专利名称：一种葡萄冷链物流跟踪与监测的方法
技术领域：
本发明涉及物流过程中的监控技木，特别涉及ー种葡萄冷链物流跟踪与监测的方法。
背景技术：
葡萄具有很高的营养价值和食疗价值，随着社会进步和人们生活水平的提高，对鲜食葡萄的需求量越来越大。然而由干葡萄柔软多汁、水分含量高，易受病菌侵染而腐烂变质，采摘后在常温下呼吸强度大，贮藏过程中会出现干梗、脱粒、褐变、腐烂等问题，严重影响葡萄的品质。我国葡萄毎年由于保鲜技术不完善造成的损失占葡萄总产量的20%以上，造成了很大的经济损失。因此，搞好葡萄的贮藏保鲜，对于满足市场需求，促进果农增收具 有重要的现实意义。葡萄的冷藏运输属于葡萄保鲜工程的一部分，对冷藏运输的监测是十分重要的。目前，毎年在冷藏运输过程中因产品腐烂变质而造成巨大损失，很多货物在运输途中因为监管不善而毁损。同时，消费者对冷冻冷藏产品的新鮮度也有了更高的要求，这些都在促进冷藏运输业的发展。现有的冷藏车内部监测系统存在着缺陷一是事后系统，即只是事情发生之后，用户才能发现产品已经腐烂变质，从而不能避免损毁的发生，只能确认事件的责任方；ニ是没有实时性，没有冷藏车内货物的状态信息，没有易腐货物的剰余寿命信息。实现葡萄冷链物流运输的实时监控既是生鲜农产品安全监瞀的要求，也是冷链物流技术的发展要求。ー些物流的国家标准、行业标准和地方标准先后颁布实施，重要法律法规逐步完善。农产品物流的重要性进ー步被消费者认识，全社会对“优质优价”农产品的需求不断增长。无线传感网络(WSN ffireless Sensor Network)是综合应用传感器、嵌入式计算技术和分布式信息处理技术，不需要对现场结构进行改动，不需要原先任何固定网络的支持，能够快速布置，方便调整，并且具有很好的可维护性和拓展性。可以在任何时间、地点和任何环境条件下采集海量数据，因此成为冷链物流设施装备的技术趋势，实现对物流对象环境的实时监測。
发明内容
(一 )要解决的技术问题针对上述物流过程中的不足，本发明采用传感器集成技术，提出了ー种葡萄冷链物流跟踪与监测的方法，对物流过程中的环境參数信息进行采集，以做到实时监測，从而实现对内部葡萄品质的监管，确保其安全。( ニ )技术方案ー种葡萄冷链物流跟踪与监测的方法，所述方法包括如下步骤SI，确定葡萄冷链物流过程中需要跟踪与监测的环节，井根据葡萄的品质变化机理，分析并确定葡萄冷链物流过程中环境參数；
S2，根据上述SI步骤中确定的环境參数来确定传感器模块的类型；S3，建立WSN平台，实现传感器模块对数据采集和传输；S4，对传感器模块的空间布局进行测试并优化；S5，通过WSN平台对葡萄冷链物流过程进行监测。其中，所述需要跟踪与监测的环节包括葡萄预冷和仓储阶段以及葡萄冷藏运输阶段；所述环境參数包括温度、湿度和SO2浓度。
其中，所述传感器感知模块类型包括温湿度传感器模块和SO2传感器模块。其中，所述WSN平台包括传感器模块节点，网关节点，传感器模块节点程序和上位机管理软件；所述传感器模块节点在采集到数据后由传感器模块节点程序通过网关节点发送给上位机管理软件。其中，所述网关节点采用无线通信，工作在2400MHz 2483MHz的频段中，拥有ー个64位的Extended Address来卩隹ー标示所建立的网络,并在无线网络初始化完成后，接收未加入网络的传感器节点的加入请求信息以及将已加入网络的传感器节点的数据传送给上位机管理软件。其中，所述传感器节点周期性捜索网关节点，如果发现网关节点，则发送绑定请求信息，等待网关节点响应绑定成功。其中，所述传感器节点在绑定成功后，将环境參数数据发送给网关节点；如果传感器节点在超过阈值时间后没有收到网关节点的应答，则移除本次绑定操作并重新捜索和绑定网关节点。其中，所述传感器节点在绑定成功后，是选择否启动休眠模式；如果不启动休眠模式，则传感器节点会立即发送数据；如果启动休眠模式，则进入休眠状态。