徐 冉 何析隆

(1. 吉林省經(jīng)濟管理干部學院,吉林 長春 130012；2. 中國兵器工業(yè)集團航空彈藥研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150030)

在食品物流保鮮過程中，貯藏運輸環(huán)境的溫濕度是影響食品品質(zhì)的關(guān)鍵因素，溫濕度過高或者過低都會引起食品品質(zhì)變化[1]。其中，溫度直接影響食品貯藏運輸過程中的品質(zhì)變化，溫度過高會引起食品中微生物等代謝活動加快進而腐敗，溫度過低會影響食品口感品質(zhì)[2]，中國每年因食品供應過程中物流保鮮問題造成的損失高達30%左右[3]。

溫度的精準測量與控制是食品冷鏈物流保鮮技術(shù)的關(guān)鍵[4]。目前冷鏈物流保鮮研究多注重研究其相關(guān)管理系統(tǒng)[5]，忽視了溫度控制對食品物流保鮮中的影響。溫度測量裝置對溫度控制顯得尤為重要，當前溫度測定裝置主要集中在溫度記錄儀、RFID溫度傳感技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)溫度傳感技術(shù)，在食品物流保鮮中發(fā)揮了重要作用[6]。文章擬探究無線溫度傳感器在食品物流保鮮中的應用現(xiàn)狀，并預判無線溫度傳感器在食品物流保鮮中的應用趨勢，為中國食品物流保鮮系統(tǒng)的健康發(fā)展助力。

1 無線溫度傳感器

溫度傳感器的主要功能是將溫度信號轉(zhuǎn)化為電信號，其主要元器件包括溫度檢測元件、電源、檢測電路、控制電路以及無線通信電路[7]。無線溫度傳感器一般具有多個接收通道，可以同時對來自多個位置的數(shù)據(jù)進行處理并顯示[8]。一般會在無線溫度傳感器中設(shè)置閾值判定模塊和故障處理模塊，傳感器可以根據(jù)獲知的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進行對比，若溫度高于閾值，數(shù)據(jù)傳輸至故障處理模塊中，會有相對應的舉措如顯示警告、報警指示燈和音響工作等[9]。此外，無線溫度傳感器還可以傳輸信息，實現(xiàn)工作人員的遠程在線監(jiān)控，確保食品物流保鮮過程中的環(huán)境溫度滿足食品保鮮需求，避免其他安全隱患等。

無線溫度監(jiān)測預警系統(tǒng)集先進傳感技術(shù)、數(shù)字識別技術(shù)、無線通信技術(shù)、低功耗技術(shù)、抗干擾技術(shù)以及自動化控制技術(shù)為一體，由無線溫度傳感器、無線溫度顯示儀、后臺管理系統(tǒng)組成，可以在多種惡劣環(huán)境中進行實時遠程在線監(jiān)測預警，及時反饋相關(guān)信息，在各個工業(yè)監(jiān)測中得到了廣泛應用[10]。

2 食品物流保鮮中的無線溫度傳感器

2.1 無線溫度傳感器傳輸類型

根據(jù)無線溫度傳感器的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)可以分為紅外線數(shù)據(jù)通信技術(shù)、藍牙通訊技術(shù)、超寬帶通訊技術(shù)、無線局域網(wǎng)技術(shù)和ZigBee技術(shù)等[11]。

2.1.1 紅外線數(shù)據(jù)通信技術(shù) 紅外線數(shù)據(jù)通信技術(shù)的原理是利用可視紅光光譜之外的不可視光即電磁波進行傳輸，其波長為0.75～1 000.00 μm，紅外技術(shù)傳輸包括發(fā)射端和接收端，二者都具備調(diào)變和解調(diào)的功能，當二者進入彼此作用區(qū)域后，設(shè)備可以自動監(jiān)測連接或通過用戶請求連接，進而發(fā)送連接請求，相應設(shè)備返回包含地址和功能的信息。該技術(shù)傳輸距離較短，操作簡單，成本較低，但容易受到干擾，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建不夠靈活只能實現(xiàn)點對點連接。目前紅外技術(shù)主要應用在家電、打印機、數(shù)碼相機等設(shè)備中。

