救灾食品在运输途中的远程监控系统设计

　　1引言

　　救灾食品运输的及时性与安全性关系到灾区人员的生命安全,比一般产品对于运输的要求要高、更专业,据统计,在运输救灾食品过程中,果蔬、肉类、水产品的腐损率分别为30%、12%、15%,为了减少救灾食品在运输环节的损失,就要建立针对性的运输服务网络,从产品出厂到超市销售都要全程跟踪.

　　救灾食品在长途运输中是最容易发生食物变质的环节,通常运输集装箱是全封闭的,在个别救灾食品发生变质时往往不能及时发现并报警,这样就会导致更多的产品连锁变质,造成巨大损失.

　　针对这种情况,需要建立智能化、信息化更强的救灾食品运输监控网络,通过人工嗅觉传感器在车厢多个位置进行检测,当有一部分产品发生变质时,系统自动发出报警,并通过无线通信网络将变质信息通知运输控制中心,然后,运输控制中心在分析变质情况后再通过无线通信网络指导司机进行处理,并自动开启空气调节装置调整集装箱内冷藏温度,从而将损失减小到最低.

　　2食物变质监测系统的设计与实现、
　　
　　2.1系统结构设计

　　系统的总体结构设计如图1所示,系统由人工嗅觉探测模块、A/D转换模块、MCU单片机、无线通信模块、运输控制中心模块、空气调节制冷模块、显示模块、声光报警模块、电源模块、运输集装箱模块组成.

　　在运输集装箱内部各个关键位置安装气敏传感器,对救灾食品进行监测,一旦有食物变质时,相应位置的传感器内部敏感电阻会发生变化产生电势差,采集电压经过放大后送入A/D转换芯片,MCU程序将A/D转换值与数表中的标准进行对比,从而确定救灾食品是否变质以及变质的程度等,MCU程序将救灾食品信息根据通信协议进行编码并通过无线通信模块传送给运输控制中心,控制中心将数据进行分析后,根据预案采取相应措施,并通过无线通信模块发送警告信息,通知MCU程序启动空气调节装置以及对车厢内温度进行智能调节,同时触发声光报警装置通知司机进行处理,同时在数码管上显示发生食物变质的位置编号区域,从而有针对性的对变质救灾食品进行分离,减少损失.

　　

　　2.2人工嗅觉变质监控原理介绍

　　鱼、肉、蔬菜等产品经过细菌长时间的作用,就会发生食物变质,在腐败变质的过程中,细菌将食物中的脂肪、蛋白质、糖类等分解后,会产生低分子化合物,其中含有的氮、硫、三甲胺等元素会产生臭味,救灾食品变质后臭味中的主要成分见表1.

　

　　人工嗅觉技术可以模拟人类真实的嗅觉系统对变质救灾食品进行智能识别.

　　人类的嗅觉过程是一个复杂的理化过程,鼻腔能把温度和湿度调节到理想状态来保证获得灵敏的响应,人工嗅觉系统用溅射法形成薄膜热电偶,可将传感器温度精确调节,模拟出生物嗅觉系统.

　　人工嗅觉系统由气敏传感器阵列和数据处理构成,敏传感器阵列相当于人的嗅感觉细胞,数据处理部分相当于人的大脑,其硬件结构如图2所示.

　

　　目前比较常用的气敏传感器是利用体电阻效应的金属氧化物原理构成的,主要是利用粉末冶金方法,并在SnO2粉末中参杂Pt和Pd等以提高对于气体探测的灵敏度和选择性.

　　传感器采用真空磁控溅射成膜技术,用平面集成工艺制作集成化的SnO2基纳米薄膜,并利用纳米尺度薄膜电性能与常规体电导效应的差异,将传感器工作温度降到多数可燃气体着火点以下.

　　其SnO2传感器结构如图3所示.

　　

　　气体灵敏度定义如下:

　　还原性气体S=(Ra-Rg)/Rg=ΔR/Rg(1)氧化性气体S=(Rg-Ra)/Ra=ΔR/Ra(2)式中,Rg和Ra分别为工作温度下在被测气氛和空气中的电阻值.

　　信号采集电路的传感器阵列采用分压式取样电路、加热元件输出电路、单端16路模拟量采集卡组成,采集卡上带2路模拟量输出,控制加热电压和吸气泵.阵列规模为16只传感器.

　　3系统关键硬件模块结构设计

　　3.1人工嗅觉探测模块的硬件设计

　　人工嗅觉探测模块对对救灾食品变质程度进行监测.

　　设计的人工嗅觉传感放大电路如图4所示,电阻RW和电阻R2、R3组成平衡电桥检测电路,电压信号分别从电阻RW和探头的中点取出,被取出的电压信号被加到运放LM358的2(-)脚反相输入端和3(+)脚同相输入端;此时被取出的电压信号应相等.

　　当探头检测到救灾食品变质发出的臭味气体时,传感器中的感应电阻值会发生变化,电桥平衡被打破,感应电阻两端产生电势差,运放LM358的同相端电压V3+高于反相端电压V2-,经过放大后由AD-IN送入数模转换芯片TLC1543的输入端A0,其放大输出电压计算式为Vo=-400V2-/1+(1+400/1)[100/(1+100)]V3+≈400(V3+-V2-)(3)
　　

　　放大后的采集电压为救灾食品模拟信号,转化为数字值后MCU才能识别,因此,选用10位A/D转换芯片TLC1543进行处理,其模拟输入电压为0~+5V对应数字值0~1024.

