冷藏车车厢微环境信息感知系统设计

摘要：针对冷藏车车厢微环境信息感知实时监测的需要，设计冷藏车车厢微环境信息感知系统。在ZigBee技术和GPRS远程传输技术应用的基础上，设计了基于ZigBee的数据采集节点，构建了冷藏车车厢微环境中的无线传感网络，同时利用网络技术开发了冷藏车车厢微环境信息感知系统，解决了数据采集和实时监测及远程数据预警问题。通过微环境信息采集系统在温度为0℃和相对湿度为90％的环境下对冷藏车内微环境进行的数据传输包收发率测试证明，其结果可靠率达85％以上，证明该系统可以应用于冷藏车车厢微环境信息的采集与监测。
关键词：无线传感器网络；微环境；数据采集；实时监测；ZigBee

0 引言
    随着国民经济的不断发展，人们的物质生活水平快速提高，人们对食品的新鲜度、营养价值和食品安全方面的要求也逐渐提高。冷链是以保证物品品质为目的，使其保持低温环境为核心要求的供应链系统。冷藏车是冷链的重要环节，伴随整个冷链过程，也伴随着物品从产地、工厂、储藏、零售等每个环节间的流动。车厢微环境感知对冷藏车至关重要，对保持果蔬正常生理和优良品质是极为重要的。所以，在流通过程中，都要求对冷藏运输系统的全过程进行实时做环境信息的感知、传输和处理，跟踪微环境控制情况。
    由于冷藏车车厢与驾驶室是隔开的，因此，及时掌握冷藏车厢里的信息十分重要。基于无线传感器技术的监测系统为冷藏车厢内环境信息的采集提供了很好的途径。ZigBee无线网络由于其具有低成本、低功耗和自组网功能，因而具有低成本、低功耗、小体积、安全性强的特点。GPRS通信技术是一种高效、低成本的无线分组数据业务，可提供TCP／IP连接，可用于Internet连接、数据传输等，同时其具有网络运行稳定、传输距离远、不受时间和空间的限制等特点，因而被广泛应用于远距离数据传输。无线传感器网络作为一种新的信息获取技术，凭借其低功耗、低成本、高可靠性等特点，已逐渐渗透到农业生产、药品监管、物流等领域。在本文之前，郭斌等基于ZigBee技术的JN5139为无线节点信息处理的核心，结合温湿度传感器模块设计了采集节点，构建了车载环境中的无线传感器网络，结合嵌入式和．net技术开发了果蔬冷链配送环境信息采集上位机软件，解决了数据采集和实时监测的问题。韩芝侠则以射频芯片CC2500、微控制PIC18F4620及M23模块为核心，设计了系统网络节点的硬件平台，给出了网络协调器和终端节点的软件设计流程。顾延涛等设计了一种以ARM11高性能微处理器为核心的嵌入式车载信息采集系统，并通过ZigBee技术和GPS定位技术实现对储运参数的采集，同时采用GSM网络的短信业务实现对储运参数的传输。李雪刚则利用ARM处理器和嵌入式Linux技术，结合无线通信网络，通过智能手机客户端实现了可随时随地进行C／S模式的远程监控的智能农业系统。
    本文针对冷链储运设备在储运过程中微环境调控精度低、储运农产品质量安全保障性差等突出问题，提出了一种冷藏车车厢微环境信息感知系统。该系统是一种基于ZigBee技术和GPRS技术相结合的远程信息采集、监控、传输以及网络发布系统，可实现车厢微环境农产品品质监测以及设备微环境的监测与调控。

1 系统结构
    冷藏车车厢微环境信息感知系统由信息采集模块、数据传输模块与感知软件模块等3部分组成。信息采集模块通过不同集成度的智能传感器来实时采集苹果储藏环境中的温度、氧量、二氧化碳含量、乙烯等信息。数据传输模块将采集信号传送至ZigBee无线节点，并通过ZigB ee技术的网络拓扑结构建立基于ZigBee的无线传输网络，将所采集的数据周期性传输至主节点：主节点收到数据后，由微处理器模块对数据进行存储与管理，并传输给GPRS模块，由GPRS网络将采集的数据传输至接收模块，将数据存储于服务器。感知软件模块通过数据库服务平台和数据库接收存储程序实现对数据的实时监控与数据超限报警，从而实现对冷藏车车厢内微环境的感知与远程控制预警。图1所示是其冷藏车车厢微环境信息感知系统的结构图。