其中，所述休眠模式包括深度休眠模式和定时休眠模式；所述传感器节点在进入深度休眠模式后，立即发送数据，数据发送完毕后进入深度休眠状态，直到外部硬件中断或者系统复位才重新开启数据发送；所述传感器节点在进入定时休眠模式后，立即发送数据，数据发送完毕后，启动休眠定时器进入定时休眠模式，直到休眠时间到，节点自动退出休眠模式继续发送数据。其中，所述S4步骤中测试和优化的步骤如下S401，采集监控空间的数据；S402，将传感器节点的采集的数据进行分析，对采集的数据不符合要求的传感器节点重新布局；S403，返回S401重新采集监控空间的数据，直到所有监控器节点采集的数据满足要求。(三)有益效果本发明据葡萄冷链运输环境特点，采用多传感器集成技术，开发了完整的数据采集、传输系统，实现葡萄冷链物流全过程环境參数的无缝监测的创新，通过减少人为干预的连续自动数据采集，提高了葡萄冷链物流数据采集与监测的效率。
图I为本发明ー种葡萄冷链物流跟踪与监测方法的流程示意图。
图2为葡萄冷链物流监控环节示意图。图3为冷藏车厢物理结构及货物摆放示意图。图4为无线传感网络系统结构图。图5为SO2模块监控测试结果6为系统传输性能测试结果7为传感器节点硬件连接图。图8为网关节点程序设计流程图。图9为终端节点程序设计流程图。 图10-12为系统上位机软件实现界面图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进ー步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。本实施例以我国葡萄冷链物流链类为研究对象，对其冷链物流仓储和运输过程进行质量监測。本发明所述方法的步骤具体实施例如下(SI)葡萄存储环境感知參数识别。对葡萄冷链物流全过程进行监控管理，进行葡萄品质变化机理分析，建立品质变化记录。该葡萄存储环境感知參数识别过程主要分为以下步骤SlOl :将已知葡萄冷链物流过程分为仓储过程和运输过程两类(如图2所示)，并以此确定需要跟踪与监测的冷链物流环节如下监测环节I :葡萄预冷和仓储阶段。采收的葡萄，仍然是活体，在呼吸作用等代谢活动中要释放大量的热量，同时采收时气温较高，果穗自身也带有田间热，如果对葡萄进行采收后装箱装车运输，这热量会汇聚并且温度不断升高，如运输时间过长，再加上运输中的机械伤，将加大“伤热”程度，使葡萄的耐贮藏性下降并且导致病害程度加重。因此，葡萄采收后应采取及时预冷措施。监测环节2 :葡萄冷藏运输阶段。在葡萄由仓库到销售地的运输过程中，由于运输时间较长，导致环境温度变化幅度较大，因而需采取必要的保温措施。实际运输中常使用棉被或冷藏车保证稳定的运输温度，因此该应对该环节采取跟踪与监控措施。S102 :依据葡萄品质变化机理，分析葡萄冷链物流过程环境參数需求。温度是影响葡萄果实呼吸作用和酶活性的主要因素。低温贮藏不仅能够有效地抑制浆果的呼吸作用，还能降低こ烯的生成和释放量，抑制浆果内过氧化物酶的活性，維持超氧化物歧化酶活性，在一定水平上可清除组织内产生的有害物质，同时可以抑制病菌的生长繁殖，避免褐变腐烂，有利干葡萄的保鲜。随着贮藏温度的降低，葡萄的贮藏期延长，但超过葡萄的冰点则容易形成冻害。相対湿度。相対湿度越大，果粒、果梗就越新鮮。但相对湿度过大，会给病菌活动创造条件，导致腐烂。相対湿度越小，虽然可控制病菌的危害，但果粒和果梗易失水，形成果皮皱缩、果粒干枯。另外，在葡萄贮藏过程中，常使用SO2类保鲜剂。SO2气体对葡萄上常见的致病真菌如灰霉菌有強烈的抑制作用，同时还能抑制氧化酶的活性，降低呼吸速率，增强耐贮性，有效的防治葡萄酶促褐变。然而，如果贮藏环境中SO2浓度过大，除了会对葡萄产生药害，造成果皮漂白，果实产生异味，影响ロ感之外，SO2在果实中的残留转化成的亚硫酸盐还会对人体健康造成一定危害。