引言

隨著國民經濟的不斷發展，人們的物質生活水平快速提高，人們對食品的新鮮度、營養價值和食品安全方面的要求也逐漸提高。冷鏈是以保證物品品質為目的，使其保持低溫環境為核心要求的供應鏈系統。冷藏車是冷鏈的重要環節，伴隨整個冷鏈過程，也伴隨著物品從產地、工廠、儲藏、零售等每個環節間的流動。車廂微環境感知對冷藏車至關重要，對保持果蔬正常生理和優良品質是極為重要的。所以，在流通過程中，都要求對冷藏運輸系統的全過程進行實時做環境信息的感知、傳輸和處理，跟蹤微環境控制情況。

由于冷藏車車廂與駕駛室是隔開的，因此，及時掌握冷藏車廂里的信息十分重要。基于無線傳感器技術的監測系統為冷藏車廂內環境信息的采集提供了很好的途徑。ZigBee無線網絡由于其具有低成本、低功耗和自組網功能，因而具有低成本、低功耗、小體積、安全性強的特點。GPRS通信技術是一種高效、低成本的無線分組數據業務，可提供TCP／IP連接，可用于Internet連接、數據傳輸等，同時其具有網絡運行穩定、傳輸距離遠、不受時間和空間的限制等特點，因而被廣泛應用于遠距離數據傳輸。無線傳感器網絡作為一種新的信息獲取技術，憑借其低功耗、低成本、高可靠性等特點，已逐漸滲透到農業生產、藥品監管、物流等領域。在本文之前，郭斌等基于ZigBee技術的JN5139為無線節點信息處理的核心，結合溫濕度傳感器模塊設計了采集節點，構建了車載環境中的無線傳感器網絡，結合嵌入式和．net技術開發了果蔬冷鏈配送環境信息采集上位機軟件，解決了數據采集和實時監測的問題。韓芝俠則以射頻芯片CC2500、微控制PIC18F4620及M23模塊為核心，設計了系統網絡節點的硬件平臺，給出了網絡協調器和終端節點的軟件設計流程。顧延濤等設計了一種以ARM11高性能微處理器為核心的嵌入式車載信息采集系統，并通過ZigBee技術和GPS定位技術實現對儲運參數的采集，同時采用GSM網絡的短信業務實現對儲運參數的傳輸。李雪剛則利用ARM處理器和嵌入式Linux技術，結合無線通信網絡，通過智能手機客戶端實現了可隨時隨地進行C／S模式的遠程監控的智能農業系統。

本文針對冷鏈儲運設備在儲運過程中微環境調控精度低、儲運農產品質量安全保障性差等突出問題，提出了一種冷藏車車廂微環境信息感知系統。該系統是一種基于ZigBee技術和GPRS技術相結合的遠程信息采集、監控、傳輸以及網絡發布系統，可實現車廂微環境農產品品質監測以及設備微環境的監測與調控。

1、 系統結構

冷藏車車廂微環境信息感知系統由信息采集模塊、數據傳輸模塊與感知軟件模塊等3部分組成。信息采集模塊通過不同集成度的智能傳感器來實時采集蘋果儲藏環境中的溫度、氧量、二氧化碳含量、乙烯等信息。數據傳輸模塊將采集信號傳送至ZigBee無線節點，并通過ZigB ee技術的網絡拓撲結構建立基于ZigBee的無線傳輸網絡，將所采集的數據周期性傳輸至主節點：主節點收到數據后，由微處理器模塊對數據進行存儲與管理，并傳輸給GPRS模塊，由GPRS網絡將采集的數據傳輸至接收模塊，將數據存儲于服務器。感知軟件模塊通過數據庫服務平臺和數據庫接收存儲程序實現對數據的實時監控與數據超限報警，從而實現對冷藏車車廂內微環境的感知與遠程控制預警。圖1所示是其冷藏車車廂微環境信息感知系統的結構圖。

