陳俊杰 鐘小華 沈靈威 馮毅烽 鐘廣澤

（廣東白云學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510450）

0 引言

目前在快遞運(yùn)輸行業(yè)中，生鮮、蔬果的運(yùn)輸方案多以冷鏈運(yùn)輸為主，而不同的食品所需要的冷凍條件不同，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)小批量、多種類(lèi)食品的獨(dú)立運(yùn)輸。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，人們對(duì)生鮮物品的需求量增大，對(duì)生鮮物品的種類(lèi)也提出了更高的要求，而快遞行業(yè)的發(fā)展則為居民提供了一種選購(gòu)不同時(shí)令蔬果的新方式。不同地方培育不同的時(shí)令素菜，為了能夠保證蔬菜從原產(chǎn)地到達(dá)消費(fèi)者手中時(shí)仍能保持最佳的狀態(tài)，需要對(duì)產(chǎn)品保鮮的方式進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化[1]。

1 監(jiān)控系統(tǒng)總框架設(shè)計(jì)

該生鮮冷鏈快遞運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)采用PC 機(jī)為主控系統(tǒng)，下位機(jī)采用STM32 為保鮮箱控制芯片。如圖1 所示，每個(gè)保鮮箱具有獨(dú)立的采集箱體內(nèi)環(huán)境信息的溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器以及氧氣傳感器等傳感器，保鮮箱控制芯片接收環(huán)境信息后，用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至主控系統(tǒng)（PC 機(jī)）并進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)，主控系統(tǒng)判斷并下發(fā)指令控制電磁閥組調(diào)節(jié)箱體內(nèi)的環(huán)境條件。

圖1 生鮮冷鏈快遞運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)框圖

1.1 箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

箱體由一次成型的材料制成，箱體內(nèi)設(shè)計(jì)有夾層用來(lái)放置隔熱保溫的材料，可以有效防止環(huán)境條件的大幅度改變，同時(shí)也可以減輕因大幅度的碰撞而導(dǎo)致食品的損壞。如圖2所示，箱體內(nèi)設(shè)計(jì)有通氣口與排氣口，能輸送與排出冷空氣，以保證箱體內(nèi)部可以保持良好的保存環(huán)境。箱體底部設(shè)計(jì)有卡扣，能夠與車(chē)廂底部進(jìn)行連接，防止箱體因剎車(chē)等車(chē)輛操作而導(dǎo)致出現(xiàn)箱體滑動(dòng)的現(xiàn)象[2]。箱體內(nèi)還設(shè)有無(wú)線充電接口，可以給STM32 模塊、傳感器模塊、電源模塊、人機(jī)交互模塊以及其所屬的電磁閥等元件供電。裝車(chē)時(shí)能夠即插即用，最大程度地實(shí)現(xiàn)無(wú)線化，以節(jié)約裝車(chē)以及卸貨時(shí)花費(fèi)的時(shí)間成本。

圖2 箱體結(jié)構(gòu)示意圖

1.1.1 RFID 射頻模塊

RFID 射頻標(biāo)簽?zāi)K由RFID 射頻標(biāo)簽（如圖3 所示）和讀卡器（如圖4 所示）組成，讀卡器可以對(duì)RFID 標(biāo)簽進(jìn)行讀寫(xiě)，并把箱體中所放置的產(chǎn)品信息以及儲(chǔ)藏條件寫(xiě)入保鮮箱控制芯片并顯示出來(lái)，并且在產(chǎn)品裝車(chē)時(shí)將所有產(chǎn)品信息寫(xiě)入并上傳至服務(wù)器。RFID 讀卡器分為有線部分與無(wú)線部分，有線部分使用RS485 接口和485 協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸至駕駛室。當(dāng)產(chǎn)品運(yùn)輸?shù)襟A站時(shí)，RFID 讀卡器切換至無(wú)線模式，在讀取了RFID 標(biāo)簽的數(shù)據(jù)后通過(guò)TCP/IP、Wi-Fi 或4G 模塊將數(shù)據(jù)直接傳輸至服務(wù)器[3]。

圖3 RFID 射頻模塊

1.1.2 傳感器模塊

每個(gè)箱體內(nèi)部都配備了相應(yīng)的溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器和氧氣傳感器，溫濕度傳感器通過(guò)modbus 協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸給STM32 主控芯片，二氧化碳傳感器和氧氣傳感器通過(guò)串口協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸給STM32 主控芯片。