    ZigBee无线网络负责数据采集和监测，同一个站点由多个传感器节点和一个汇聚节点组成，传感器节点之间通过自组织方式组成网络，传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，经过多个节点跳转传输后，路由到汇聚节点。每个传感器节点可以根据不同的需求接入相应的传感器和执行设备。各站点的汇聚节点通过GPRS模块实现远程数据传输，以把数据发送到终端服务器。然后由终端服务器软件采用B／S体系架构对数据进行处理。

2 系统设计
2．1 传感器节点
    传感器节点处在冷藏车车厢微环境信息感知系统的最基础部分，是整个系统的感知部分，负责对冷藏车车厢微环境信息感知系统进行监测。冷链运输可以被看作是在车厢内的特殊微环境下的短期储藏，厢体内的温度、湿度、气体成分等都会对货物的运输品质产生重要影响。
    温度是运输中最受关注的环境条件之一。运输温度对产品品质起着决定性的影响，从原料到成品，任何细小的温度变化都会导致细菌的滋生及食品质量的降低。温度过高，会加快产品衰老，使品质下降：温度过低，使产品容易受冷或冻害。此外，在运输过程中，温度波动频繁或过大都对保持产品质量不利。
    事实上，湿度也是很重要的。在低温运输条件下，由于车厢的密封和产品堆积的高度密集，运输环境中的相对湿度常在很短的时间内即达到95％～100％，高湿度会影响果蔬的品质和腐烂率。
    另外就是气体成分。在低温运输中，由于车鞴体的密闭，运输环境中就可能会有CO2的积累。
    本系统中的温湿度传感器模块采用的是瑞士Sensirion公司出品的SHT75温湿度传感器。该模块具有14位A／D转换器，测湿精度±1．8％RH，测温精度±0_3℃，量程范围-40～123．8℃。模块中的二氧化碳传感器采用B-530，该传感器的测量范围为0～10 000 ppm，检测精度为±30 ppm±5％读数，具有高可靠性、稳定性、快速响应性和对外界干扰的低灵敏度等特点，性价比较高。传感器末梢节点是一个带外围传感器(温度感应器、湿度感应器、光强感应器等)和ZigBee无线通信模块的低功耗嵌入式MCU，可采用电池供电，并具有感知数据采集、计算处理、无线通信、自动组网和设备控制等能力。
2．2 处理器模块
    处理器模块是整个网络协调器的核心，负责信息的管理与收发，要求有较高的存储能力。本系统选择基于ARM9S3C2430内核的微控制器(MCU)，操作系统为Linux。基于ARM9的Linux程序能以IAR平台为核心开发，专门用于处理多任务，并可转化信号，将ZigBee信息发送到GPRS接收端。
2．3 GPRS传输模块
    该模块是实现数据远程无线传输的关键，采用GPRS通信芯片SIM900。SIM900具备TCP／IP协议栈，可支持几种频段的操作。通过串口连接网络协调器与计算机，基于Linux操作系统的操作平台烧写接收程序，并可在服务器端开发信息接收程序和解析PDU(Protocol Data Unit，协议数据单元)码，以便接收数据并自动写入数据库。
2．4 冷藏车车厢环境信息感知系统
    考虑到冷藏车车厢环境信息感知系统模块的多用户性和可扩展性，本系统采用B／S体系结构，终端服务器为系统数据接收、处理和发布的中心，可由数据通信软件和基于Web的数据分析显示软件系统组成，其功能模块如图2所示。