　　其中引脚A0为采集的模拟信号AD-IN的输入端,REF+和REF-为基准电压正负端,CS(15脚)为片选端,在CS端的一个下降沿变化将复位内部计数器并控制和使能ADDRESS、I/OCLOCK(18脚)和DATAOUT(16脚)分别接入单片机的P1.4~P1.7口.ADDRESS(17脚)为串行数据输入端,是一个4位的串行地址用来选择下一个即将被转换的模拟输入或测试电压.DATAOUT为A/D转换结束3态串行输出端,它与微处理器或外围的串行口通信,可对数据长度和格式灵活编程.I/OCLOCK为数据输入/输出提供同步时钟,系统时钟由片内产生.A/D转换电路的硬件设计如图5所示.

　　

　　3.2MCU单片机模块的硬件设计

　　MCU单片机模块用于对救灾食品是否变质进行控制、转发无线电信号、对运输集装箱内的温度进行控制等.

　　对MCU采用Atmel公司的51系列单片机AT89C58,其晶振输0.592MHz[1-2].P0.0~P0.3为键盘输入.RP1、RP2为I/O口的上拉电阻排;P0.0~P0.7为数码管的选段口,P2.3~P2.5为数码管阳极;为了防止救灾食品变质监测程序出现死机现象,设计了基于看门狗芯片MAX813L的复位电路,在程序进入死循环后MAX813L产生复位信号送入单片机REST引脚,引导单片机程序重新进入正常运行.P2.6控制发光二极管的闪烁状态,P2.7则控制蜂鸣器,通过程序输出的脉冲波形来控制蜂鸣器的鸣叫方式与时间长短.

　　整个电路的电源由J1端的交流电输入提供,输入的交流电压通过桥式全波整流、滤波,以及稳压芯片7805后,转换为+5V直流电源,供电路使用.串口引脚TXD、RXD与无线通信模块连接,实现了数据的收发;P1.4~P1.7则与TLC1543的串行数据接口连接,MCU外围电路的硬件设计如图6所示.

　

　　3.3无线通信模块的硬件设计

　　无线通信模块主要用于对MCU控制模块和控制中心之间的救灾食品变质数据进行传递.无线通信部分设计时采用HUAWEICM无线模块,完成全部无线接收、发射、基带信号处理和音频信号处理的功能[3],其串口与单片机的串口引脚TXD(运输脚)和RXD(10脚)连接,其无线通信模块的硬件设计如图7所示.
　　
　　4软件设计

　　4.1监控系统软件设计

　　救灾食品实时监控系统软件设计如图8所示,在采集到传感器电压变化时,程序读取A/D值,经过与设定值的比较后,判断救灾食品车厢内产品是否发生变质,如果救灾食品变质程度大于报警状态,则启动救灾食品变质声光报警装置,并通过串口向无线通信模块发送救灾食品信息值,无线通信模块将信息发送给运输控制中心,救灾食品运输控制中心对数据进行分析后,再通过无线通信模块指挥系统进行应急处理.

　　
 

　　4.2通信协议软件设计

　　救灾食品实时监控系统通讯端口的工作模式是:N-8-1格式,即1位起始位,8位数据位,1位停止位,无校验;通讯波特率支持从1200到运输5200bps[4-5].

　　其指令结构如下:

　

　　(1)起始码:0x02,每个指令发送的开始.

　　(2)指令码:不同的指令码代表不同的物质,0x01(二甲胺)、0x02(甲胺)、0x04(硫化氢)、0x08(氨)、0x10(甲硫醇)、0x20(二苯硫醇)、0x40(二乙基硫化物).

　　(3)数据:表示上述物质的含量,比如3mg/m3为0x03.

　　(4)结束码:0x0D,命令结束.

　　5实验与分析

　　通过系统实验对救灾食品实时监控系统的性能进行测试,实验装置如图9所示,在特制容器内设置多个嗅觉传感器,传感器的阻值会随气体中含有的不同成分而发生变化,在气体入口放入一些变质的救灾食品,将无线通信模块连接PC,通过仿真软件对被测气味的特征进行采集分析.

　　

　　对无线通信模块获取的传感器响应数据进行处理,得出嗅觉传感器阵列对变质救灾食品的响应曲线如图10所示.

　　

　　通过MATLAB软件进行仿真实验,对救灾食品容器空间内气体所含成分进行分析,仿真结果如图11所示,分别检测出五种救灾食品变质气体,分别用五种符号表示,其中二甲胺5%、甲胺2%、氨1.5%、三甲胺1%、醛类0.5%.

　　通过对响应曲线与仿真结果的分析,救灾食品变质的产品为海鲜类鱼肉,且为中度变质,系统可主动发送报警指令,蜂鸣器发出报警音,报警灯闪烁,由此证明,整个救灾食品变质实时监测系统运行正常稳定,且能正确分析出变质臭味中的所含成分,达到了设计目标.

　

　　6结束语

　　为了减少救灾食品在运输途中的腐损率,引入了人工嗅觉探测、无线通信等技术构建远程的监控网络,设计并实现了救灾食品运输变质实时监控系统.为救灾食品的运输带来了新的解决方案,其实用价值是非常大的,且硬件成本较低,实时性强,在救灾食品运输领域将会有很广阔的应用前景.

　　参考文献:
　　[1]杨宁,胡学军;单片机与控制技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.
　　[2]张茹,孙松林,于晓刚;嵌入式系统技术基础[M].北京:北京邮电大学出版社,2006.
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　　[4]李光飞,李良儿;单片机C程序设计实例指导[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.
　　[5]胡悦,王伟民.物联网无线传感器能耗优化SIFT算法的研究[J].科技通报,2013,9(29):98-101.