2.1.2 藍牙通訊技術(shù) 藍牙通訊技術(shù)支持多個設(shè)備連接，是一種通過無線電波進行固定設(shè)備、移動設(shè)備和個人域網(wǎng)之間的短距離數(shù)據(jù)交換的無線技術(shù)，其工作頻段全球通用，具有跳頻功能，可以有效避免頻帶受到干擾，其安全性和抗干擾能力較強。但該技術(shù)傳輸距離較短，主要工作范圍為10 m左右，而且操作較為復雜，成本較高[12]。

2.1.3 超寬帶通訊技術(shù) 超寬帶通訊技術(shù)是一種短距離高速無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，以納秒級的窄脈沖為信息載體，信號產(chǎn)生、調(diào)制解調(diào)、信號隱蔽性、系統(tǒng)增益等方面具有獨特優(yōu)勢，多徑分量在時域上不易重疊，多徑分辨能力較高，但其通訊距離較短，多用于無線數(shù)字電視機等設(shè)備連接[13]。

2.1.4 無線局域網(wǎng)技術(shù) 無線局域網(wǎng)技術(shù)指的是應用無線通信技術(shù)將計算機設(shè)備連接起來，構(gòu)成可以互相通信和實現(xiàn)資源共享的網(wǎng)絡(luò)體系，利用射頻技術(shù)，使用電磁波構(gòu)成局域網(wǎng)絡(luò)，在空中進行通信連接，其適合多媒體應用，但成本高、功耗大[14]。

2.1.5 ZigBee技術(shù) ZigBee技術(shù)成本低、功耗小，且能滿足無限溫度傳感器的傳輸量小的特點，目前在食品物流保鮮中應用較多[15]。馮旭等[16]基于ZigBee技術(shù)設(shè)計了一種羊肉冷鏈溫度監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用無線溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)的采集節(jié)點數(shù)據(jù)溫差較低，所有的數(shù)據(jù)采集節(jié)點與協(xié)調(diào)節(jié)點之間的通信成功率均為100%，系統(tǒng)的穩(wěn)定適用性較高。Ruiz-Garcia等[17]基于ZigBee技術(shù)設(shè)計了一種水果貯存運輸監(jiān)測系統(tǒng)，通過分析通信數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)的可靠性來評估此系統(tǒng)方法，發(fā)現(xiàn)其效果良好。辜勇等[18]利用ZigBee技術(shù)設(shè)計了海運冷藏集裝箱，以期實現(xiàn)食品藥品的貯藏保鮮運輸，通過多個傳感器對集裝箱內(nèi)部溫濕度數(shù)據(jù)進行多級處理，提高了遠程監(jiān)測的即時性。

將ZigBee技術(shù)應用到食品物流保鮮系統(tǒng)中，需要考慮無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)置、覆蓋范圍以及響應時間，這些對溫度的準確測量具有重要意義[19]。隨機設(shè)置無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點較為簡單方便，但可能會引起獲得數(shù)據(jù)不準確，資源浪費，需要根據(jù)實際應用的環(huán)境進行無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的部署。

2.2 無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)置結(jié)構(gòu)

目前無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)置結(jié)構(gòu)主要有線性拓撲結(jié)構(gòu)、平面拓撲結(jié)構(gòu)和立體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[20]。

2.2.1 線性拓撲結(jié)構(gòu) 線性拓撲結(jié)構(gòu)是較為簡單的設(shè)置方式，這種結(jié)構(gòu)中所有節(jié)點基本都在一條直線中，在細長型的貯藏冷庫或物流運輸車中應用較為廣泛。而中心點的部署在這種設(shè)置結(jié)構(gòu)中尤為重要，需要考慮數(shù)據(jù)運輸距離、節(jié)點間的能耗等，且終端節(jié)點的部署和節(jié)點密度設(shè)置直接影響數(shù)據(jù)測量的準確性[21]。