S103 :确定葡萄存储环境感知參数。通过对葡萄品质变化机理分析可以得到，在葡萄在冷藏时，温度控制在O _1°C ；相対湿度控制在90% 95% ;另外，葡萄中SO2浓度在10 20ppm时会比较安全，浓度过低达不到防腐目的，浓度过高易使果粒褪色漂白。(S2)多传感器集成数据感知模块设计与实现。对于葡萄冷链物流跟踪与监测系统多传感器集成数据感知模块设计与实现主要分为以下步骤S201 :针对葡萄冷链物流环境的特殊性，根据葡萄冷链物流过程环境參数需求分析结果，将多传感器集成模块分为温湿度传感器模块和SO2传感器模块。S202 :温湿度传感器模块设计与实现；选用瑞士 Sensiron公司生产的SHTll数字温度传感器。SHTll为具有ニ线串行接ロ的单片全校准数字式新型相対湿度和温度传感器，可用来測量相対湿度、温度和露点等參数。它具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换等特点。首先利用两只传感器分别产生相対湿度、温度信号，然后经过放大器放大，分别送至A/D转换器进行模数转换、校准和纠错，再通过ニ线串行接ロ将相对湿度及温度数据送至微控制器，最后利用微控制器完成分线性补偿和温度补偿。(I)相対湿度的修正为了补偿湿度传感器的非线性以获取准确数据，采用如下公式对输出数值进行修正RHlinear — Cj+Cg · S0EH+c3 · SOeh其中，RHlinear为修正后的线性输出值，SOeh为传感器相対湿度输出数值，C1, c2、C3为湿度转换系数。对于高于99% RH的測量值则表示空气已经完全饱和，必须被处+理成显示值均为100% RH，湿度传感器对电压基本上没有依赖性。(2)相対湿度的温度补偿当实际测量温度与25°C相差较大吋，须考虑湿度传感器的温度修正系数RHtrue = (Tv-25) · (t!+t2 · SOeh) +RHlinear其中RHtrae为修正后的湿度输出值，V t2为温度补偿系数。(3)温度值的修正由于温度传感器具有极好的线性，使用如下公式即可将数字输出转换为温度值Temperature = (Ifd2 · SOt其中，Temperature为修正后的温度值，SOt为传感器的数字输出，も、d2为温度转换系数。S203 =SO2传感器模块设计与实现；选用瑞士 MEMBRAP0R公司生产的MF-20型SO2传感器，电化学传感器的反应机理是气体扩散进入传感器在工作电极上发生反应，每一反应均可用准化学方程式的形式表示，就SO2气体传感器而言，SO2气体在工作电极上的化学反应方程式为、
S02+2H20 — H2S04+2H++2e_而在反电极上发生的反应则正好与工作电极上的反应平衡。例如工作电极上发生氧化反应，则反电极上就与发生还原反应而生成水。因此这一反应的标准方程式可以写成02+4I-r-2e'oH20这ー总方程式说明传感器仅作为化学反应的催化剂，其本身并没有消耗。传感器内部加了一个内置的化学过滤器，用以消除气体样品中存在的ー些其他气体的交叉干扰。每ー个过滤器都设计使样品气体中的某些气体在其达到工作电极之前将其除去，这样ー来就消除了某些特定气体的交叉干扰。本发明通过选取合适的运算放大器和负载电阻，将输出信号调节为标准的O. 4V 2V信号，该范围线性对应O 20ppm的SO2气体浓度。电解池的电流稳定很快，而反电极的极化相对较慢，因此尽快传感器的信号已经稳定，反电极的电位仍然可能存在漂移。在实际测量中最大的反电极极化对參考电极而言有可能达到300 400mV。在实际操作中，为使传感器性能不受损害，需要将负载电阻Rltjad两端的压降限制在IOmV以下，这样还能保证响应更加快速。为了维持传感器总处在“预备工作”状态，一般情况下三电极系统传感器在不工作时工作电极和參考电极两端总是短路连接。