梁琨　肖宏偉　杜瑩瑩等

摘要：為改善果蔬冷鏈物流運(yùn)輸中監(jiān)測(cè)信息不透明的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)一種基于物聯(lián)網(wǎng)的冷鏈物流溫濕度及地理信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)二維碼掃描槍掃描溫濕度、GPS數(shù)據(jù)編碼得到的二維碼信息，獲取果蔬在冷鏈運(yùn)輸中的溫濕度信息和運(yùn)輸車的地理位置，提高冷鏈運(yùn)輸?shù)男畔⒒c透明化，從而提升食品品質(zhì)，保證食品安全。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；果蔬冷鏈物流；溫濕度；二維碼；GPS

中圖分類號(hào)： S126；TS207.7文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2015）11-0519-03

收稿日期：2015-01-12

基金項(xiàng)目：國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新試驗(yàn)項(xiàng)目（編號(hào)：201410307087）；南京農(nóng)業(yè)大學(xué)人才啟動(dòng)基金（編號(hào)：rcqd13-15）。

作者簡(jiǎn)介：梁琨（1983—），女，博士，講師，主要從事農(nóng)產(chǎn)品檢測(cè)與溯源研究。E-mail：Kliang@njau.edu.cn。

通信作者：沈明霞，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事檢測(cè)技術(shù)自動(dòng)化裝置研究。E-mail：Mingxia@njau.edu.cn。隨著人們安全意識(shí)的增強(qiáng)與生活質(zhì)量的提高，果蔬的品質(zhì)安全逐漸受到消費(fèi)者的重視。冷鏈物流是保障果蔬品質(zhì)安全的關(guān)鍵，而物流運(yùn)輸監(jiān)測(cè)是其中較為薄弱的環(huán)節(jié)[1-2]。完善我國(guó)冷鏈物流體系的管理和監(jiān)督工作已成為當(dāng)今社會(huì)急需解決的焦點(diǎn)問(wèn)題[3]。物聯(lián)網(wǎng)是一種涉及射頻識(shí)別技術(shù)、傳感器技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)等的新一代信息技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展及其在冷鏈物流中的應(yīng)用使整個(gè)冷鏈過(guò)程更加信息化、透明化，從而提升食品品質(zhì)，保證食品安全[4-7]。

本研究提出一種將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于冷鏈物流的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)GPS模塊、溫濕度采集模塊、食品條碼信息采集模塊采集冷鏈運(yùn)輸過(guò)程中果蔬的食品身份信息、環(huán)境參數(shù)信息、地理信息，并通過(guò)無(wú)線發(fā)送裝置傳輸給上位機(jī)顯示。物聯(lián)網(wǎng)與冷鏈物流的結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品在冷鏈運(yùn)輸過(guò)程中環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)，提高果蔬在冷鏈物流中的安全品質(zhì)。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以微處理器STM32為核心，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)冷鏈運(yùn)輸過(guò)程中的環(huán)境參數(shù)和地理位置信息。通過(guò)溫濕度傳感器采集冷藏車的溫度、濕度，通過(guò)GPS采集運(yùn)輸車的位置信息，通過(guò)掃碼器掃描食品包裝二維碼信息，并通過(guò)無(wú)線傳輸裝置（無(wú)線模塊UTC-1212SE）將以上信息發(fā)送給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)食品冷鏈運(yùn)輸?shù)膶?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)（圖1）。

1.1硬件組成與設(shè)計(jì)

硬件部分主要由溫濕度、GPS、條碼采集三大模塊組成。溫濕度模塊用于實(shí)時(shí)采集冷鏈物流過(guò)程中的溫度、濕度信息，GPS模塊用于獲取冷藏車在運(yùn)輸過(guò)程中的地理位置信息，條碼采集模塊用于收集食品的身份信息。本研究選取STM32F103ZET6型微處理器，該處理器是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位嵌入式微處理器，主頻為72 MHZ，具

有5個(gè)USART串口，其最小系統(tǒng)電路包括電源電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路等[8]。該處理器具有功能強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)勢(shì)[9]，其特性滿足冷鏈物流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需要。STM32型微處理器通過(guò)無(wú)線裝置將溫濕度、GPS、條碼掃描3個(gè)模塊采集的數(shù)據(jù)傳輸并顯示于上位機(jī)，完成整個(gè)冷鏈物流運(yùn)輸過(guò)程中的信息自動(dòng)實(shí)時(shí)采集（圖2）。

1.1.1溫濕度采集模塊設(shè)計(jì)在果蔬冷鏈運(yùn)輸過(guò)程中，溫濕度決定果蔬的品質(zhì)，溫濕度過(guò)高或過(guò)低均會(huì)導(dǎo)致果蔬的口感、味道等變差，從而使果蔬品質(zhì)降低甚至變質(zhì)[10]，因此溫濕度檢測(cè)極其重要。本系統(tǒng)的溫濕度采集模塊用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)冷藏車車廂內(nèi)的溫濕度信息。鑒于果蔬冷鏈運(yùn)輸過(guò)程中的復(fù)雜環(huán)境，本模塊要求溫濕度傳感器的測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、工作性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗較小。

