鮮食葡萄具有很高的營養(yǎng)價值和食療價值。隨著社會進步和人們生活水平的提高，對鮮食葡萄質量安全越來越關注。為了確保食品鮮食葡萄質量安全，物流過程中多采用冷鏈技術，通過實時監(jiān)測并調(diào)節(jié)儲運中的溫濕度環(huán)境，使葡萄全程處于適宜的冷藏環(huán)境。但是，即使鮮食葡萄處在適宜的冷藏環(huán)境中，微生物仍然處在緩慢生長狀態(tài)，在長時間的運輸途中同樣容易出現(xiàn)腐爛變質的情況，不能達到保鮮目的。因此，一般在冷鏈物流過程中，有效耦合應用保鮮技術可以降低農(nóng)產(chǎn)品的新陳代謝及其呼吸速度，抑制冷藏環(huán)境中的細菌生長，延長貨架期。常用的果蔬保鮮劑有防病防腐保鮮劑、氣體防腐保鮮劑、涂被保鮮劑以及其他保鮮劑等。

    鮮食冷鏈物流過程中比較常用的是SO2氣體防腐保鮮劑。但是，如果操作不當，有可以導致SO2釋放過快,不僅導致鮮食葡萄漂泊損傷及影響人體健康與環(huán)境，還有可能后期劑量不足又引起葡萄腐爛[1-2]。因此，鮮食葡萄冷鏈過程需要監(jiān)測與調(diào)節(jié)SO2釋放情況，使SO2氣體能長時間、均勻釋放，達到全程保鮮目的。無線傳感器網(wǎng)絡作為一種新的信息獲取技術，尤其是ZigBee技術，憑借其低功耗、低成本、高可靠性等特點，廣泛地應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領域[3]。現(xiàn)有的SO2傳感器主要是應用于工業(yè)環(huán)境，其精度與量程不能滿足鮮食葡萄等農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流需要[4]。
    本文針對鮮食葡萄冷鏈物流監(jiān)測需求，應用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡技術，集成溫濕度傳感器、SO2傳感器設計了面向鮮食葡萄冷鏈物流的無線傳感器節(jié)點，同時設計了用于數(shù)據(jù)匯集的協(xié)調(diào)器網(wǎng)關節(jié)點以及遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)，并進行了相關的性能測試。
1 系統(tǒng)基本結構
    面向鮮食葡萄冷鏈物流的無線實時監(jiān)測系統(tǒng)是一個無線傳感信息采集系統(tǒng)，其基本結構主要由無線傳感器網(wǎng)絡單元和遠程實時監(jiān)控單元組成，無線傳感器網(wǎng)絡端與遠程實時監(jiān)控端的數(shù)據(jù)通信則是通過GPRS遠程傳輸方式進行，系統(tǒng)基本結構如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計
    系統(tǒng)硬件結構如圖2所示，主要包括無線傳感器節(jié)點部分和協(xié)調(diào)器部分。

2.1 無線傳感器節(jié)點設計
    無線傳感器節(jié)點即終端節(jié)點，實時感知著整個冷鏈物流過程中鮮食葡萄環(huán)境中的溫濕度、SO2濃度值等信息，主要由主控模塊、無線射頻模塊以及傳感器模塊組成，傳感器模塊包括溫濕度及SO2采集模塊，結構如圖2所示。
    經(jīng)過文獻查詢[5-6]及調(diào)研結果得到鮮食葡萄冷鏈環(huán)境下溫度、相對濕度及SO2體積含量的理論監(jiān)測范圍，根據(jù)其范圍選擇合適的傳感器，鮮食葡萄冷鏈環(huán)境下的監(jiān)測參數(shù)及傳感器選擇情況如表1所示。

