引言

食品安全涉及民生之本，一旦出現問題危害很大叫在食品配送過程中，溫度是影響其品質變化的主要因素，溫度變化會導致食品的冰晶重結晶、凍傷、加速脂肪氧化及新陳代謝等，因此溫度的控制和檢測已成為保證食品在配送過程中質量安全的關鍵所在。近年來，很多學者開展冷鏈物流溫度監(jiān)控研究，來保證運輸產品的質量安全。谷雪蓮、徐倩等總結了國內外利用溫度指示器和溫度-時間指示器在記錄食品溫度及存放時間上的應用，該研究通過物理-化學變化反映溫度與食品存放時間的關系；趙立強、張耀荔、張小栓等”罰利用RFID技術結合溫度傳感器讀取產品溫度數據，實現對溫度監(jiān)控和追溯；楊信廷、郭斌等利用Zigbee技術構建食品冷鏈車輛無線溫度采集網絡，實現對冷鏈車輛箱體溫度的無線采集。以上研究均能實現溫度監(jiān)控，但有些應用（物理-化學變化）無法實現溫度數據存儲，實時性、可追溯性差，有些應用（RFID、Zigbee）系統(tǒng)設計復雜，成本高，短距離無線數據傳輸易受環(huán)境溫濕度、產品擺放形式、箱壁材料、電磁干擾等因素影響，無線溫度采集用模塊往往使用電池供電，功耗與供電不對稱性往往影響其使用壽命。

現階段大多數冷鏈運輸公司主要通過孤立的溫度記錄儀進行獨立的溫度記錄管理［9］,配送車輛箱體長度主要分為12.5m、7.2m、5.2m、小于5m四個規(guī)格，遠小于DS18B20溫度傳感器有效傳輸距離［1°］。綜合以上現狀，本文提出了一種基于DS18B20的食品冷鏈配送溫度采集系統(tǒng)，使用有線溫度采集克服了無線溫度采集硬件功耗、供電、干擾性強等問題,實現食品冷鏈配送途中溫度多點實時采集、傳輸及監(jiān)測。

1系統(tǒng)構成

食品冷鏈配送溫度采集系統(tǒng)結構框圖如圖1所示，系統(tǒng)包括溫度采集模塊、車載GPS/北斗定位終端、管理中心服務器。基本工作流程：溫度傳感器陣列采集箱體環(huán)境溫度，通過RS232傳輸給車載定位終端，定位終端接收車輛位置信息,同溫度信息一同發(fā)送到管理中心服務器，實現對箱體溫度實時監(jiān)測和存儲。

2系統(tǒng)硬件設計

2.1DS18B20數字溫度傳感器

DS18B20數字溫度傳感器是美國Dallas公司推出的單線數字式溫度傳感器，溫度測量范圍是一55?+125在一10?+85。。范圍內精度為±0.5C滿足食品冷鏈配送溫度采集的基本要求。

Sensosl-DS18B20具有唯一的64位ROM序列號，微處理器查詢此序列號可區(qū)分不同的器件。對于多點測溫系統(tǒng)，可采用單端口并聯連接、多端口并行連接兩種方式［14-15］。方式一將所有DS18B20連接在同一個I/O口上，優(yōu)點是大大減少微處理器硬件開銷，缺點是微處理器系統(tǒng)開銷大，測溫巡檢周期長,軟件編程復雜；方式二是每個DS18B20獨占一個I/O口，這種連接方式可實現對所有傳感器并行操作，測溫巡檢周期短,缺點是硬件開銷比前者大，測溫通道擴展性差。針對食品冷鏈配送溫度采集系統(tǒng)的多測點、實時性、可追溯性等要求，本論文設計使用單端口并聯和多端口并行相結合的連接方式。

2.2溫度采集模塊硬件構架

溫度采集模塊主要由微處理器、外圍電路、電源管理單元、溫度傳感器陣列組成，其原理如圖2所示。微處理器選用Freescale公司8位單片機MC9S08QG8；外圍電路包括BDM下載調試電路、外部晶振電路和數字輸入檢測電路等。數字輸入用于車輛ACC開關檢測,控制溫度采集間隔；電源管理芯片使用可調節(jié)3端正電壓穩(wěn)壓器LM317,可承載8?30V直流電源輸入，電路設計輸出3.5V,主要用于微處理器、DS18B20、MAX3232等供電；溫度傳感器陣列設計結合單總線并聯連接與多端口并行連接兩種方式，微處理器PA0?PA3口用于連接4個傳感器通道,每個傳感器通道掛接傳感器路數需相等或相差1路，采用外部電源供電，這種設計可同時轉換4路傳感器，大大減少傳感器巡檢時間，同時微處理器硬件資源被合理利用，減少安裝過程中物理走線復雜程度；溫度采集系統(tǒng)輔以RS232接口電平轉換芯片完成電平轉換，通過RS232接口與車載GPS/北斗定位終端進行交互完成數據轉發(fā)。

3系統(tǒng)軟件功能和流程

3.1溫度信息處理流程

溫度信息處理程序由傳感器初始編號程序和主工作程序兩部分組成，其流程圖如圖3所示。傳感器初始編號程序實現對所有DS18B20的ROM序列號存儲，主工作程序實現配置信息的讀取、修改及存儲，溫度數據采集、處理，數據發(fā)送,ACC檢測等。

