鮮食葡萄具有很高的營養價值和食療價值。隨著社會進步和人們生活水平的提高，對鮮食葡萄質量安全越來越關注。為了確保食品鮮食葡萄質量安全，物流過程中多采用冷鏈技術，通過實時監測并調節儲運中的溫濕度環境，使葡萄全程處于適宜的冷藏環境。但是，即使鮮食葡萄處在適宜的冷藏環境中，微生物仍然處在緩慢生長狀態，在長時間的運輸途中同樣容易出現腐爛變質的情況，不能達到保鮮目的。因此，一般在冷鏈物流過程中，有效耦合應用保鮮技術可以降低農產品的新陳代謝及其呼吸速度，抑制冷藏環境中的細菌生長，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，有可以導致SO2釋放過快,不僅導致鮮食葡萄漂泊損傷及影響人體健康與環境，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測與調節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。無線傳感器網絡作為一種新的信息獲取技術，尤其是ZigBee技術，憑借其低功耗、低成本、高可靠性等特點，廣泛地應用于工業、農業等領域[3]。現有的SO2傳感器主要是應用于工業環境，其精度與量程不能滿足鮮食葡萄等農產品冷鏈物流需要[4]。
    本文針對鮮食葡萄冷鏈物流監測需求，應用ZigBee無線傳感器網絡技術，集成溫濕度傳感器、SO2傳感器設計了面向鮮食葡萄冷鏈物流的無線傳感器節點，同時設計了用于數據匯集的協調器網關節點以及遠程實時監測系統，并進行了相關的性能測試。
1 系統基本結構
    面向鮮食葡萄冷鏈物流的無線實時監測系統是一個無線傳感信息采集系統，其基本結構主要由無線傳感器網絡單元和遠程實時監控單元組成，無線傳感器網絡端與遠程實時監控端的數據通信則是通過GPRS遠程傳輸方式進行，系統基本結構如圖1所示。

2 系統硬件設計
    系統硬件結構如圖2所示，主要包括無線傳感器節點部分和協調器部分。

2.1 無線傳感器節點設計
    無線傳感器節點即終端節點，實時感知著整個冷鏈物流過程中鮮食葡萄環境中的溫濕度、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，結構如圖2所示。
    經過文獻查詢[5-6]及調研結果得到鮮食葡萄冷鏈環境下溫度、相對濕度及SO2體積含量的理論監測范圍，根據其范圍選擇合適的傳感器，鮮食葡萄冷鏈環境下的監測參數及傳感器選擇情況如表1所示。

    本系統主控芯片采用TI公司的片上系統(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轉換器的SHT11數字溫濕度傳感器。SO2傳感器模塊則采用瑞士MEMBRAPOR公司生產的基于三電極系統的電化學MF-20型SO2傳感器。
2.2 協調器設計
    協調器是整個無線傳感器網絡的關鍵，它既負責建立和維護整個ZigBee網絡,同時還需要接收采集節點的信息并將匯集來的數據信息整合上傳至遠程實時監控端。本文設計的協調器節點還通過RS-232串行接口與GPRS模塊相連接以實現無線傳感器網絡與遠程實時監控端的遠程通信,實現無線網關的功能，協調器的基本結構如圖2所示。
    GPRS模塊采用廣州致遠電子有限公司的具有小體積和靈活應用方式的ZWG-28DP嵌入式工業級GPRS無線模塊。通過配置GPRS模塊的相關網絡參數以實現GPRS與Internet的連接，最終實現將無線傳感器網絡實時采集的數據傳送至遠程實時監控端。
3 系統軟件設計
    本文的軟件開發系統采用IAR Embedded Workbench for 8051嵌入式集成開發環境，軟件設計采用TI公司針對其ZigBee芯片開發的采用事件輪詢機制的半開源Z-Stack協議棧，開發語言為C語言。系統遠程監控端的監控軟件采用NI公司的LabVIEW圖形化軟件進行開發。
3.1 無線傳感器節點軟件設計
    無線傳感器節點與SHT11和SO2傳感器通信程序及數據采集程序都只需在Z-Stack協議棧的應用層開發。應用層分別定義了溫濕度采集任務及SO2采集任務.當有任務就緒時，調用相應的處理函數;無就緒任務時，系統進入休眠實現低功耗。數據采集與傳輸的流程如圖3中(1)所示。

3.2 協調器軟件設計
    協調器首先對串口等硬件進行初始化，之后協調器組建一個ZigBee網絡并等待節點加入網絡。當協調器接收到數據信息時，它會回復ACK應答信號確認收到數據，同時將數據上傳，在串口發送失敗時協調器復位串口并重新發送。協調器應用層數據接收與轉發流程如圖3中(2)所示。
3.3 遠程監控軟件設計
    系統遠程監控軟件運行在遠程的數據監控端，協調器通過GPRS模塊實現現場監測數據實時與遠程監控軟件的通信。
    遠程監控軟件具有數據實時收集、實時曲線顯示、存儲管理、歷史數據查詢以及系統相關的配置等功能。
4 系統測試結果與分析
4.1測試條件
    葡萄冷鏈環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。分別向傳感器節點及協調器燒入相應的嵌入式程序，協調器同時通過RS232串口與GPRS模塊連接，以實現數據遠程傳輸的網關功能。
4.2 模擬冷鏈環境下的系統測試
    本測試在中國農業大學信息與電氣工程學院進行，選用國家農產品保鮮技術中心(天津)生產的袋裝SO2型保鮮劑，在變溫箱中放置一定的鮮食葡萄，將傳感器節點放入變溫箱內， 密閉艙門， 設置變溫箱在0℃運行24 h，進行葡萄模擬冷鏈環境的系統測試，傳感器數據采樣間隔為10 min。協調器通過GPRS模塊將匯集的數據信息上傳到遠程監控軟件，并由該軟件實時存儲入庫的同時實時顯示數據接收情況。傳感器節點采集的溫濕度及SO2釋放濃度數據如圖4所示。

    測試結果表明，傳感器節點在冷鏈環境能夠穩定、準確監測環境中的溫度、相對濕度、SO2濃度等關鍵參數的變化過程。鮮食葡萄冷鏈環境下溫濕度及SO2釋放濃度采集傳輸過程中的數據延遲對系統應用的影響并不大，系統能夠實時接收采集的數據，并且采集的數據穩定可靠，能夠滿足實際鮮食葡萄冷鏈的應用需求。
    本文以CC2530片上系統為核心設計的面向鮮食葡萄冷鏈物流的無線實時監測系統，采用低功耗、低成本的ZigBee協議棧為軟件開發，適用于鮮食葡萄冷鏈物流環境，能夠實現環境監測數據的實時、可靠傳輸。系統在葡萄冷鏈環境(0℃恒溫)的測試表明，傳感器節點在冷鏈環境能夠穩定、準確監測環境中的溫度、相對濕度、SO2濃度等關鍵參數的變化過程。傳感器監測數據可信，監測系統能夠很好地應用于鮮食葡萄冷鏈物流過程。
    本文設計的無線實時監測系統還可以結合GPS衛星定位技術，實現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。
參考文獻
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