    图2中的系统管理模块包括权限管理和系统维护功能。可根据不同的用户设定不同的权限，以保证系统数据的安全性。
    远程信息控制模块可以为用户提供设备远程控制、信息浏览、数据查询及记录下载等服务，包括设备管理、远程预警、数据实时显示、信息查询等功能。在冷藏车微环境的管理中，对车厢的储藏环境实行品质安全预警，也就是对影响冷藏车车厢内的货物品质质量安全的环境中的温湿度进行实时监测，以便实时提出预警信息，给出纠偏建议，提醒冷藏车管理者。
    远程预警是通过对比设定的冷藏车车厢中的标准储藏参数来实现的。将车厢内温湿度含量按照货物的储藏标准设置为标准数据，可在检测到车厢微环境内含量超标或者低于标准数据时发送预警信号，传送给管理员提示信息，提示需要采取增加氧气或者降温，同时将实时信息数据传送给服务器，并保存至数据库，实现对果品储藏期的品质安全质量监控。
    针对以往监测系统中信息采集参数不易更改，缺乏控制的情况，本系统设计了远程参数设置模块。各传感器节电的工作模式、数据采样时间等系统参数的设置，都可通过客户端远程设置页面完成。服务器后台处理程序可以从数据库读取设置的参数值，并通过GPRS网络以短信方式发送至网关节点，再经底层传感器网络完成对传感器节点的参数设置。这样，通过与服务器数据库的交互，就可实现Web方式下客户端对传感器节点的远程参数设置功能。
    数据管理模块包括数据接收、解析、存储和处理等功能。通过监听服务器端口和创建控件数组，可同时接受多个连接请求，将网关节点通过GPRS发来的数据按照自定义的数据帧协议解析后存入数据库。

3 系统性能测试
    本系统于2012年8月份在中集车辆(山东)有限公司的型号为JG5045XLCD冷藏车辆上进行了测试，其货箱内部尺寸(长×宽×高)为：4 200 mm×1 800 mm×2 000 mm。冷藏车车厢的厚度为82 mm。其中，车厢两侧采用内外2．5 mm的玻璃钢板，中间夹77mm厚的新型无氟聚氨酯发泡材料。在环境温度0℃、湿度90％的环境中进行了信息采集传输模块的性能测试，即包接收率(PRR)实验。本实验中包接收率(PRR)等于协调器接收到并通过GPRS传输到数据库中的包的数量与环境信息采集节点总发出包的数量之比。测试过程中使用的电池为2节普通华太7号电池，采集间隔时间为10 s，共测5 000个数据包，花费时间约为850 min。

    由于冷藏车车厢采用双面玻璃钢聚氨酯夹芯保温板材料，对无线信号存在一些阻挡与吸收，因此在其通信过程中产生了一些丢包隋况。另外，12 h以后，由于电池质量原因，发送信号也受到一些干扰，但总体测试结果仍能保证85％以上包接收率，图3所示是其温度收包率测试结果。可见，在企业应用过程中，其实时监测密度下的结果可以满足使用要求。

4 系统应用
    冷藏车车厢环境信息感知系统通过在冷藏箱内部固定位置点分布式布置温度传感器，传感器每隔一定的时间采集一次信号。除可对温度外，还可根据需要加装其他感应器(如门探测感应器等)，以便通过对冷藏箱内部环境的准确监测和实时信号采集与报警，实现对冷藏箱内部货物品质的监管。冷藏车智能安全监控系统还可以通过专用接口与冷冻机相连，实时对冷冻机的运行状态(如送风温度、回风温度、环境温度等)进行监控，并可远程控制冷冻机的运行参数及工作模式，如远程改变设定温度、远程启动除霜、远程启动除湿等。当冷冻机出现故障时，也可以实时上传故障代码，通过短信等方式通知管理人员。

5 结论
    本文给出了一种车厢微环境内多点温湿度监测单元的设计方法，构建了冷库中的ZigBee无线传感器网络，并通过GPRS技术进行了远程传输，可实现冷链储运过程中多种环节参数的同步监测，从而实现对冷库内的环境信息的实时动态采集、传输及预警；同时，设计了基于ZigB ee的无线传感器网络结构的多传感器结构的数据采集节点，可实现多种数据的采集、汇总；另外也设计了冷藏车车厢环境信息感知系统，可实现各种采集数据的融合，并可进行显示。
    通过使用本系统，可以有效地对冷藏车车厢内微环境进行实时远程监控，让管理者能够实时了解冷藏车车厢的微环境状况变化，在出现预警信息时，能及时采取有效措施，从而保证在冷链运输过程中的农产品品质。