本研究選用SHT10型溫濕度傳感器，包括1個(gè)電容式聚合體測(cè)濕元件、1個(gè)能隙式測(cè)溫元件，并與1個(gè)14位A/D轉(zhuǎn)換器、串行接口電路在同一芯片上無(wú)縫連接。SHT10型溫濕度傳感器的兩線制串行接口可與微處理器的串口相連并進(jìn)行串口通信。SHT10型溫濕度傳感器具有長(zhǎng)期穩(wěn)定、體積小、功耗低、信號(hào)質(zhì)量?jī)?yōu)等優(yōu)點(diǎn)，且其測(cè)量范圍廣、精度高，完全滿足對(duì)果蔬冷鏈運(yùn)輸過(guò)程中車廂內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測(cè)要求。

溫濕度采集模塊的工作流程見(jiàn)圖3。首先，微處理器發(fā)送1組“啟動(dòng)傳輸”時(shí)序來(lái)完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟?，啟?dòng)時(shí)序?yàn)椋寒?dāng)SCK時(shí)鐘為高電平時(shí)，DATA翻轉(zhuǎn)為低電平，緊接著SCK變?yōu)榈碗娖剑S后在SCK時(shí)鐘高電平時(shí)，DATA翻轉(zhuǎn)為高電平。啟動(dòng)完成后，微處理器向SHT10型溫濕度傳感器發(fā)送包含3個(gè)地址位（目前只支持“000”）、5個(gè)命令位的指令，并等待其測(cè)量結(jié)束。當(dāng)SHT10型溫濕度傳感器測(cè)量完成后，通過(guò)下拉DATA至低電平表示測(cè)量結(jié)束。最后，控制器觸發(fā)SCK時(shí)鐘讀取溫濕度數(shù)據(jù)。

1.1.2GPS模塊設(shè)計(jì)目前，我國(guó)冷鏈物流的流程信息不透明，冷鏈?zhǔn)称返男畔⒕W(wǎng)絡(luò)和技術(shù)均處于初級(jí)階段，難以保證食品質(zhì)量，使冷鏈物流成本大幅提升[11]。GPS定位系統(tǒng)具有高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡(jiǎn)便、使用廣泛等特點(diǎn)，可對(duì)冷藏車進(jìn)行全天候、全面的監(jiān)控[12]；因此，GPS技術(shù)的引用極有利于物流行業(yè)的發(fā)展。本系統(tǒng)選用型號(hào)為WF-NEO-6M的GPS。WF-NEO-6M型GPS是具有高性能、低功耗的GPS定位模塊，采用u-blox公司的NEO-6M模組方案，可通過(guò)串口、USB接口將GPS定位信息輸出至單片機(jī)系統(tǒng)和電腦。WF-NEO-6M型GPS工作時(shí)的波特率為9 600 B/s。本研究中采用NMEA0183協(xié)議的GPS定位數(shù)據(jù)信息，被WF-NEO-6M型GPS通過(guò)串口傳輸至STM32型微處理器。本研究使用NMEA0813協(xié)議定義語(yǔ)句中的$GPGGA，格式為：$GPGGA，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，<12>，<13>，<14>*<15>。其中，<1>、<2>、<3>、<4>、<5>是所需信息，分別代表UTC時(shí)間、緯度、緯度半球、經(jīng)度、經(jīng)度半球。STM32型微處理器接收到GPS數(shù)據(jù)后，將所需信息提取解析并通過(guò)串口發(fā)送至上位機(jī)（圖4）。

1.1.3條碼信息采集模塊設(shè)計(jì)二維碼技術(shù)是一種用于信息儲(chǔ)存、傳輸、識(shí)別的全新技術(shù)。二維碼技術(shù)的應(yīng)用可極大提高信息的采集、處理速度，提升工作效率[13]。在發(fā)達(dá)國(guó)家，二維碼技術(shù)被廣泛運(yùn)用于軍事、物流等領(lǐng)域。我國(guó)應(yīng)用二維碼技術(shù)的領(lǐng)域較少，物流條碼覆蓋率較低，許多物流公司尚未應(yīng)用條碼技術(shù)[14]，須加強(qiáng)二維碼技術(shù)在我國(guó)物流領(lǐng)域的推廣。

