主保玉 江朝暉 楊春合 李想 陸元洲

摘要

研制了一種應用于冷鏈物流的車廂微環(huán)境感知與調控系統。系統由手持終端模塊和車載測控模塊兩部分組成，手持終端模塊通過RFID和按鍵設置理想環(huán)境參數和手機號碼等，并與車載控制模塊無線通信，車載測控模塊實時檢測車廂內溫度、濕度、CO₂含量、震動等參數，并進行短信報警和PID調控。測試結果表明，系統工作正常，性能良好。

關鍵詞 冷鏈物流;車廂微環(huán)境;檢測;控制;RFID

中圖分類號 S24 ?文獻標識碼 A ?文章編號 0517-6611（2015）03-374-03

The Information Perception and Control System of MicroEnvironment Compartment in Cold Chain Logistics

ZHU Baoyu， JIANG Zhaohui*， YANG Chunhe et al

（School of Information & Computer， Anhui Agricultural University， Hefei， Anhui 230036）

Abstract The system of perception and intelligent control was designed， which was applied to the microenvironment compartment in cold chain logistics. The system was composed of handheld terminal module and onboard measurement and control module. The handheld terminal module can set the comfortable environment parameters， the cell phone number and so on with dash control. It also communicated with the onboard measurement and control module by radio. The vehicle control module detected the compartment parameters， such as temperature， humidity， the density of carbon dioxide， vibration， in realtime automatically. And it can alarm with SMS and PID control， if the environment parameters were beyond the range. The test results show that the system works properly with good performance.

Key words ?Cold chain logistics; Microenvironment compartment; Detection; Control; Radio frequency identification devices

基金項目 國家大學生創(chuàng)新訓練項目（201310364017）;十二五科技支撐計劃項目（2012BAK17B12）。

作者簡介

主保玉（1989-），男，安徽亳州人，工程師，從事電子系統設計工作。*通訊作者，博士，副教授，從事農業(yè)信息檢測與處理研究。

收稿日期 20141129

冷鏈物流是以冷凍工藝學為基礎、以制冷技術為手段的低溫物流，是保證食品質量、減少食品消耗的一項系統工程。近年來隨著生活水平的提高，人們對冷鏈物品的消費要求也在逐年增高。冷鏈物流一般遵循“3T”原則，即產品質量最終取決于在冷鏈物流中貯藏和流通時間（Time）、溫度（Temperature）和產品耐藏性（Tolerance）^[1]。在運輸過程中，車廂微環(huán)境對于冷鏈物品的質量、損耗等具有重要影響，因此車廂微環(huán)境的監(jiān)測、調控始終是冷鏈物流的重要課題。筆者采用RFID、無線通信、測控等技術，設計了一種車廂微環(huán)境感知與調控系統，能根據不同種類貨品的需求，方便、快捷地設定和更改所需的環(huán)境參數，并通過多種類型傳感器實時采集車廂內主要微環(huán)境參數，當車廂參數超過設定閾值時，自動向司機和管理人員報警，并提供相關控制信號及控制接口。

1 ?總體功能和設計方案

該系統對冷鏈物流運輸環(huán)節(jié)中車廂內信息的感知與智能調控，確保貨品在運輸途中始終處于最佳的環(huán)境狀態(tài)，保證貨品質量，減少因不當運輸帶來的損耗。

系統整體架構如圖1所示。手持設備通過按鍵輸入和讀取貨品無線射頻（RFID， Radio Frequency Identification Devices）標簽內相關信息，設置車廂內適合貨品運輸的最佳環(huán)境參數^[3]，并通過無線數據傳輸的方式把設置的環(huán)境參數數據傳輸到車載測控設備，車載控制設備將各種環(huán)境信息感知傳感器發(fā)回的數據與預先設定的環(huán)境參數閾值進行比較，當環(huán)境參數超標時，車載測控設備進行PID調控，通過控制輸出端口可外接執(zhí)行元器件，從而實現對車廂內環(huán)境參數實施調控的功能，與此同時系統通過GSM/GPRS單元，把相關信息以短信的形式發(fā)送給司機和管理人員，使得相關人員能實時了解情況。

圖1 系統整體框架

2 ?硬件設計

該系統的硬件分為兩部分：一是手持設備模塊，主要用于對車廂貨物數據的獲取以及對車廂多種微環(huán)境參數進行有效設置;二是車載測控模塊，主要用于對車廂微環(huán)境進行實時監(jiān)測，并進行報警和調控。兩模塊之間通過無線方式通信，包括設定參數傳輸和警報信息回饋等。

