随着人们安全意识的增强与生活质量的提高,果蔬的品质安全逐渐受到消费者的重视。冷链物流是保障果蔬品质安全的关键,而物流运输监测是其中较为薄弱的环节［1 － 2］。完善我国冷链物流体系的管理和监督工作已成为当今社会急需解决的焦点问题［3］。物联网是一种涉及射频识别技术、传感器技术、互联网技术、嵌入式系统技术等的新一代信息技术,物联网技术的发展及其在冷链物流中的应用使整个冷链过程更加信息化、透明化,从而提升食品品质,保证食品安全［4 － 7］。

本研究提出一种将物联网应用于冷链物流的设计方案,通过GPS模块、温湿度采集模块、食品条码信息采集模块采集冷链运输过程中果蔬的食品身份信息、环境参数信息、地理信息,并通过无线发送装置传输给上位机显示。物联网与冷链物流的结合,可实现对农产品在冷链运输过程中环境参数的监测,提高果蔬在冷链物流中的安全品质。

1 系统总体设计

本系统以微处理器STM32 为核心,实时监测冷链运输过程中的环境参数和地理位置信息。通过温湿度传感器采集冷藏车的温度、湿度,通过GPS采集运输车的位置信息,通过扫码器扫描食品包装二维码信息,并通过无线传输装置( 无线模块UTC - 1212SE) 将以上信息发送给上位机,实现对食品冷链运输的实时监测( 图1) 。

1. 1 硬件组成与设计

硬件部分主要由温湿度、GPS、条码采集三大模块组成。温湿度模块用于实时采集冷链物流过程中的温度、湿度信息,GPS模块用于获取冷藏车在运输过程中的地理位置信息,条码采集模块用于收集食品的身份信息。 本研究选取STM32F103ZET6 型微处理器,该处理器是基于ARM Cortex - M3内核的32 位嵌入式微处理器,主频为72 MHZ,具有5 个USART串口,其最小系统电路包括电源电路、复位电路、时钟电路等［8］。该处理器具有功能强、结构简单、成本低等优势［9］,其特性满足冷链物流实时监测的需要。STM32 型微处理器通过无线装置将温湿度、GPS、条码扫描3 个模块采集的数据传输并显示于上位机,完成整个冷链物流运输过程中的信息自动实时采集( 图2) 。

1.1.1温湿度采集模块设计

在果蔬冷链运输过程中,温湿度决定果蔬的品质,温湿度过高或过低均会导致果蔬的口感、味道等变差,从而使果蔬品质降低甚至变质[10],因此温湿度检测极其重要。本系统的温湿度采集模块用于实时监测冷藏车车厢内的温湿度信息。鉴于果蔬冷链运输过程中的复杂环境,本模块要求温湿度传感器的测量精度高、抗干扰能力强、工作性能稳定、结构简单、功耗较小。

本研究选用SHT10 型温湿度传感器,包括1 个电容式聚合体测湿元件、1 个能隙式测温元件,并与1 个14 位A/D转换器、串行接口电路在同一芯片上无缝连接。SHT10 型温湿度传感器的两线制串行接口可与微处理器的串口相连并进行串口通信。SHT10 型温湿度传感器具有长期稳定、体积小、功耗低、信号质量优等优点,且其测量范围广、精度高,完全满足对果蔬冷链运输过程中车厢内环境的监测要求。

温湿度采集模块的工作流程见图3。首先,微处理器发送1 组“启动传输”时序来完成数据传输的初始化,启动时序为: 当SCK时钟为高电平时,DATA翻转为低电平,紧接着SCK变为低电平,随后在SCK时钟高电平时,DATA翻转为高电平。启动完成后,微处理器向SHT10 型温湿度传感器发送包含3 个地址位( 目前只支持“000”) 、5 个命令位的指令,并等待其测量结束。当SHT10 型温湿度传感器测量完成后,通过下拉DATA至低电平表示测量结束。最后,控制器触发SCK时钟读取温湿度数据。