    本系統(tǒng)主控芯片采用TI公司的片上系統(tǒng)(SOC)的CC2530F256，溫濕度采集模塊采用的溫濕度傳感器為瑞士Sensirion公司出品的具有14 位A/D轉換器的SHT11數(shù)字溫濕度傳感器。SO2傳感器模塊則采用瑞士MEMBRAPOR公司生產(chǎn)的基于三電極系統(tǒng)的電化學MF-20型SO2傳感器。
2.2 協(xié)調(diào)器設計
    協(xié)調(diào)器是整個無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵，它既負責建立和維護整個ZigBee網(wǎng)絡,同時還需要接收采集節(jié)點的信息并將匯集來的數(shù)據(jù)信息整合上傳至遠程實時監(jiān)控端。本文設計的協(xié)調(diào)器節(jié)點還通過RS-232串行接口與GPRS模塊相連接以實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡與遠程實時監(jiān)控端的遠程通信,實現(xiàn)無線網(wǎng)關的功能，協(xié)調(diào)器的基本結構如圖2所示。
    GPRS模塊采用廣州致遠電子有限公司的具有小體積和靈活應用方式的ZWG-28DP嵌入式工業(yè)級GPRS無線模塊。通過配置GPRS模塊的相關網(wǎng)絡參數(shù)以實現(xiàn)GPRS與Internet的連接，最終實現(xiàn)將無線傳感器網(wǎng)絡實時采集的數(shù)據(jù)傳送至遠程實時監(jiān)控端。
3 系統(tǒng)軟件設計
    本文的軟件開發(fā)系統(tǒng)采用IAR Embedded Workbench for 8051嵌入式集成開發(fā)環(huán)境，軟件設計采用TI公司針對其ZigBee芯片開發(fā)的采用事件輪詢機制的半開源Z-Stack協(xié)議棧，開發(fā)語言為C語言。系統(tǒng)遠程監(jiān)控端的監(jiān)控軟件采用NI公司的LabVIEW圖形化軟件進行開發(fā)。
3.1 無線傳感器節(jié)點軟件設計
    無線傳感器節(jié)點與SHT11和SO2傳感器通信程序及數(shù)據(jù)采集程序都只需在Z-Stack協(xié)議棧的應用層開發(fā)。應用層分別定義了溫濕度采集任務及SO2采集任務.當有任務就緒時，調(diào)用相應的處理函數(shù);無就緒任務時，系統(tǒng)進入休眠實現(xiàn)低功耗。數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)牧鞒倘鐖D3中(1)所示。

3.2 協(xié)調(diào)器軟件設計
    協(xié)調(diào)器首先對串口等硬件進行初始化，之后協(xié)調(diào)器組建一個ZigBee網(wǎng)絡并等待節(jié)點加入網(wǎng)絡。當協(xié)調(diào)器接收到數(shù)據(jù)信息時，它會回復ACK應答信號確認收到數(shù)據(jù)，同時將數(shù)據(jù)上傳，在串口發(fā)送失敗時協(xié)調(diào)器復位串口并重新發(fā)送。協(xié)調(diào)器應用層數(shù)據(jù)接收與轉發(fā)流程如圖3中(2)所示。
3.3 遠程監(jiān)控軟件設計
    系統(tǒng)遠程監(jiān)控軟件運行在遠程的數(shù)據(jù)監(jiān)控端，協(xié)調(diào)器通過GPRS模塊實現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)實時與遠程監(jiān)控軟件的通信。
    遠程監(jiān)控軟件具有數(shù)據(jù)實時收集、實時曲線顯示、存儲管理、歷史數(shù)據(jù)查詢以及系統(tǒng)相關的配置等功能。
4 系統(tǒng)測試結果與分析
4.1測試條件
    葡萄冷鏈環(huán)境使用天津蘇瑞科技有限公司TEMI1880型高低溫交變實驗箱(以下簡稱變溫箱)模擬。分別向傳感器節(jié)點及協(xié)調(diào)器燒入相應的嵌入式程序，協(xié)調(diào)器同時通過RS232串口與GPRS模塊連接，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程傳輸?shù)木W(wǎng)關功能。
4.2 模擬冷鏈環(huán)境下的系統(tǒng)測試
    本測試在中國農(nóng)業(yè)大學信息與電氣工程學院進行，選用國家農(nóng)產(chǎn)品保鮮技術中心(天津)生產(chǎn)的袋裝SO2型保鮮劑，在變溫箱中放置一定的鮮食葡萄，將傳感器節(jié)點放入變溫箱內(nèi)， 密閉艙門， 設置變溫箱在0℃運行24 h，進行葡萄模擬冷鏈環(huán)境的系統(tǒng)測試，傳感器數(shù)據(jù)采樣間隔為10 min。協(xié)調(diào)器通過GPRS模塊將匯集的數(shù)據(jù)信息上傳到遠程監(jiān)控軟件，并由該軟件實時存儲入庫的同時實時顯示數(shù)據(jù)接收情況。傳感器節(jié)點采集的溫濕度及SO2釋放濃度數(shù)據(jù)如圖4所示。