本研究選用型號(hào)為H21的二維影像式掃描器。H21型掃碼器主要由激光源、光學(xué)掃描、光學(xué)接收、光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)放大、整形、量化、譯碼等部分組成。H21型掃碼器的全向掃描模式可解讀所有標(biāo)準(zhǔn)一維條碼以及PDF417、QR Code、Data Matrix、Aztec Code等二維條碼，其掃描角度為水平50°、垂直20°。H21型掃碼器有USB、RS-232等接口模式，本研究選擇掃碼器的串口模式與STM32型微處理器相連。掃碼器將掃描得到的條碼信息傳送至串口的數(shù)據(jù)寄存器，微處理器檢測(cè)到數(shù)據(jù)寄存器有數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)讀取至內(nèi)存中，然后將條碼信息通過(guò)串口傳送至上位機(jī)。

1.2軟件設(shè)計(jì)

本研究中，上位機(jī)信息采集顯示軟件在Windows 8操作系統(tǒng)下、Visual Studio 2012編程環(huán)境中，使用C# 語(yǔ)言調(diào)用 SerialPort 類實(shí)現(xiàn)串口通信功能（圖5），此類提供同步I/O、事件驅(qū)動(dòng)I/O、對(duì)管腳和中斷狀態(tài)的訪問(wèn)、對(duì)串行驅(qū)動(dòng)程序?qū)傩缘脑L問(wèn)，為應(yīng)用程序提供通過(guò)串口收發(fā)數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)便方法，具有功能強(qiáng)大、通信快速、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)[15]。

最終編寫的上位機(jī)見(jiàn)圖6，能夠?qū)崟r(shí)采集并顯示果蔬冷鏈物流過(guò)程中的溫濕度信息、果蔬條碼信息、運(yùn)輸車的經(jīng)緯度和地理位置信息。

2結(jié)果與分析

溫度參數(shù)檢測(cè)精度在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中最重要，本研究對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)在不同溫度的環(huán)境下進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)結(jié)果與AZ7752型溫濕度采集器采集的20組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比（圖7）。結(jié)果表明，系統(tǒng)精度滿足果蔬冷鏈物流中溫濕度監(jiān)測(cè)精度的要求，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定。

3總結(jié)

針對(duì)目前冷鏈運(yùn)輸環(huán)節(jié)追溯信息不透明的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的果蔬溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本試驗(yàn)?zāi)M了果蔬的冷鏈運(yùn)輸環(huán)境，并對(duì)冷鏈運(yùn)輸過(guò)程中果蔬所處環(huán)境的溫濕度信息、車輛位置信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，證實(shí)了試驗(yàn)的可行性。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)果蔬冷鏈物流的信息化起重要作用，其在冷鏈物流中的應(yīng)用已成為一種趨勢(shì)，對(duì)提高食品品質(zhì)、保證食品安全具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]潘金珠，王興元，朱效剛，等. 基于物聯(lián)網(wǎng)的冷鏈物流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2014（9）：20-21，24.

[2]遲成. 基于ARM的嵌入式果蔬冷藏保鮮運(yùn)輸車監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[D]. 天津：天津科技大學(xué)，2011.

[3]趙曉峰. 基于ARM的農(nóng)產(chǎn)品冷藏車環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究[D]. 楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2010.

[4]李超，宋利偉，李紅. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在生鮮蔬菜冷鏈物流中的應(yīng)用研究[J]. 河北企業(yè)，2014（10）：70.

[5]成志平. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在冷鏈物流中的應(yīng)用[J]. 北方經(jīng)貿(mào)，2014（4）：46.

[6]秦立公，吳嬌，董津津，等. 基于物聯(lián)網(wǎng)的冷鏈物流設(shè)備管控研究[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（18）：9942-9945.

[7]董明望，胡志輝. 我國(guó)物流標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)技術(shù)體系的構(gòu)建[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，28（4）：508-510.

[8]李濤. 基于STM32的GPS車載終端的設(shè)計(jì)[D]. 甘肅：蘭州交通大學(xué)，2013.

[9]陳宮，王三勝，張慶榮，等. 基于STM32F103VCT6的微位移控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（3）：144-146，150.

[10]劉運(yùn)杰. 基于STM32W108單片機(jī)溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 青島：青島理工大學(xué)，2012.

[11]周磊. GPS技術(shù)應(yīng)用于冷鏈物流運(yùn)輸過(guò)程的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代商業(yè)，2011（6）：114-115.

[12]史良. 基于GPS/RFID的冷鏈運(yùn)輸車輛監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2011.

[13]田海軍，蘭建軍，劉彥臣. 基于單片機(jī)的條形碼數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J]. 北華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，6（6）：568-570.

[14]穆輝宇，胡雪妍. 二維碼在物流領(lǐng)域中的應(yīng)用[J]. 才智，2013（28）：293.

[15]馬斌，張娜，郭強(qiáng)，等. C串行類在PC機(jī)與IC卡讀寫器串行通信中的作用[J]. 沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，24（3）：508-511.郜闊，李翠梅. 基于集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的農(nóng)業(yè)灌溉用水量預(yù)測(cè)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（11：522-524.