盛 國

（浙江郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與通信工程學(xué)院，浙江 紹興312366）

荔枝作為南熱帶果品，具有豐富的營養(yǎng)價(jià)值，也是老少皆宜的水果，深受消費(fèi)者的喜愛。但是由于荔枝采后易腐爛變質(zhì)，保鮮期極其短暫，對于荔枝的保鮮倉儲和運(yùn)輸帶來極大挑戰(zhàn)［1-2］。目前荔枝低溫貯藏是較為低成本的保鮮儲存方法，通過采后低溫貯藏和冷鏈運(yùn)輸可以一定程度上滿足北方消費(fèi)者品嘗荔枝的消費(fèi)需求［3-4］。但是現(xiàn)階段我國荔枝保鮮信息化水平仍然存在偏低的問題，荔枝采后在貯運(yùn)環(huán)節(jié)損耗極大，每年總產(chǎn)量占20%以上，經(jīng)濟(jì)損失巨大［5］。很多研究工作基本集中在荔枝保鮮技術(shù)的研究上，王欲翠等［6］提出了組合保鮮技術(shù)提高荔枝貯藏水平，廖仁昭等［7］研究低溫貯藏對不同品種荔枝的品質(zhì)影響。除了研究有效的保鮮技術(shù)外，加強(qiáng)對荔枝貯藏和運(yùn)輸過程的監(jiān)測同樣對于降低荔枝損耗率較為重要，黃臻燕［8］對漳州地區(qū)的荔枝冷鏈物流現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，指出需要提高冷鏈物流階段的信息化水平。

隨著當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)和5G 技術(shù)的快速發(fā)展，將這些技術(shù)應(yīng)用于果蔬保鮮也成為重要的發(fā)展趨勢［9］。程如岐等［10］提出了采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對果蔬新鮮度進(jìn)行監(jiān)測。針對荔枝對于低溫保鮮要求較高的情況，本文設(shè)計(jì)了基于環(huán)境感知的荔枝智能倉儲系統(tǒng)，充分利用當(dāng)前的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和快速傳輸?shù)臒o線通信技術(shù)，達(dá)到對于荔枝倉儲環(huán)境的快速感知、分析和預(yù)警，提高倉儲環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控與預(yù)警效率。

1 基于環(huán)境感知的荔枝智能倉儲系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的基于環(huán)境感知的荔枝智能倉儲系統(tǒng)充分結(jié)合當(dāng)前的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和快速傳輸?shù)臒o線通信技術(shù)，系統(tǒng)功能主要分為三個(gè)部分：環(huán)境感知數(shù)據(jù)獲取、環(huán)境感知數(shù)據(jù)分析以及環(huán)境感知數(shù)據(jù)用戶顯示，其中，環(huán)境感知數(shù)據(jù)獲取部分由溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器、CC2530 節(jié)點(diǎn)以及嵌入式網(wǎng)關(guān)組成；環(huán)境感知數(shù)據(jù)分析由云服務(wù)器運(yùn)行本文的程序進(jìn)行分析處理；環(huán)境感知數(shù)據(jù)用戶顯示部分可以由各類終端通過廣域網(wǎng)和4G/5G 訪問云服務(wù)器獲取顯示。系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 基于環(huán)境感知的荔枝智能倉儲系統(tǒng)框圖

1.1 溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

DHT11 溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，其濕度測量范圍和溫度測量范圍分別為20%～90%RH（相對濕度）和0～50 ℃，測濕精度和測溫精度分別為±5%RH 和±2 ℃，傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC 測溫元件，其具有較高的采集精度、極低的功耗，采用串行傳輸可達(dá)20 m 以上。采用4 針單排引腳封裝。應(yīng)用領(lǐng)域包括汽車、自動控制、氣象站、家電、醫(yī)療等。圖2 為溫濕度傳感器DHT11 電路原理圖，圖3 為溫濕度數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)流程圖。

圖2 溫濕度傳感器DHT11 電路原理圖

圖3 DHT11 溫濕度讀取軟件設(shè)計(jì)流程圖

1.2 二氧化碳傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

SGP30 是一款單一芯片上具有多個(gè)傳感元件的金屬氧化物氣體傳感器，內(nèi)集成4 個(gè)氣體傳感元件，具有校準(zhǔn)的空氣質(zhì)量輸出信號，其二氧化碳?xì)怏w測試范圍為400 到60 000 ppm（百萬分比濃度），測試精度為1～31 ppm，可應(yīng)用于智能家居、家電和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的環(huán)境監(jiān)測。圖4 為二氧化碳傳感器SGP30 電路原理圖，圖5 為二氧化碳傳感數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)流程圖。