    測試結果表明，傳感器節(jié)點在冷鏈環(huán)境能夠穩(wěn)定、準確監(jiān)測環(huán)境中的溫度、相對濕度、SO2濃度等關鍵參數(shù)的變化過程。鮮食葡萄冷鏈環(huán)境下溫濕度及SO2釋放濃度采集傳輸過程中的數(shù)據(jù)延遲對系統(tǒng)應用的影響并不大，系統(tǒng)能夠實時接收采集的數(shù)據(jù)，并且采集的數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，能夠滿足實際鮮食葡萄冷鏈的應用需求。
    本文以CC2530片上系統(tǒng)為核心設計的面向鮮食葡萄冷鏈物流的無線實時監(jiān)測系統(tǒng)，采用低功耗、低成本的ZigBee協(xié)議棧為軟件開發(fā)，適用于鮮食葡萄冷鏈物流環(huán)境，能夠實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時、可靠傳輸。系統(tǒng)在葡萄冷鏈環(huán)境(0℃恒溫)的測試表明，傳感器節(jié)點在冷鏈環(huán)境能夠穩(wěn)定、準確監(jiān)測環(huán)境中的溫度、相對濕度、SO2濃度等關鍵參數(shù)的變化過程。傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)可信，監(jiān)測系統(tǒng)能夠很好地應用于鮮食葡萄冷鏈物流過程。
    本文設計的無線實時監(jiān)測系統(tǒng)還可以結合GPS衛(wèi)星定位技術，實現(xiàn)鮮食葡萄冷藏車物流過程中的實時定位， 方便進一步掌握鮮食葡萄冷鏈運輸過程中的實時情況。
參考文獻
[1] HANNS M, MUSTONEN. The efficiency of range of sulfur dioxide generating quality of Camleria table grapes[J].Australian Journal of Experimental Agriculture, 1992,32:389-393.
[2] 武建明, 鐘梅, 吳斌,等.新疆鮮食葡萄保鮮過程中SO2殘留行為的研究[J]. 食品科學, 2008,29(3):486-489.
[3] 齊林,韓玉冰,張小栓,等. 基于WSN的水產(chǎn)品冷鏈物流實時監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報,2012,43(8):134-140.
[4] 李浩.基于CC2520的無線二氧化硫傳感器節(jié)點設計[J].儀器儀表用戶, 2009,16(4):103-104,123,129.
[5] 秦丹,石雪暉,胡亞平,等.葡萄采后貯藏保鮮研究進展[J].保鮮與加工,2006,6(1): 9-12.   
[6] 朱丹實,劉賀,李穎暢,等.淺析環(huán)境條件對鮮食葡萄采后貯藏品質的影響[J].食品科學,2011,32(zl):191-194.
[7] 郭斌,錢建平,張?zhí)t,等. 基于ZigBee的果蔬冷鏈配送 環(huán)境信息采集系統(tǒng)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報,2011,27(6):208-
213.