信息及食品變質(zhì)信息進行采集。無線傳感網(wǎng)絡(luò)主要包括一個主節(jié)點及若干子節(jié)點。子節(jié)點上安裝了溫度傳感器、濕度傳感器及像素傳感器，子節(jié)點在接收到主節(jié)點的命令后，把采集到的信息傳輸至主節(jié)點[8]。主節(jié)點利用串口把從所有子節(jié)點接收到的信息傳輸至控制終端以實現(xiàn)變質(zhì)傳感信號的追蹤。

本節(jié)將AVR單片機ATMEGA16看作無線傳感網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點與子節(jié)點的微控制器，將DS18B20作為溫度傳感器，將HIH?4000?003作為濕度傳感器。

ATMEGA16微控制器執(zhí)行速度快，數(shù)據(jù)吞吐率高達1 MIPS/MHz，能夠降低功耗，其引腳結(jié)構(gòu)如圖3所示。

DS18B20屬于數(shù)字溫度傳感器，其有很高的穩(wěn)定性和抗干擾能力，且精度高，其引腳分布如圖4所示。

分析圖4可知，DS18B20是“一線”總線數(shù)字傳感器，其在寄生電源模式下運行，DQ引腳不僅是電源線也是數(shù)據(jù)線，DS18B20利用DQ引腳對內(nèi)置電容進行充電，再將該電容看作電源，最后利用DQ引腳傳輸數(shù)字溫度信息。

H1H?4000?003是由霍尼韋爾（Honeywell）公司生產(chǎn)的濕度傳感器，其精度高、能耗低，滿足設(shè)計要求[9]。

本節(jié)通過CMOS傳感器對光子進行探測，對食物進行成像處理，結(jié)合像素在CMOS傳感器中形成的信號特點和信號追蹤器讀取數(shù)據(jù)的速度要求，設(shè)計了像素檢測電路，如圖5所示。

圖5中，一個電壓增益是3～4 V的共源電壓放大器被安裝于輸出節(jié)點上，以及時對信號進行放大處理，增強了信號的干擾抑制能力。在處理電路上添加了一個控制信號，負責對食物變質(zhì)像素信號進行輸出。

1.1.4 電源電路設(shè)計

電源是整個變質(zhì)傳感信號追蹤器正常工作的基礎(chǔ)保障，在對電源進行設(shè)計的過程中需考慮噪聲、電源供電、能耗等因素[10]。變質(zhì)傳感器信號追蹤器各部分所需電壓不同，本節(jié)通過電源轉(zhuǎn)換部分為各模塊提供不同電壓，安全性和穩(wěn)定性較高，設(shè)計的電源電路如圖6所示。

1.2 追蹤器軟件設(shè)計

冷鏈物流的變質(zhì)傳感信號追蹤器就是將無線傳感器主節(jié)點傳輸?shù)男畔⑦M行追蹤處理，無線傳感網(wǎng)絡(luò)中有很多子節(jié)點，為了準確獲取所有子節(jié)點的環(huán)境數(shù)據(jù)，本節(jié)設(shè)計了一套主節(jié)點和追蹤器之間的數(shù)據(jù)幀格式，如圖7所示。

數(shù)據(jù)幀通過定長幀手段對各塊數(shù)據(jù)進行分離。其中幀頭1字節(jié)是0x24，節(jié)點編號占1 B，溫度、濕度和像素數(shù)據(jù)各占2 B，幀尾1字節(jié)是0x2A，則子節(jié)點數(shù)量最多為266個。其中高位保存的是小數(shù)點前的數(shù)值，低位保存的是小數(shù)點之后的數(shù)值。

在軟件運行時，為了保證冷鏈物流變質(zhì)信號追蹤的實時性，每隔很短的時間就要重新運行一次，設(shè)計的追蹤器軟件基本流程如圖8所示。軟件設(shè)計主要是為了將串口接收到的傳感器信號讀出，并對其進行追蹤和存儲處理。

2 實驗結(jié)果分析

為了驗證本文設(shè)計系統(tǒng)對冷鏈物流變質(zhì)傳感信號的追蹤性能，將ARM追蹤器和RFID追蹤器作為對比進行實驗。實驗選用PC機為Windows 7.0系統(tǒng)，傳感器設(shè)定方位角度在0～90°內(nèi)變化。令運輸車輛溫度保持在7 ℃左右，信噪比設(shè)置為70 dB，分別采用本文追蹤器、ARM追蹤器和RFID追蹤器對冷鏈物流中所有食品的變質(zhì)傳感信號進行追蹤，針對某一變質(zhì)信號，三種方法追蹤結(jié)果與實際信號變化情況如圖9所示。

分析圖9可以看出，采用本文追蹤器得到的結(jié)果和實際變質(zhì)傳感信號的變化情況最為接近，而ARM追蹤器和RFID追蹤器對變質(zhì)傳感信號的追蹤曲線與實際變化情況存在很大差異，追蹤效果不佳，追蹤能力低下。

圖9 三種方法追蹤結(jié)果和實際結(jié)果比較

3 結(jié) 論

本文設(shè)計與實現(xiàn)了一種新的冷鏈物流的變質(zhì)傳感信號追蹤器，介紹了追蹤器的硬件總體結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一套主節(jié)點和追蹤器之間的數(shù)據(jù)幀格式，給出追蹤器軟件的基本流程。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計追蹤器能夠有效地對變質(zhì)傳感信號進行追蹤。

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