1.1.2.1 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器（如圖4 所示）采集箱體內(nèi)的溫濕度信息，如果環(huán)境溫濕度低于數(shù)據(jù)庫(kù)錄入的標(biāo)準(zhǔn)值，就及時(shí)將警報(bào)信息發(fā)送至主控芯片，防止因溫濕度條件而導(dǎo)致產(chǎn)品的損壞。溫濕度傳感器使用modbus-RTU 協(xié)議將相關(guān)溫濕度數(shù)據(jù)傳送給STM32 主控板。modbus 中包括主機(jī)地址、從機(jī)地址、功能碼、數(shù)據(jù)地址、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)以及CRC-16 冗余校驗(yàn)碼。使用冗余校驗(yàn)碼對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，以驗(yàn)證數(shù)據(jù)是否正確，如果經(jīng)過(guò)校驗(yàn)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有誤，就通知傳感器重新發(fā)送溫濕度數(shù)據(jù)。

圖4 溫濕度傳感器

1.1.2.2 二氧化碳傳感器

二氧化碳傳感器利用NDIR 紅外吸收的原理檢測(cè)箱體內(nèi)的二氧化碳濃度信息，保證其精度維持在50 ppm±5% F.S（25 ℃），以防止因二氧化碳濃度過(guò)高而出現(xiàn)水果腐爛的現(xiàn)象。二氧化碳傳感器使用USART（串口）通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，USART 使用異步雙工，非阻塞模式，保證數(shù)據(jù)傳輸效率的最大化。同時(shí)數(shù)據(jù)末端設(shè)置有奇偶校驗(yàn)位，以校驗(yàn)數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確。

1.1.2.3 氧氣傳感器

氧氣傳感器通過(guò)探頭檢測(cè)箱體中的氧氣濃度，如果濃度與標(biāo)準(zhǔn)濃度不符，就及時(shí)將信息傳遞至主控板，讓電磁閥運(yùn)作調(diào)整合適的氧氣濃度條件，從而使產(chǎn)品能夠保存更長(zhǎng)的時(shí)間。氧氣傳感器模塊也可以使用4G 模塊或TCP/IP 與STM32主控板、服務(wù)器進(jìn)行通信。運(yùn)輸過(guò)程中氧氣傳感器也處于有線模式，通過(guò)USART（串口）與STM32 主控板進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在到達(dá)了驛站時(shí)可切換為無(wú)線模式，并將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。

1.1.2.4 電源模塊

電源模塊在裝車(chē)時(shí)也會(huì)接入無(wú)線充電模塊進(jìn)行充電。當(dāng)卸車(chē)或其他意外情況導(dǎo)致箱體內(nèi)設(shè)備斷電時(shí)則會(huì)啟動(dòng)給STM32 模塊、傳感器模塊、電源模塊、人機(jī)交互模塊以及其所屬的電磁閥等元件供電，避免因斷電而出現(xiàn)食品、產(chǎn)品損壞的現(xiàn)象。電源模塊的主要參數(shù)為輸出電壓12 V/5 V，輸出電流5 V/2 A 和12 V/3 A。該文使用的是容量為9 800 MAh 的電池，可以同時(shí)保證蓄電能力與供電能力。并且在發(fā)生意外情況（例如車(chē)輛蓄電池電量不足、進(jìn)入加油站加油）時(shí)還可以臨時(shí)地給箱體供電，以免因車(chē)輛電量不夠熄車(chē)，使箱體內(nèi)無(wú)法及時(shí)提供冷凍介質(zhì)等條件而出現(xiàn)食品、產(chǎn)品損壞的現(xiàn)象。