2.2.2 平面拓撲結(jié)構(gòu) 平面拓撲結(jié)構(gòu)相對線性結(jié)構(gòu)稍顯復雜，主要應用在方型的冷藏庫環(huán)境中，這種結(jié)構(gòu)的中心節(jié)點一般選在環(huán)境的中心位置，在考慮節(jié)點線路的連接和容錯性方面，節(jié)點基本均勻分布在環(huán)境中，而終端節(jié)點的選擇與線性結(jié)構(gòu)類似，需要考慮位置和密度的設(shè)置，這種結(jié)構(gòu)路徑較多，可以盡可能將結(jié)果傳輸[22]。陳克濤等[23]基于CC2530無線傳感器進行了網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點的設(shè)計，屬于平面拓撲結(jié)構(gòu)，在農(nóng)田實地進行了部署測試，該系統(tǒng)由8個終端節(jié)點和1個網(wǎng)關(guān)節(jié)點組成，節(jié)點高度為2 m，呈網(wǎng)絡(luò)排列部署，監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳時間間隔為10 min，測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)當節(jié)點距離>120 m時，誤包率出現(xiàn)且逐漸增大，而且空氣溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)變化曲線連續(xù)無斷點，可以連續(xù)長時間穩(wěn)定工作，滿足農(nóng)田監(jiān)測的要求。

2.2.3 立體網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對前兩種結(jié)構(gòu)更為復雜，一般應用在超大型的物流保鮮環(huán)境中，每個平面可以看作平面拓撲結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的中心點一般設(shè)置在立體網(wǎng)絡(luò)的中心位置，節(jié)點均勻分布在環(huán)境中，整個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)路徑豐富，可以最快、最全面地傳輸數(shù)據(jù)[24]。

一般在食品物流運輸中，以上3種結(jié)構(gòu)可以靈活組合，在降低成本的基礎(chǔ)上可以快速全面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)。張迪等[25]設(shè)計了一種自組網(wǎng)分布式的無線溫度傳感器，基于ZigBee技術(shù)實現(xiàn)無線傳輸，溫度監(jiān)測裝置選取DS18B20數(shù)字溫度測試芯片，結(jié)果可以實時監(jiān)控多個點的溫度信息。張銳等[26]基于ZigBee技術(shù)設(shè)計了一種冷鏈溫度監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用立體網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)器節(jié)點采用ATmega128作為控制器，路由節(jié)點采用ATmega16作為控制器，經(jīng)12 h組網(wǎng)通信測試顯示系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

2.3 無線溫度傳感器輸出信號方式

根據(jù)無線溫度傳感器的輸出信號方式進行分類，包括模擬溫度傳感器、邏輯溫度傳感器和數(shù)字溫度傳感器等[27]。① 模擬溫度傳感器是通過模擬輸出方式來傳遞溫度數(shù)據(jù)，需要校準且依賴于ADC的準確性，響應時間較慢，常見的模擬溫度傳感器包括LM3911、LM45等[28]；② 邏輯溫度傳感器一般應用在只需要判定溫度是否超出范圍的情景中，若溫度超過設(shè)定值，傳感器則輸出報警信號，進而進行下一步動作，邏輯溫度傳感器主要有LM56、MAX6501-MAX6504等[29]；③ 數(shù)字溫度傳感器直接通過溫度數(shù)據(jù)進行輸出，無需校準，可以多點檢測，開箱即用，系統(tǒng)集成應用較為簡單，目前在食品物流保鮮系統(tǒng)中應用較多，常用的有MAX6575、DS1612、DS18B20等[30]。