在传感器存储时安装好短路电路，只有在即将使用时方可取去。当模块断电后两电极重新短路，以备下次使用时传感器能够快速启动。为实现此目的，可用结场效应管连接两电极，保证电路断路时两电极能够保持短路。S204 :WSN传感器节点性能测试。为方便传感器接ロ与无线模块连接，发送用户数据，因而采用模块化设计方法，对温湿度传感器模块和SO2传感器模块分别进行测试。针对温湿度传感器模块，实验室选用-10°C到40°C变温环境，O %到95 %相対湿度变化环境进行测试，由标准温湿度计做校正，修正温湿度转换系数，提高传感数据准确度。针对SO2传感器模块，由于SO2传感器出厂时已由标准气体环境进行标定，因而偏重对传感器稳定性进行测试，将传感器模块置于SO2环境(SO2浓度为量程范围)连续工作12小吋，得到传感数据曲线(如图5所示)。节点通信性能测试针对冷藏运输特殊环境，本测试主要在室内进行，分别在以下三类情况进行误包率(PER)测试存在混凝土墙障碍物；存在隔板墙障碍物，以及无障碍情况。传输功率设为OdBm时，其测试结果如图6所示。有图可知，在无障碍的情况下，有效传输距离可达到50米以上，在存在隔板墙时，有效传输距离达到15米左右，在混凝土墙存在情况下，有效传输距离亦可达到7米以上。节点传输性能良好，满足设计要求。(S3)葡萄冷链物流跟踪与监测系统WSN平台设计。对于葡萄冷链物流跟踪与监测系统WSN平台设计，主要分为以下几个步骤S301 =WSN系统拓扑结构设计；针对冷藏车有限范围的特殊环境，本发明选用星形网络拓扑结构。该结构简单易用，在这种结构中，主要包含一个网关节点和一系列终端节点。网关节点是任意两个终端节点的通信的中转站。即终端节点可以自如的与网关节点通信，如果想与其他的终端节点通信则必须先通过网关节点进行信息的转发。系统结构图如图4所示。
S302 :基于ZigBee传输协议的网关节点设计与实现；网关节点是网络的第一个设备，主要任务是建立网络。节点上电后首先初始化系统硬件.完成后启动Z-stack协议栈.接着调用f8wCoord. cfg文件确认设备类型及其功能，根据fSwConfig. fcg的频率设置搜索信道并进行能量检测。在确定信道可用后网关节点就开始配置网络参数建立网络。网络建立完成后在网关节点的周围会出现一个以它为中心的一定范围的网络区域.并且开始不停地对区域内进行搜索查看是否有节点加入请求。如果网关节点收到了外来节点的入网请求.就会发出响应允许结点加入。同时给新节点分配网络地址并更新自己的路由表以存储新节点的信息。在建立网关与节点的通信以后就可以接收节点发送过来的信息。因为网关节点新加入的节点都是由标准的IEEE802. 15. 4物理芯片作为主控制器。所以接收到的数据包不需要经过拆解重组就可以直接通过串口发送 至PC上位机。网关节点的程序流程如图8所示。系统上电后，网络之中节点开始初始化。对于网关节点，它将在2400MHz 2483MHz的频段中，扫描并选取一个最安静的通道建立一个无线网络，并有一个64位的Extended Address来唯一标识所建立的网络。然后不断监听端口，一方面接收尚未加入网络节点传来的请求信息，一方面接收已加入该网络中的其他节点的数据，同时将数据传送给PC进行处理。S303 :传感器节点程序流程设计；终端节点通过发送绑定请求函数(zb_BindDeviece())自动加入网络,等待网关节点绑定响应成功而完成绑定操作。在没有发现网关节点的情况下，将周期性继续搜索。绑定成功之后，终端节点将环境参数数据发送给网关节点。在没有收到网关节点应答的情况下，终端节点将移除本次绑定并重新发现和绑定网关节点。终端节点的程序流程图如图