1.1.2.5 人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊（如圖5 所示）觸摸屏主頁(yè)面會(huì)顯示箱體的ID 號(hào)、箱體內(nèi)的溫濕度、二氧化碳濃度和氧氣濃度信息，以監(jiān)測(cè)箱體內(nèi)的環(huán)境條件，同時(shí)按下觸摸屏的按鈕后就會(huì)進(jìn)入服務(wù)器數(shù)據(jù)頁(yè)面，顯示服務(wù)器發(fā)送的查詢(xún)信息指令以及發(fā)送給服務(wù)器的具體數(shù)據(jù)信息。LCD 屏幕分為駕駛室部分與箱體部分，駕駛室LCD 屏幕上顯示某一箱體的環(huán)境信息，還設(shè)計(jì)有按鈕，可以切換顯示其他箱體的環(huán)境信息，并且可以在觸摸屏上手動(dòng)調(diào)整箱體中電磁閥等元件的啟動(dòng)與關(guān)閉，從而改變環(huán)境條件。箱體部分的LCD 觸摸屏只顯示當(dāng)前箱體內(nèi)的環(huán)境信息，同樣也可以在箱體的觸摸屏上手動(dòng)調(diào)整箱體內(nèi)相關(guān)元件的啟動(dòng)與關(guān)閉，從而改變環(huán)境信息。箱體觸摸屏與駕駛室觸摸屏設(shè)定有改變條件的優(yōu)先級(jí)，無(wú)法同時(shí)調(diào)整。如果在運(yùn)輸過(guò)程中，那么設(shè)定駕駛室觸摸屏為最高優(yōu)先級(jí)，如果送達(dá)驛站進(jìn)行分發(fā)時(shí)，那么設(shè)定箱體觸摸屏為最高優(yōu)先級(jí)。

圖5 LCD 觸摸屏

2 系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)

2.1 控制程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)（如圖6 所示）開(kāi)始工作時(shí)，傳感器開(kāi)始采集環(huán)境數(shù)據(jù)信息，并通過(guò)485 接口與串口將信息傳遞至STM32 主控芯片，然后主控芯片打開(kāi)接口接受傳感器發(fā)送的環(huán)境信息數(shù)據(jù)，并把相關(guān)數(shù)據(jù)信息傳遞至服務(wù)器模塊，在服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并獲取當(dāng)前批次產(chǎn)品的環(huán)境信息下發(fā)回本地端的主控芯片，主控芯片接收信息后，將服務(wù)器中接收的信息與傳感器傳遞的信息進(jìn)行比較，如果傳感器傳遞的信息與服務(wù)器的數(shù)據(jù)有差異，就會(huì)開(kāi)啟電磁閥的進(jìn)氣口與排氣口進(jìn)行換氣操作；如果溫度高于規(guī)定溫度，那么進(jìn)氣口通入冷凍介質(zhì)，排氣口不進(jìn)行操作，直至達(dá)到規(guī)定溫度；如果溫度低于規(guī)定溫度，那么進(jìn)氣口與排氣口同時(shí)打開(kāi)，通入空氣進(jìn)行換氣操作，直至達(dá)到規(guī)定溫度。如果二氧化碳濃度低于規(guī)定閾值，就會(huì)打開(kāi)二氧化碳?xì)夤尴蜻M(jìn)氣口通入二氧化碳。主控芯片也可以接受外部人員的直接控制，駕駛室中安裝有手動(dòng)操作模塊，如果客戶(hù)發(fā)現(xiàn)箱體環(huán)境與標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)藏環(huán)境有差異，就可以通知駕駛室中的人員使用手動(dòng)操作模塊進(jìn)行操作，手動(dòng)改變儲(chǔ)藏條件。

圖6 控制程序流程圖

3 結(jié)語(yǔ)

該文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于STM32 的生鮮冷鏈快遞運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)，分別介紹了監(jiān)控系統(tǒng)總框架設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)以下4 個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1）能夠解決當(dāng)前市面上無(wú)法小批量運(yùn)輸有條件要求的生鮮冷凍食品的困難。2）把信息傳遞到客戶(hù)終端，可以讓客戶(hù)更為直觀地觀測(cè)到食品的情況，滿足客戶(hù)對(duì)于健康的需求。3）運(yùn)用智能運(yùn)輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，節(jié)省了運(yùn)輸成本，具有較高的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。4）設(shè)計(jì)有隔溫夾層，使箱體在取出車(chē)廂后的一定時(shí)間內(nèi)仍然具有儲(chǔ)藏功能。

綜上所述，該系統(tǒng)符合生鮮冷鏈運(yùn)輸?shù)沫h(huán)境并且有很高的效率和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，具有良好的應(yīng)用前景。