羅代宏[31]應用ZigBee技術(shù)設(shè)計了冷藏車，并應用DS18B20傳感器實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，該傳感器在冷藏車系統(tǒng)中體現(xiàn)了體積小、抗干擾能力強的優(yōu)勢。徐麗敏等[32]設(shè)計了一種關(guān)于冷鮮肉的冷鏈物流監(jiān)控系統(tǒng)，無線溫度傳感器選用數(shù)字傳感器DS18B20進行數(shù)據(jù)采集，最后顯示其在測量范圍內(nèi)(-55～125 ℃)的測量數(shù)據(jù)結(jié)果較為準確。馮旭[33]基于ZigBee技術(shù)和正太分布離群算法設(shè)計了一種冷鏈溫度監(jiān)測系統(tǒng)，應用DS18B20溫度傳感器進行溫度數(shù)據(jù)采集，再通過正太分離群算法對獲取的不正常數(shù)據(jù)進行剔除，其溫度采集準確性達100%。閆明明等[34]基于ARM技術(shù)和ZigBee技術(shù)設(shè)計了一種無限溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以測量不同地點的溫度和無線組網(wǎng)，也可以同時監(jiān)測多個地點的溫度，但受到內(nèi)置溫度傳感器CC2530芯片的限制，不適用于精度要求較高的場合。綜上，數(shù)字傳感器如DS18B20在當前食品物流保鮮系統(tǒng)中應用較多，其測量數(shù)據(jù)結(jié)果較為準確，且系統(tǒng)應用較為簡單。

2.4 無線溫度傳感器封裝形式

監(jiān)測數(shù)據(jù)是食品物流保鮮過程中的基礎(chǔ)，溫度傳感器的封裝與布局形式對冷鏈運輸箱體內(nèi)的溫度監(jiān)測影響較大[35]。溫度傳感器的封裝形式主要與安裝空間的大小和安裝方式有關(guān)，當然，在此基礎(chǔ)上還應滿足溫度傳感器的精度和靈敏度要求。目前，在氣調(diào)冷鏈運輸集裝箱車中無線溫度傳感器的封裝形式主要包括無封裝、自然通風封裝和主動通風封裝3種形式，其封裝方式均與運輸箱體內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)采集有明顯關(guān)系。王廣海[36]以馬鈴薯保鮮集裝箱為試驗對象，通過比較單點傳感器封裝形式對集裝箱內(nèi)溫濕度的監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響，發(fā)現(xiàn)其結(jié)果顯著不同，采用無封裝形式下的箱體內(nèi)溫差較小且降溫速度最高。吳瓊等[37]以ZigBee技術(shù)設(shè)計了馬鈴薯貯藏環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，并將無線溫度傳感器的封裝形式選擇為主動通風形式，發(fā)現(xiàn)這種主動控制空氣對流的方式可以在最短時間內(nèi)調(diào)整溫度。呂恩利等[38]為了研究果蔬保鮮運輸過程中的果蔬低溫傷害的問題，通過改變溫度傳感器的通風形式，探究了溫濕度等數(shù)據(jù)的變化和調(diào)節(jié)性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當溫度傳感器布置在開孔隔板后側(cè)，開孔率為4.03% 時，開孔隔板處溫度變化最小，最大溫差僅為1.3 ℃。

3 無線溫度傳感器在食品物流保鮮中的應用趨勢

在食品物流保鮮系統(tǒng)中，無線溫度傳感器的相關(guān)研究和應用較為成熟，但仍集中在傳感器性能優(yōu)化本身，主要是無線溫度傳感器的無線傳輸類型、不同輸出信號選擇，以及無線溫度傳感器的封裝安裝方式等，應用這些技術(shù)研究其對應的食品冷鏈物流保鮮系統(tǒng)均具備良好的控溫監(jiān)測能力[39-40]。無線溫度傳感器的快速發(fā)展有助于食品保鮮過程中重要因素溫度數(shù)據(jù)的獲知，可以有效提高食品保鮮品質(zhì)。但從目前來看，無線溫度傳感器在食品物流保鮮中的應用受到了一定限制，主要是受無線溫度傳感器本身技術(shù)的限制[41]，故無線溫度傳感器在食品物流保鮮中的應用趨勢主要是多指標傳送、可視化、智能化和多場景應用等。