9所示。在节点会绑定目标地址之后,节点选择是否启动休眠模式。如果不启动休眠,则节点会立即发送数据；如果启动休眠，接着选择休眠模式。如果选择深度休眠模式，那么立即发送相关数据，直到发送完毕以后节点进入深度休眠。等待外部硬件中断或者系统复位才能重新开启数据发送。如果选择定时休眠模式，节点将发送数据，并且在等到数据发送完毕后启动休眠定时器进入定时休眠模式，直到休眠时间到，节点自动退出休眠模式继续发送数据。S304 :上位机管理软件设计；PC端上位机管理软件采用Visual Studio 2005平台开发，使用C#编程语言。用户通过管理软件可以直观看到整个网络的拓扑结构，可以查询某传感器节点的温度值、湿度值、SO2浓度，以及感知数据的实时曲线绘制等。用户查询某节点信息只需点击软件界面相应节点即可。其中，网关节点通过串口将数据发送给PC上位机，以实现下位机到上位机的无缝连接。系统界面如图10-12示。(S4)优化传感器节点空间布局。对于传感器节点空间布局优化，主要分为以下几个步骤S401 :验证葡萄冷藏车厢环境参数分布状态；根据葡萄冷链运输的一般情况，将冷藏车厢的温度控制在0°C左右，湿度控制在90 % -95 %之间，对每箱葡萄中放置适量SO2型保鲜片剂。以一辆车厢尺寸4000mmX 1750mmX 1500mm的机械式冷藏车厢,采用翅片管式蒸发器装置的冷藏车为例。在车厢后部上方，设置打冷的排气口，114. 3mmX 943mmX 152. 4mm尺寸。同时，将货物的数量、包装、尺寸与货物间隙安排如图3所示。车厢内部放置共放置32箱货物。在建立冷藏车厢物理模型的基础上，对冷藏车厢进行环境参数分析。S402:根据冷藏车环境模型及上一步环境数据采集结果，结合实际分析，合理优化冷藏车厢内传感器布局，使终端节点布置合理，能够准确反映出实际车厢环境参数分布。S403 :采集环境感知数据。由环境参数分布验证结果，将终端节点按照合理布局分析结果放置在冷藏车箱内 并采集感知数据。(S5)葡萄冷链物流跟踪与监测系统测试。对于葡萄冷链物流跟踪与监测系统测试，主要分为以下几个步骤S501 :试整体运行跟踪与监测系统，对运行结果进行问题分析；将搭建好的跟踪与监测系统应用于实际物流，搜集实际运行结果与用户反馈，对运行与反馈结果进行综合整理，分析并筛选出可选改进方案，为下一步工作奠定基础。S502 :通过对系统试运行的分析，改进硬件结构，降低系统功耗；综合分析适用性结果，对系统硬件电路进行改进，针对实际问题采取相应解决方法，同时，对系统硬件的电池寿命进行评估和优化，降低系统功耗，提高使用寿命。S503 :系统稳定性与精确性的测试与优化。该步骤主要是针对系统稳定性和精确性的测试。在系统稳定性方面，主要针对系统的通信性能和数据完整性进行测试，对实验结果作出合理评估和改进；在系统精确性方面，主要是针对数据的合理性和准确性进行测试，通过测试结果，改进感知数据后期处理算法，提高数据的精确性，使之更能准确反映环境参数。以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
权利要求
1.一种葡萄冷链物流跟踪与监测的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤 Si，确定葡萄冷链物流过程中需要跟踪与监测的环节，并根据葡萄的品质变化机理，分析并确定葡萄冷链物流过程中环境参数； S2，根据上述SI步骤中确定的环境参数来确定传感器模块的类型； S3，建立WSN平台，实现传感器模块对数据采集和传输； S4，对传感器模块的空间布局进行测试并优化； S5，通过WSN平台对葡萄冷链物流过程进行监测。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述需要跟踪与监测的环节包括葡萄预冷和仓储阶段以及葡萄冷藏运输阶段；所述环境参数包括温度、湿度和SO2浓度。