2.1 RFID手持模塊

RFID手持模塊以STC12C5A60S2單片機為CPU，通過串口連接無線收發(fā)單元，用于接收和發(fā)送來自車載控制設備模塊采集的車廂微環(huán)境信息數據，通過SPI總線方式與RFID讀卡器連接，用于讀取存儲貨品參數信息的RFID卡片。按鍵矩陣單元和液晶顯示屏主要用于對車廂微環(huán)境的參數信息進行閾值設置和信息顯示。

RFID電路部分則采用MFRC522無線射頻芯片作為本單元的控制器。MFRC522是高度集成的非接觸式讀寫芯片，RFID芯片通過SPI接口的SCL、MOSI和MISO與CPU相連。無線通信單元采用APC240型UART接口模塊，通信頻率可在400～480 MHZ之間隨意設定，具有超低功耗、自休眠、中斷喚醒等特點，在沒有數據傳輸時系統能自動進入休眠模式，當接收到傳輸中斷之后會自動喚醒，無需外部軟件和硬件參與，使得在設計硬件電路時無需過多考慮其與主系統之間的硬件和軟件設置，只需要分配一個串口與模塊相連和基本的軟件設置即可。這種設計大大減低了系統的設計難度和程序的編寫量，使得系統設計更簡單靈活。

2.2 車載測控模塊

車載測控模塊主要由主控單元、電源管理單元、環(huán)境參數檢測單元、無線傳輸單元和控制單元組成。其中，主控MCU是STC12C5A60S2單片機;電源管理單元對各個不同的模塊單元提供不同的電壓;環(huán)境參數檢測單元主要包括溫度、濕度、二氧化碳含量及車廂振動劇烈程度的檢測;無線傳輸單元主要是用來和RFID手持模塊進行通信，獲取設定的環(huán)境參數信息，以及相應的報警信息的發(fā)送;控制單元包括PID算法和控制輸出接口。

車載測控模塊中各單元對電源的要求不同，因此電源管理單元較復雜，在設計時采用多種芯片用于產生系統所需的不同電壓要求，如圖2所示。針對主控制器和其他5 V電平模塊，采用LM1117-5 V芯片作為穩(wěn)壓芯片，針對3.3 V供電單元采用LM1117-3.3 V作為電源穩(wěn)壓芯片，針對部分單元模塊需要6V電源電壓，采用LM7806作為此部分的電源管理芯片。

圖2 電源管理電路

圖3 二氧化碳檢測電路

環(huán)境參數檢測單元主要包括DHT22數字式溫濕度傳感器、MG811二氧化碳傳感器、SV805振動傳感器及相關外圍電路。

DHT22數字式溫濕度傳感器具有體積小、接口方便、性能良好等特點，應用非常廣泛。SV805振動傳感器適用于振動源的檢測，具有良好的抗干擾特性，通常與TC8022震動信號處理器組合，使振動傳感器的性能更加穩(wěn)定、可靠。

MG811型二氧化碳傳感器采用固體電解質電池原理，在外部提供電源的情況下，內部電熱絲發(fā)熱，電熱絲外表溫度足夠高以后相當于一個電池，電熱絲兩端會產生電壓差，并且測量電極與參考電極間的電勢差符合能斯特方程，如式（1）所示：

EMF=EC-（R×T）/（2F）ln[P（CO₂）] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

由于二氧化碳傳感器是以模擬信號量為輸出方式，且輸出電壓比較低，為了減小誤差，讓處理器能夠對電壓信號進行合理的A/D轉化，所以在二氧化碳傳感器與單片機之間需加一個運放電路。運放電路由電阻R24、R30、R31和CA3140運放芯片組成，電壓放大倍數由R24、R30、R31決定。二氧化碳檢測電路如圖3所示。

圖4 控制單元電路

無線傳輸單元采用Simcom公司推出的內嵌TCP/IP協議的GPRS模塊SIM100。SIMl00提供標準的RS-232串行接口，用戶可以通過串行口使用AT命令完成對模塊的操作。在應用中，當MCU需要通過串口與模塊進行通信時，可以只用TXD、RXD和GND 3個引腳;但當需要通過模塊上網時，應該盡量使用全部的串口信號引腳。SIMl00模塊支持外部SIM卡，可以直接與3.0 V SIM卡或者1.8 V SIM任意連接，并自動監(jiān)測和適應SIM卡類型^[4]。