圖4 二氧化碳傳感器SGP30 電路原理圖

圖5 SGP30 二氧化碳濃度讀取軟件設(shè)計(jì)流程圖

2 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

2.1 基于ZigBee 的多傳感數(shù)據(jù)通信協(xié)議設(shè)計(jì)

ZigBee 是一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要用于工業(yè)現(xiàn)場自動化控制數(shù)據(jù)傳輸。ZigBee 協(xié)議棧包括IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的物理層和MAC 層，以及ZigBee 的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

由于本系統(tǒng)涉及多種類型環(huán)境傳感數(shù)據(jù)的采集，為滿足多傳感器數(shù)據(jù)有效傳輸?shù)男枰?，對于傳統(tǒng)的MAC 層負(fù)載內(nèi)容格式進(jìn)行重新優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)基于ZigBee 的多傳感數(shù)據(jù)通信協(xié)議在負(fù)載部分定義格式包括傳感器類型、傳感器數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)和傳感器負(fù)載數(shù)據(jù)3 部分，如表1 所示。

表1 負(fù)載協(xié)議格式

2.2 基于UDP 的多傳感數(shù)據(jù)通信協(xié)議設(shè)計(jì)

考慮到本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)需要滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境狀態(tài)的需要，因此采用基于UDP 協(xié)議進(jìn)行嵌入式網(wǎng)關(guān)和云服務(wù)器之間的多傳感數(shù)據(jù)傳輸。UDP 協(xié)議在傳送數(shù)據(jù)之前不需要先建立連接。對方的運(yùn)輸層在收到UDP 報(bào)文后，不需要給出任何確認(rèn)。雖然UDP 不提供可靠交付，但在某些情況下UDP 是一種最有效的工作方式。基于UDP 的多傳感數(shù)據(jù)通信協(xié)議格式如表2 所示，圖6 為基于UDP 協(xié)議完成多傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)過程。

表2 基于UDP 的多傳感數(shù)據(jù)通信協(xié)議格式

3 服務(wù)器端智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖6 基于UDP 協(xié)議完成多傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)過程

為了在云服務(wù)器端對各品種的荔枝進(jìn)行智能倉儲管理，本文在服務(wù)器端設(shè)計(jì)一套基于C#WinForm技術(shù)的智能管理系統(tǒng)，功能框圖如圖7 所示。C#語言是微軟公司推出的面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，能夠快速構(gòu)建基于Windows 和Internet 的應(yīng)用程序和組件，開發(fā)人員可使用C#開發(fā)多種類型的應(yīng)用程序。

本文在服務(wù)器端采用Access 2010 數(shù)據(jù)庫來存儲各節(jié)點(diǎn)的歷史環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)。為有效訪問和存儲來自各傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，本文系統(tǒng)采用ADO.NET 模型完成對Access 2010 數(shù)據(jù)庫的連接和訪問操作。ADO.NET 是應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)源之間的橋梁，通過ADO.NET 模型所提供的對象，再配合SQL 語句即可訪問數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。

圖7 管理系統(tǒng)功能框圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文實(shí)驗(yàn)主要測試各傳感節(jié)點(diǎn)傳輸正確率。實(shí)驗(yàn)所用傳感器類型包括溫濕度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、CC2530 節(jié)點(diǎn)、基于ARM Cortex-M4 嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)備以及服務(wù)器。圖8 為基于ARM Cortex-M4 嵌入式網(wǎng)關(guān)開發(fā)板，完成傳感數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。服務(wù)器端運(yùn)行程序效果如圖9 所示，可以顯示對應(yīng)倉庫和相對荔枝品種的當(dāng)前環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，并根據(jù)預(yù)先設(shè)置的報(bào)警閾值對異常傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警，如圖中白色欄目所示，從而可以使得監(jiān)測更加智能便捷。

圖8 基于ARM Cortex-M4 嵌入式網(wǎng)關(guān)開發(fā)板

圖9 服務(wù)器端荔枝智能管理系統(tǒng)運(yùn)行圖

5 結(jié)語

本文提出了一種基于環(huán)境感知的荔枝智能倉儲系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在提出的設(shè)計(jì)中充分利用當(dāng)前的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和快速傳輸?shù)臒o線通信技術(shù)，達(dá)到對于荔枝倉儲環(huán)境的快速感知、分析和預(yù)警，提高倉儲環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控與預(yù)警效率，從而有利于降低荔枝損耗率，發(fā)揮冷鏈物流信息化價(jià)值。

【責(zé)任編輯：王桂珍 foshanwgzh@163.com】