ZigBee無線網絡負責數據采集和監測，同一個站點由多個傳感器節點和一個匯聚節點組成，傳感器節點之間通過自組織方式組成網絡，傳感器節點監測的數據沿著其他傳感器節點逐跳地進行傳輸，經過多個節點跳轉傳輸后，路由到匯聚節點。每個傳感器節點可以根據不同的需求接入相應的傳感器和執行設備。各站點的匯聚節點通過GPRS模塊實現遠程數據傳輸，以把數據發送到終端服務器。然后由終端服務器軟件采用B／S體系架構對數據進行處理。

2 、系統設計

2．1 傳感器節點

傳感器節點處在冷藏車車廂微環境信息感知系統的最基礎部分，是整個系統的感知部分，負責對冷藏車車廂微環境信息感知系統進行監測。冷鏈運輸可以被看作是在車廂內的特殊微環境下的短期儲藏，廂體內的溫度、濕度、氣體成分等都會對貨物的運輸品質產生重要影響。

溫度是運輸中最受關注的環境條件之一。運輸溫度對產品品質起著決定性的影響，從原料到成品，任何細小的溫度變化都會導致細菌的滋生及食品質量的降低。溫度過高，會加快產品衰老，使品質下降：溫度過低，使產品容易受冷或凍害。此外，在運輸過程中，溫度波動頻繁或過大都對保持產品質量不利。

事實上，濕度也是很重要的。在低溫運輸條件下，由于車廂的密封和產品堆積的高度密集，運輸環境中的相對濕度常在很短的時間內即達到95％～100％，高濕度會影響果蔬的品質和腐爛率。

另外就是氣體成分。在低溫運輸中，由于車鞴體的密閉，運輸環境中就可能會有CO2的積累。

本系統中的溫濕度傳感器模塊采用的是瑞士Sensirion公司出品的SHT75溫濕度傳感器。該模塊具有14位A／D轉換器，測濕精度±1．8％RH，測溫精度±0_3℃，量程范圍-40～123．8℃。模塊中的二氧化碳傳感器采用B-530，該傳感器的測量范圍為0～10 000 ppm，檢測精度為±30 ppm±5％讀數，具有高可靠性、穩定性、快速響應性和對外界干擾的低靈敏度等特點，性價比較高。傳感器末梢節點是一個帶外圍傳感器（溫度感應器、濕度感應器、光強感應器等）和ZigBee無線通信模塊的低功耗嵌入式MCU，可采用電池供電，并具有感知數據采集、計算處理、無線通信、自動組網和設備控制等能力。

2．2 處理器模塊

處理器模塊是整個網絡協調器的核心，負責信息的管理與收發，要求有較高的存儲能力。本系統選擇基于ARM9S3C2430內核的微控制器（MCU），操作系統為Linux。基于ARM9的Linux程序能以IAR平臺為核心開發，專門用于處理多任務，并可轉化信號，將ZigBee信息發送到GPRS接收端。

2．3 GPRS傳輸模塊

該模塊是實現數據遠程無線傳輸的關鍵，采用GPRS通信芯片SIM900。SIM900具備TCP／IP協議棧，可支持幾種頻段的操作。通過串口連接網絡協調器與計算機，基于Linux操作系統的操作平臺燒寫接收程序，并可在服務器端開發信息接收程序和解析PDU（Protocol Data Unit，協議數據單元）碼，以便接收數據并自動寫入數據庫。

2．4 冷藏車車廂環境信息感知系統

考慮到冷藏車車廂環境信息感知系統模塊的多用戶性和可擴展性，本系統采用B／S體系結構，終端服務器為系統數據接收、處理和發布的中心，可由數據通信軟件和基于Web的數據分析顯示軟件系統組成，其功能模塊如圖2所示。

圖2中的系統管理模塊包括權限管理和系統維護功能。可根據不同的用戶設定不同的權限，以保證系統數據的安全性。

遠程信息控制模塊可以為用戶提供設備遠程控制、信息瀏覽、數據查詢及記錄下載等服務，包括設備管理、遠程預警、數據實時顯示、信息查詢等功能。在冷藏車微環境的管理中，對車廂的儲藏環境實行品質安全預警，也就是對影響冷藏車車廂內的貨物品質質量安全的環境中的溫濕度進行實時監測，以便實時提出預警信息，給出糾偏建議，提醒冷藏車管理者。