3.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述传感器感知模块类型包括温湿度传感器模块和SO2传感器模块。
4.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述WSN平台包括传感器模块节点，网关节点，传感器模块节点程序和上位机管理软件；所述传感器模块节点在采集到数据后由传感器模块节点程序通过网关节点发送给上位机管理软件。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述网关节点采用无线通信，工作在2400MHz 2483MHz的频段中，拥有一个64位的Extended Address来唯一标示所建立的网络，并在无线网络初始化完成后，接收未加入网络的传感器节点的加入请求信息以及将已加入网络的传感器节点的数据传送给上位机管理软件。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述传感器节点周期性搜索网关节点，如果发现网关节点，则发送绑定请求信息，等待网关节点响应绑定成功。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述传感器节点在绑定成功后，将环境参数数据发送给网关节点；如果传感器节点在超过阈值时间后没有收到网关节点的应答，则移除本次绑定操作并重新搜索和绑定网关节点。
8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述传感器节点在绑定成功后，是选择否启动休眠模式；如果不启动休眠模式，则传感器节点会立即发送数据；如果启动休眠模式，则进入休眠状态。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述休眠模式包括深度休眠模式和定时休眠模式； 所述传感器节点在进入深度休眠模式后，立即发送数据，数据发送完毕后进入深度休眠状态，直到外部硬件中断或者系统复位才重新开启数据发送； 所述传感器节点在进入定时休眠模式后，立即发送数据，数据发送完毕后，启动休眠定时器进入定时休眠模式，直到休眠时间到，节点自动退出休眠模式继续发送数据。
10.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述S4步骤中测试和优化的步骤如下 S401，采集监控空间的数据； S402，将传感器节点的采集的数据进行分析，对采集的数据不符合要求的传感器节点重新布局； S403，返回S401重新采集监控空间的数据，直到所有监控器节点采集的数据满足要求。
全文摘要
本发明公开了一种葡萄冷链物流跟踪与监测的方法，所述方法包括如下步骤S1，确定葡萄冷链物流过程中需要跟踪与监测的环节，并根据葡萄的品质变化机理，分析并确定葡萄冷链物流过程中环境参数；S2，根据上述S1步骤中确定的环境参数来确定传感器模块的类型；S3，建立WSN平台，实现传感器模块对数据采集和传输；S4，对传感器模块的空间布局进行测试并优化；S5，通过WSN平台对葡萄冷链物流过程进行监测。本发明据葡萄冷链运输环境特点，采用多传感器集成技术，开发了完整的数据采集、传输系统，实现葡萄冷链物流全过程环境参数的无缝监测的创新，通过减少人为干预的连续自动数据采集，提高了葡萄冷链物流数据采集与监测的效率。
文档编号G01D21/02GK102680019SQ201210152209
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月16日 优先权日2012年5月16日
发明者张健, 张小栓, 张雷, 肖新清, 齐林 申请人:中国农业大学