1.1.2 GPS模块设计

目前,我国冷链物流的流程信息不透明,冷链食品的信息网络和技术均处于初级阶段,难以保证食品质量,使冷链物流成本大幅提升[11]。GPS定位系统具有高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、使用广泛等特点,可对冷藏车进行全天候、全面的监控[12];因此,GPS技术的引用极有利于物流行业的发展。本系统选用型号为WF-NEO-6M的GPS。WF-NEO-6M型GPS是具有高性能、低功耗的GPS定位模块,采用u-blox公司的NEO-6M模组方案,可通过串口、USB接口将GPS定位信息输出至单片机系统和电脑。WF-NEO-6M型GPS工作时的波特率为9 600 B/s。本研究中采用NMEA0183协议的GPS定位数据信息,被WF-NEO-6M型GPS通过串口传输至STM32型微处理器。本研究使用NMEA0813协议定义语句中的$GPG-GA,格式为:$GPGGA,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>,<13>,<14>*<15><CR><LF>。其中,<1>、<2>、<3>、<4>、<5>是所需信息,分别代表UTC时间、纬度、纬度半球、经度、经度半球。STM32型微处理器接收到GPS数据后,将所需信息提取解析并通过串口发送至上位机(图4)。

1.1.3条码信息采集模块设计

二维码技术是一种用于信息储存、传输、识别的全新技术。二维码技术的应用可极大提高信息的采集、处理速度,提升工作效率[13]。在发达国家,二维码技术被广泛运用于军事、物流等领域。我国应用二维码技术的领域较少,物流条码覆盖率较低,许多物流公司尚未应用条码技术[14],须加强二维码技术在我国物流领域的推广。

本研究选用型号为H21 的二维影像式扫描器。H21 型扫码器主要由激光源、光学扫描、光学接收、光电转换、信号放大、整形、量化、译码等部分组成。H21 型扫码器的全向扫描模式可解读所有标准一维条码以及PDF417、QR Code、Data Matrix、Aztec Code等二维条码,其扫描角度为水平50°、垂直20°。H21 型扫码器有USB、RS - 232 等接口模式,本研究选择扫码器的串口模式与STM32 型微处理器相连。扫码器将扫描得到的条码信息传送至串口的数据寄存器,微处理器检测到数据寄存器有数据后,将数据读取至内存中,然后将条码信息通过串口传送至上位机。

1. 2 软件设计

本研究中,上位机信息采集显示软件在Windows 8 操作系统下、Visual Studio 2012 编程环境中,使用C# 语言调用Serial Port类实现串口通信功能( 图5) ,此类提供同步I / O、事件驱动I/O、对管脚和中断状态的访问、对串行驱动程序属性的访问,为应用程序提供通过串口收发数据的简便方法,具有功能强大、通信快速、实时性好等特点［15］。

最终编写的上位机见图6,能够实时采集并显示果蔬冷链物流过程中的温湿度信息、果蔬条码信息、运输车的经纬度和地理位置信息。

2 结果与分析

温度参数检测精度在监测系统中最重要,本研究对其进行测试。试验在不同温度的环境下进行监测,将监测结果与AZ7752 型温湿度采集器采集的20 组数据进行对比( 图7 ) 。结果表明,系统精度满足果蔬冷链物流中温湿度监测精度的要求,数据传输稳定。

3 总结

针对目前冷链运输环节追溯信息不透明的问题,设计了一套基于物联网的果蔬温湿度实时监测系统。本试验模拟了果蔬的冷链运输环境,并对冷链运输过程中果蔬所处环境的温湿度信息、车辆位置信息进行监测,证实了试验的可行性。物联网技术对果蔬冷链物流的信息化起重要作用,其在冷链物流中的应用已成为一种趋势,对提高食品品质、保证食品安全具有重要意义。