安徽農業(yè)科學 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2015年

控制單元的硬件部分是控制輸出接口。為達到強電與弱電分離、驅動外接控制器件，用繼電器組作為開關控制器件。綜合考慮芯片的驅動能力、設計難易以及電路板的設計布局問題，確定以ULN2003為繼電器驅動芯片。ULN2003是由高耐壓、大電流的達林頓陣列組合而成，輸出可以高負載電流并行運行?？刂茊卧娐啡鐖D4所示。

3 ?軟件和算法設計

3.1 軟件流程圖

軟件用C語言開發(fā)，主要包括控制器與各模塊之間的協議設定、PID算法實現、無線通信單元程序設計、RFID單元程序設計和GSM/GPRS單元程序設計。其中手持設備模塊軟件流程和車載測控模塊軟件流程如圖5所示。

3.2 PID控制算法

車廂內溫度、濕度和二氧化碳含量需要調控。PID以其完善的理論基礎、高可靠性、設計簡單而廣泛應用于工業(yè)自動控制中^[5]。PID算法中的比例環(huán)節(jié)的作用是對偏差瞬間做出反應，偏差一旦產生控制器立即產生控制作用，使控制量向減少偏差的方向變化。比例系數選擇

必須恰當，才能過渡時間少，實現靜態(tài)偏差小而又穩(wěn)定的效果。積分環(huán)節(jié)的調節(jié)作用雖然會消除靜態(tài)誤差，但也會降低系統的響應速度，增加系統的超調量。微分環(huán)節(jié)的作用使阻止偏差的變化，它是根據偏差的變化趨勢進行控制，微分作用的引入將有助于減小超調量，克服振蕩，使系統趨于穩(wěn)定，特別對髙階系統非常有利，它加快了系統的跟蹤速度。

相應傳感器通過對現場信息的采集將數據傳至單片機，然后單片機經過分析處理各參數量是否偏離設置的閥值，如果有偏差，則調用PID算法，將現場參數與用戶設定目標參數的差值帶入增量式PID算法公式，由公式輸出量決定PWM方波的占空比，后續(xù)控制電路根據此PWM方波的占空比決定各調節(jié)量的強弱?，F場實時數據與目標參數的偏差大則占空比大，控制電路的功率大，使實測值與設定值的偏差迅速減少;反之，二者的偏差小則占空比減小，控制電路輸出功率減少，直至目標值與實測值相等或者在允許誤差范圍內，以達到自動控制的目的。

4 ?系統實現及測試

按照上述硬件、軟件思路設計系統，最終實現的系統實物如圖6所示。

經測試，系統工作正常，性能和指標滿足實際需求。其中溫度調控的測試結果見表1。

圖5 軟件流程

圖6 系統模塊實物

表1 溫度PID控制測試結果（設定為32 ℃）

檢測時間∥min實測溫度∥℃檢測時間∥min實測溫度∥℃

0.527.3732.0

129.5832.1

231.2932.0

332.01031.9

432.11132.0

531.81232.0

632.01332.3

5 結論

冷鏈物流是近年興起的物流新模式，運輸過程中的車廂微環(huán)境對于冷鏈物品的質量、損耗等具有重要影響，車廂微環(huán)境的實時監(jiān)測和自動調控是冷鏈物流中的重要課題。該研究根據實際需求，綜合運用RFID、無線通信、測控等技術，設計了一種車廂微環(huán)境感知與調控系統，具有通用性、模塊化的特點，有效解決了現有冷鏈物流運輸中車廂環(huán)境監(jiān)測和控制存在的一些問題，有利于提高貨品質量，降低環(huán)境損耗，具有一定的參考和應用價值。

參考文獻

[1]

郭志安.陜西果品冷藏庫項目商業(yè)計劃書[D].廣州：華南理工大學，2011.

[2] 李曉娜，朱耀庭.基于 RFID 和傳感技術的冷鏈物流環(huán)境監(jiān)測系統設計[J].物聯網技術，2013，3（2）：19-20.

[3] FRANK S，CHRISTIAN F.International in Pervasive computing settings using Bluetooth enabled active Tags and Passive RFID technology together with mobile Phones Prove[J].Pervasive Computing and Communications，2003（3）：378-387.

[4] 袁春艷，林椹尠.基于無線傳感監(jiān)控系統的嵌入式軟件設計[J].計算機技術與發(fā)展，2013（4）：57.

[5] PILTAN F，SULAIMAN N，GAVAHIAN A，et al.Design mathematical tunable gain PID-like sliding mode fuzzy controller with minimum rule base[J].International Journal of Robotic and Automation，2011，2（3）：146-156.