3.1 多指標傳送

食品物流保鮮過程中的重要監(jiān)測環(huán)境因素包括溫度、濕度、氣體組成等[42]，若逐步完善無線傳感器的性能，可以進行食品物流保鮮過程中環(huán)境指標的實時監(jiān)測和傳輸。王想等[43]選取CO2、O2和SO2為基本參數(shù)，利用時域特征參數(shù)提取方法，研究氣體傳感器的靜態(tài)動態(tài)響應參數(shù)，篩選最佳的氣體傳感器參數(shù)，最終發(fā)現(xiàn)最佳特征參數(shù)均為7個，其中當最佳特征參數(shù)不受溫度和時間效應等影響時，氣體傳感器的響應特征可以得到有效改善。該研究表明了氣體組成對食品物流保鮮過程監(jiān)測的重要性，傳感器的改進可以有效提高監(jiān)測的精度和靈敏度。

3.2 可視化

在食品物流保鮮過程中數(shù)據(jù)的可視化越來越受到關(guān)注。逐步提高無線溫度傳感器的作用，實時處理監(jiān)測到的溫度數(shù)據(jù)，并利用圖表直觀表示，有利于工作人員直觀獲知溫度變化，以便對應作出下一步舉措，保障食品品質(zhì)。于杰等[44]對保鮮食品冷鏈物流運作全程監(jiān)控進行了探討，主要對當前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在保鮮食品冷鏈物流運作全程監(jiān)控中的應用進行了論述，認為基于互聯(lián)網(wǎng)、3G網(wǎng)、無線傳感器、RFID等技術(shù)可以實現(xiàn)對冷庫內(nèi)的監(jiān)控溫度、示毒、數(shù)量位置等數(shù)據(jù)的實時獲取并進行可視化，利于指導各部門工作人員瀏覽查詢實時控制。

3.3 智能化

智能化測量監(jiān)控溫度數(shù)據(jù)是無線溫度傳感器的下一步發(fā)展方向[45]，可以優(yōu)化無線溫度傳感器的性能，根據(jù)食品貯藏運輸時間實時智能調(diào)整監(jiān)控間隔等，對食品的周圍環(huán)境智能化監(jiān)控。劉超英等[46]利用ZigBee技術(shù)的優(yōu)勢，嘗試設(shè)計了一套以AVR系列ATmega16微處理器為核心，將ZigBee技術(shù)、GSM模塊與濕冷保鮮系統(tǒng)結(jié)合的智能控制果蔬保鮮系統(tǒng)，可以實時監(jiān)控保鮮系統(tǒng)工作狀態(tài)，及時反饋故障信息并進行維護改進，實現(xiàn)智能化控制，但該系統(tǒng)還有待進一步應用。

3.4 多場景應用

無線溫度傳感器的多場景應用可以使得數(shù)據(jù)實時共享[47]，多位工作人員可以在不同的場景獲知實時數(shù)據(jù)，并實時監(jiān)測獲知食品的保鮮環(huán)境條件。多場景應用的傳感器網(wǎng)絡(luò)，需要具有成本低、部署靈活、網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍大、可靠性高的優(yōu)勢，可以根據(jù)系統(tǒng)具體需求布置無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)布線[48]。

4 結(jié)論

隨著食品冷鏈物流保鮮技術(shù)的發(fā)展，對物流保鮮過程中環(huán)境溫度的控制監(jiān)測的準確性和實時性顯得尤為重要。通過對食品物流保鮮中的無線溫度傳感器的傳輸方式、信號輸出方式以及封裝形式進行整理，發(fā)現(xiàn)當前無線溫度傳感器的應用較為廣泛，但受到無限溫度傳感器本身技術(shù)的限制，其應用深度受到了限制，未來將通過無線溫度傳感器技術(shù)革新，向多指標傳送、可視化、智能化和多場景應用等方向發(fā)展，推進食品物流保鮮系統(tǒng)的應用，助力中國食品物流保鮮行業(yè)的良性發(fā)展。