遠程預警是通過對比設定的冷藏車車廂中的標準儲藏參數來實現的。將車廂內溫濕度含量按照貨物的儲藏標準設置為標準數據，可在檢測到車廂微環境內含量超標或者低于標準數據時發送預警信號，傳送給管理員提示信息，提示需要采取增加氧氣或者降溫，同時將實時信息數據傳送給服務器，并保存至數據庫，實現對果品儲藏期的品質安全質量監控。

針對以往監測系統中信息采集參數不易更改，缺乏控制的情況，本系統設計了遠程參數設置模塊。各傳感器節電的工作模式、數據采樣時間等系統參數的設置，都可通過客戶端遠程設置頁面完成。服務器后臺處理程序可以從數據庫讀取設置的參數值，并通過GPRS網絡以短信方式發送至網關節點，再經底層傳感器網絡完成對傳感器節點的參數設置。這樣，通過與服務器數據庫的交互，就可實現Web方式下客戶端對傳感器節點的遠程參數設置功能。

數據管理模塊包括數據接收、解析、存儲和處理等功能。通過監聽服務器端口和創建控件數組，可同時接受多個連接請求，將網關節點通過GPRS發來的數據按照自定義的數據幀協議解析后存入數據庫。

3、 系統性能測試

本系統于2012年8月份在中集車輛（山東）有限公司的型號為JG5045XLCD冷藏車輛上進行了測試，其貨箱內部尺寸（長×寬×高）為：4 200 mm×1 800 mm×2 000 mm。冷藏車車廂的厚度為82 mm。其中，車廂兩側采用內外2．5 mm的玻璃鋼板，中間夾77mm厚的新型無氟聚氨酯發泡材料。在環境溫度0℃、濕度90％的環境中進行了信息采集傳輸模塊的性能測試，即包接收率（PRR）實驗。本實驗中包接收率（PRR）等于協調器接收到并通過GPRS傳輸到數據庫中的包的數量與環境信息采集節點總發出包的數量之比。測試過程中使用的電池為2節普通華太7號電池，采集間隔時間為10 s，共測5 000個數據包，花費時間約為850 min。

由于冷藏車車廂采用雙面玻璃鋼聚氨酯夾芯保溫板材料，對無線信號存在一些阻擋與吸收，因此在其通信過程中產生了一些丟包隋況。另外，12 h以后，由于電池質量原因，發送信號也受到一些干擾，但總體測試結果仍能保證85％以上包接收率，圖3所示是其溫度收包率測試結果。可見，在企業應用過程中，其實時監測密度下的結果可以滿足使用要求。

4、 系統應用

冷藏車車廂環境信息感知系統通過在冷藏箱內部固定位置點分布式布置溫度傳感器，傳感器每隔一定的時間采集一次信號。除可對溫度外，還可根據需要加裝其他感應器（如門探測感應器等），以便通過對冷藏箱內部環境的準確監測和實時信號采集與報警，實現對冷藏箱內部貨物品質的監管。冷藏車智能安全監控系統還可以通過專用接口與冷凍機相連，實時對冷凍機的運行狀態（如送風溫度、回風溫度、環境溫度等）進行監控，并可遠程控制冷凍機的運行參數及工作模式，如遠程改變設定溫度、遠程啟動除霜、遠程啟動除濕等。當冷凍機出現故障時，也可以實時上傳故障代碼，通過短信等方式通知管理人員。

5、 結論

本文給出了一種車廂微環境內多點溫濕度監測單元的設計方法，構建了冷庫中的ZigBee無線傳感器網絡，并通過GPRS技術進行了遠程傳輸，可實現冷鏈儲運過程中多種環節參數的同步監測，從而實現對冷庫內的環境信息的實時動態采集、傳輸及預警；同時，設計了基于ZigB ee的無線傳感器網絡結構的多傳感器結構的數據采集節點，可實現多種數據的采集、匯總；另外也設計了冷藏車車廂環境信息感知系統，可實現各種采集數據的融合，并可進行顯示。

通過使用本系統，可以有效地對冷藏車車廂內微環境進行實時遠程監控，讓管理者能夠實時了解冷藏車車廂的微環境狀況變化，在出現預警信息時，能及時采取有效措施，從而保證在冷鏈運輸過程中的農產品品質。

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