傳感器初始編號使用逐一掛接方式，每次在4個通道中各掛接一個傳感器讀取序列號后順序存入Flash中；溫度數據通過車載GPS/北斗定位終端GPRS網絡傳輸到管理中心服務器，受數據流量費用及車載電瓶功耗所限，設計通過服務器指令修改溫度采集上傳間隔等參數，實現服務器與溫度采集微處理器雙向通信。

圖4所示為系統(tǒng)分組溫度采集流程圖，其中DS18B20操作有嚴格的時序。由于微處理器工作任務少，設計利用空指令產生10us延遲，采集開始需關閉部分中斷，轉換結束或轉

換失敗后打開中斷，轉換過程同時操作PA口，讀取數據按位提取后再按位組包，獲取每個傳感器數據，循環(huán)2次，完成8個傳感器讀取。

3.2監(jiān)控軟件功能設計

上位機的食品冷鏈配送溫度采集系統(tǒng)采用BS架構，運行于管理中心服務器中，上位機軟件采用.net開發(fā)，數據庫使用SQLServer2005。

此外，系統(tǒng)的軟件還具有車輛位置及溫度動態(tài)監(jiān)控、存儲管理，報表中心，采集時間設置以及系統(tǒng)相關設置等功能,圖5所示是系統(tǒng)報表中心顯示的溫度曲線圖。

圖5報表中心-溫度曲線圖

3.2.1車輛位置及溫度動態(tài)監(jiān)控

動態(tài)監(jiān)控功能是實現實時監(jiān)控車輛位置及溫度信息，位置及溫度信息間隔固定時間上報，服務器解析后顯示在網頁端，用于管理人員監(jiān)控查詢。

3.2.2存儲管理

存儲管理是實現對位置及溫度信息進行一段時間的存儲，通過查詢車輛歷史軌跡及報表中心溫度曲線圖實現對車輛位置狀態(tài)及溫度狀態(tài)進行追溯。

3.2.3報表中心

可以將存儲的溫度數據以曲線圖的形式顯示，根據車輛編號及時間可以查詢最近7日任何時間段溫度曲線圖。

4試驗與分析

4.1試驗平臺及方法

本實驗針對由慶鈴600P雙排箱式輕卡改裝冷鏈配送車輛設計,貨箱內部尺寸為3245mmX1784mmX1730mm(長X寬X高)。試驗使用對比溫度計為臺灣路昌TM-902C型數字溫度計，其傳感器特性為K型熱電耦合器，分辨率為0.1R根據食品最佳配送溫度一18?18[16]，本試驗設計在箱內

環(huán)境溫度一20?20。。環(huán)境中進行，室溫為26?28莒,濕度范圍是55%?60%。分別進行兩次實驗：

試驗一：溫度采集系統(tǒng)穩(wěn)定特性及數據精度測試。在不同溫度下采集3路傳感器數據，計算數據丟包率，求3組溫度平均值與標定溫度計測量值進行對比。

試驗二：傳感器線長對數據精度的影響測試。根據慶鈴600P雙排箱式輕卡箱體尺寸，設計835mm、735mm、635mm三組傳感器線長，探索在一20?20°C及相對濕度為90%環(huán)境中數據變化規(guī)律。

4.2結果分析

4.2.1溫度采集系統(tǒng)穩(wěn)定特性及數據精度測試

由于兩組數據相似度高，為了在同一折線圖中表示，對測試數據中標定溫度整體加+5C計算，其結果如圖6(a)所示。試驗設定1min采集一條數據，測試采集365條數據，用時365min，數據丟包率為0,數據發(fā)送間隔累計偏差1s；一20?0C溫度范圍內平均溫度與標定溫度最大差值為0.74C；0?20C最大差值為0.79C，-20?20C平均差值為0.31C，356個測點中差值小于0.5C占78.93%。結果表明：在冷鏈配送常用溫度一20?20C下，系統(tǒng)數據精度為±0.31C，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，平均溫度與標定溫度曲線擬合性良好，達到系統(tǒng)設計要求。

4.2.2傳感器線長對數據精度的影響測試

由于3組數據相似度高，為了在同一折線圖中表示，對測試數據中溫度2數據整體加+2C計算，對溫度3數據整體加+4C計算，其結果如圖6(b)所示。線長為835mm、735mm、635mm三組傳感器在一20?20C溫度范圍數據擬合曲線，3路傳感器數據最大差值為+0.67C，平均差值為±0.25C，所有測點中平均差值小于0.5C占96%，3組數據沒有明顯數學關系。結果表明，傳感器線長小于835mm情況下傳感器線長對數據精度影響很小。

5結語

本文以DS18B20為基礎，構建了食品配送溫度采集系統(tǒng)，傳感器設計使用不銹鋼探頭，硬件設備安裝在箱體之外，從而克服了箱體高濕度、溫差大對硬件穩(wěn)定性的影響，而有線采集克服了無線溫度采集系統(tǒng)供電與功耗不對稱、抗干擾能力弱等缺點。

在－20～20℃溫度范圍對系統(tǒng)穩(wěn)定性、數據精度及傳感器線長對精度影響進行的測試結果表明：在－20～20℃溫度范圍內的數據精度為±0.31℃，在線長小于835mm情況下，傳感器線長對溫度數據精度的影響很小，能夠達到設計要求。

本文以食品配送溫度采集為例設計，系統(tǒng)稍作改動也可用于對冷庫及其他工業(yè)領域的監(jiān)控，因而具備實際應用與推廣價值。

20211116_6193bd4b1c8ca__食品冷鏈配送中溫度采集系統(tǒng)的設計與試驗