基于環(huán)境感知的荔枝智能倉儲系統(tǒng)設(shè)計

盛 國

（浙江郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與通信工程學(xué)院，浙江 紹興312366）

荔枝作為南熱帶果品，具有豐富的營養(yǎng)價值，也是老少皆宜的水果，深受消費者的喜愛。但是由于荔枝采后易腐爛變質(zhì)，保鮮期極其短暫，對于荔枝的保鮮倉儲和運輸帶來極大挑戰(zhàn)［1-2］。目前荔枝低溫貯藏是較為低成本的保鮮儲存方法，通過采后低溫貯藏和冷鏈運輸可以一定程度上滿足北方消費者品嘗荔枝的消費需求［3-4］。但是現(xiàn)階段我國荔枝保鮮信息化水平仍然存在偏低的問題，荔枝采后在貯運環(huán)節(jié)損耗極大，每年總產(chǎn)量占20%以上，經(jīng)濟損失巨大［5］。很多研究工作基本集中在荔枝保鮮技術(shù)的研究上，王欲翠等［6］提出了組合保鮮技術(shù)提高荔枝貯藏水平，廖仁昭等［7］研究低溫貯藏對不同品種荔枝的品質(zhì)影響。除了研究有效的保鮮技術(shù)外，加強對荔枝貯藏和運輸過程的監(jiān)測同樣對于降低荔枝損耗率較為重要，黃臻燕［8］對漳州地區(qū)的荔枝冷鏈物流現(xiàn)狀進行了分析，指出需要提高冷鏈物流階段的信息化水平。

隨著當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)和5G 技術(shù)的快速發(fā)展，將這些技術(shù)應(yīng)用于果蔬保鮮也成為重要的發(fā)展趨勢［9］。程如岐等［10］提出了采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對果蔬新鮮度進行監(jiān)測。針對荔枝對于低溫保鮮要求較高的情況，本文設(shè)計了基于環(huán)境感知的荔枝智能倉儲系統(tǒng)，充分利用當(dāng)前的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和快速傳輸?shù)臒o線通信技術(shù)，達到對于荔枝倉儲環(huán)境的快速感知、分析和預(yù)警，提高倉儲環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控與預(yù)警效率。

1 基于環(huán)境感知的荔枝智能倉儲系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的基于環(huán)境感知的荔枝智能倉儲系統(tǒng)充分結(jié)合當(dāng)前的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和快速傳輸?shù)臒o線通信技術(shù)，系統(tǒng)功能主要分為三個部分：環(huán)境感知數(shù)據(jù)獲取、環(huán)境感知數(shù)據(jù)分析以及環(huán)境感知數(shù)據(jù)用戶顯示，其中，環(huán)境感知數(shù)據(jù)獲取部分由溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器、CC2530 節(jié)點以及嵌入式網(wǎng)關(guān)組成；環(huán)境感知數(shù)據(jù)分析由云服務(wù)器運行本文的程序進行分析處理；環(huán)境感知數(shù)據(jù)用戶顯示部分可以由各類終端通過廣域網(wǎng)和4G/5G 訪問云服務(wù)器獲取顯示。系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 基于環(huán)境感知的荔枝智能倉儲系統(tǒng)框圖

1.1 溫濕度傳感器節(jié)點設(shè)計

DHT11 溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，其濕度測量范圍和溫度測量范圍分別為20%～90%RH（相對濕度）和0～50 ℃，測濕精度和測溫精度分別為±5%RH 和±2 ℃，傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC 測溫元件，其具有較高的采集精度、極低的功耗，采用串行傳輸可達20 m 以上。采用4 針單排引腳封裝。應(yīng)用領(lǐng)域包括汽車、自動控制、氣象站、家電、醫(yī)療等。圖2 為溫濕度傳感器DHT11 電路原理圖，圖3 為溫濕度數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計流程圖。

圖2 溫濕度傳感器DHT11 電路原理圖

圖3 DHT11 溫濕度讀取軟件設(shè)計流程圖

1.2 二氧化碳傳感器節(jié)點設(shè)計

SGP30 是一款單一芯片上具有多個傳感元件的金屬氧化物氣體傳感器，內(nèi)集成4 個氣體傳感元件，具有校準(zhǔn)的空氣質(zhì)量輸出信號，其二氧化碳氣體測試范圍為400 到60 000 ppm（百萬分比濃度），測試精度為1～31 ppm，可應(yīng)用于智能家居、家電和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的環(huán)境監(jiān)測。圖4 為二氧化碳傳感器SGP30 電路原理圖，圖5 為二氧化碳傳感數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計流程圖。

圖4 二氧化碳傳感器SGP30 電路原理圖

圖5 SGP30 二氧化碳濃度讀取軟件設(shè)計流程圖

2 通信協(xié)議設(shè)計

2.1 基于ZigBee 的多傳感數(shù)據(jù)通信協(xié)議設(shè)計

ZigBee 是一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要用于工業(yè)現(xiàn)場自動化控制數(shù)據(jù)傳輸。ZigBee 協(xié)議棧包括IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的物理層和MAC 層，以及ZigBee 的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

由于本系統(tǒng)涉及多種類型環(huán)境傳感數(shù)據(jù)的采集，為滿足多傳感器數(shù)據(jù)有效傳輸?shù)男枰?，對于傳統(tǒng)的MAC 層負載內(nèi)容格式進行重新優(yōu)化設(shè)計。本文設(shè)計基于ZigBee 的多傳感數(shù)據(jù)通信協(xié)議在負載部分定義格式包括傳感器類型、傳感器數(shù)據(jù)個數(shù)和傳感器負載數(shù)據(jù)3 部分，如表1 所示。

表1 負載協(xié)議格式

2.2 基于UDP 的多傳感數(shù)據(jù)通信協(xié)議設(shè)計

考慮到本文所設(shè)計的系統(tǒng)需要滿足實時監(jiān)測環(huán)境狀態(tài)的需要，因此采用基于UDP 協(xié)議進行嵌入式網(wǎng)關(guān)和云服務(wù)器之間的多傳感數(shù)據(jù)傳輸。UDP 協(xié)議在傳送數(shù)據(jù)之前不需要先建立連接。對方的運輸層在收到UDP 報文后，不需要給出任何確認。雖然UDP 不提供可靠交付，但在某些情況下UDP 是一種最有效的工作方式?；赨DP 的多傳感數(shù)據(jù)通信協(xié)議格式如表2 所示，圖6 為基于UDP 協(xié)議完成多傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)過程。

表2 基于UDP 的多傳感數(shù)據(jù)通信協(xié)議格式

3 服務(wù)器端智能管理系統(tǒng)設(shè)計

圖6 基于UDP 協(xié)議完成多傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)過程

為了在云服務(wù)器端對各品種的荔枝進行智能倉儲管理，本文在服務(wù)器端設(shè)計一套基于C#WinForm技術(shù)的智能管理系統(tǒng)，功能框圖如圖7 所示。C#語言是微軟公司推出的面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，能夠快速構(gòu)建基于Windows 和Internet 的應(yīng)用程序和組件，開發(fā)人員可使用C#開發(fā)多種類型的應(yīng)用程序。

本文在服務(wù)器端采用Access 2010 數(shù)據(jù)庫來存儲各節(jié)點的歷史環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)。為有效訪問和存儲來自各傳感節(jié)點數(shù)據(jù)，本文系統(tǒng)采用ADO.NET 模型完成對Access 2010 數(shù)據(jù)庫的連接和訪問操作。ADO.NET 是應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)源之間的橋梁，通過ADO.NET 模型所提供的對象，再配合SQL 語句即可訪問數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。

圖7 管理系統(tǒng)功能框圖

4 實驗結(jié)果

本文實驗主要測試各傳感節(jié)點傳輸正確率。實驗所用傳感器類型包括溫濕度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、CC2530 節(jié)點、基于ARM Cortex-M4 嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)備以及服務(wù)器。圖8 為基于ARM Cortex-M4 嵌入式網(wǎng)關(guān)開發(fā)板，完成傳感數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。服務(wù)器端運行程序效果如圖9 所示，可以顯示對應(yīng)倉庫和相對荔枝品種的當(dāng)前環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，并根據(jù)預(yù)先設(shè)置的報警閾值對異常傳感數(shù)據(jù)進行報警，如圖中白色欄目所示，從而可以使得監(jiān)測更加智能便捷。

圖8 基于ARM Cortex-M4 嵌入式網(wǎng)關(guān)開發(fā)板

圖9 服務(wù)器端荔枝智能管理系統(tǒng)運行圖

5 結(jié)語

本文提出了一種基于環(huán)境感知的荔枝智能倉儲系統(tǒng)設(shè)計，在提出的設(shè)計中充分利用當(dāng)前的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和快速傳輸?shù)臒o線通信技術(shù)，達到對于荔枝倉儲環(huán)境的快速感知、分析和預(yù)警，提高倉儲環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控與預(yù)警效率，從而有利于降低荔枝損耗率，發(fā)揮冷鏈物流信息化價值。

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