食品冷链配送中温度采集系统的设计与试验

摘 要：根据食品配送途中对温度的多测点、实时性、可追溯性等要求，选用DS18B20数字温度传感器为温度采集器件，结合车载GPS/北斗定位终端的串口透传功能，设计了一种应用于食品冷链配送途中的有线温度采集系统，从而实现了对配送途中食品温度的多点实时采集、传输及监测，克服了现阶段应用中的温度监控实时性差、抗干扰能力弱、功耗及供电限制严重等缺点。通过在-20～+20 ℃温度范围内对传输稳定性、数据精度及不同传感器线长对数据精度的影响进行的试验结果表明，该系统工作性能稳定，数据精度及传输稳定性均达到了设计要求。

关键词：温度采集；冷链；DS18B20；分组测试

中图分类号：TP274+.2 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2013）12-0009-04

0 引 言

食品安全涉及民生之本，一旦出现问题危害很大[1]。在食品配送过程中，温度是影响其品质变化的主要因素，温度变化会导致食品的冰晶重结晶、冻伤、加速脂肪氧化及新陈代谢等[2-3]，因此温度的控制和检测已成为保证食品在配送过程中质量安全的关键所在。近年来，很多学者开展冷链物流温度监控研究，来保证运输产品的质量安全。谷雪莲、徐倩等[4-5]总结了国内外利用温度指示器和温度-时间指示器在记录食品温度及存放时间上的应用，该研究通过物理-化学变化反映温度与食品存放时间的关系；赵立强、张耀荔、张小栓等[6-8]利用RFID技术结合温度传感器读取产品温度数据，实现对温度监控和追溯；杨信廷、郭斌等[9-10]利用Zigbee技术构建食品冷链车辆无线温度采集网络，实现对冷链车辆箱体温度的无线采集。以上研究均能实现温度监控，但有些应用（物理-化学变化）无法实现温度数据存储，实时性、可追溯性差，有些应用（RFID、Zigbee）系统设计复杂，成本高，短距离无线数据传输易受环境温湿度、产品摆放形式、箱壁材料、电磁干扰等因素影响，无线温度采集用模块往往使用电池供电，功耗与供电不对称性往往影响其使用寿命[6]。

现阶段大多数冷链运输公司主要通过孤立的温度记录仪进行独立的温度记录管理[9]，配送车辆箱体长度主要分为12.5 m、7.2 m、5.2 m、小于5 m四个规格，远小于DS18B20温度传感器有效传输距离[10]。综合以上现状，本文提出了一种基于DS18B20的食品冷链配送温度采集系统，使用有线温度采集克服了无线温度采集硬件功耗、供电、干扰性强等问题，实现食品冷链配送途中温度多点实时采集、传输及监测。

1 系统构成

食品冷链配送温度采集系统结构框图如图1所示，系统包括温度采集模块、车载GPS/北斗定位终端、管理中心服务器。基本工作流程：温度传感器阵列采集箱体环境温度，通过RS232传输给车载定位终端，定位终端接收车辆位置信息，同温度信息一同发送到管理中心服务器，实现对箱体温度实时监测和存储。

2 系统硬件设计

2.1 DS18B20数字温度传感器

DS18B20数字温度传感器是美国Dallas公司推出的单线数字式温度传感器，温度测量范围是-55～+125 ℃，在-10 ～+85 ℃范围内精度为±0.5 ℃，满足食品冷链配送温度采集的基本要求[13-14]。

DS18B20具有唯一的64位ROM序列号，微处理器查询此序列号可区分不同的器件。对于多点测温系统，可采用单端口并联连接、多端口并行连接两种方式[14-15]。方式一将所有DS18B20连接在同一个I/O口上，优点是大大减少微处理器硬件开销，缺点是微处理器系统开销大，测温巡检周期长，软件编程复杂；方式二是每个DS18B20独占一个I/O口，这种连接方式可实现对所有传感器并行操作，测温巡检周期短，缺点是硬件开销比前者大，测温通道扩展性差。针对食品冷链配送温度采集系统的多测点、实时性、可追溯性等要求，本论文设计使用单端口并联和多端口并行相结合的连接方式。

2.2 温度采集模块硬件构架

温度采集模块主要由微处理器、电路、电源管理单元、温度传感器阵列组成，其原理如图2所示。微处理器选用Freescale公司8位单片机MC9S08QG8；电路包括BDM下载调试电路、外部晶振电路和数字输入检测电路等。数字输入用于车辆ACC开关检测，控制温度采集间隔；电源管理芯片使用可调节3端正电压稳压器LM317，可承载8～30 V直流电源输入，电路设计输出3.5 V，主要用于微处理器、DS18B20、MAX3232等供电；温度传感器阵列设计结合单总线并联连接与多端口并行连接两种方式，微处理器PA0～PA3口用于连接4个传感器通道，每个传感器通道挂接传感器路数需相等或相差1路，采用外部电源供电，这种设计可同时转换4路传感器，大大减少传感器巡检时间，同时微处理器硬件资源被合理利用，减少安装过程中物理走线复杂程度；温度采集系统辅以RS232接口电平转换芯片完成电平转换，通过RS232接口与车载GPS/北斗定位终端进行交互完成数据转发。

3 系统软件功能和流程

3.1 温度信息处理流程

温度信息处理程序由传感器初始编号程序和主工作程序两部分组成，其流程图如图3所示。传感器初始编号程序实现对所有DS18B20的ROM序列号存储，主工作程序实现配置信息的读取、修改及存储，温度数据采集、处理，数据发送，ACC检测等。

传感器初始编号使用逐一挂接方式，每次在4个通道中各挂接一个传感器读取序列号后顺序存入Flash中；温度数据通过车载GPS/北斗定位终端GPRS网络传输到管理中心服务器，受数据流量费用及车载电瓶功耗所限，设计通过服务器指令修改温度采集上传间隔等参数，实现服务器与温度采集微处理器双向通信。

图4所示为系统分组温度采集流程图，其中DS18B20操作有严格的时序。由于微处理器工作任务少，设计利用空指令产生10 μs延迟，采集开始需关闭部分中断，转换结束或转换失败后打开中断，转换过程同时操作PA口，读取数据按位提取后再按位组包，获取每个传感器数据，循环2次，完成8个传感器读取。

3.2 监控软件功能设计

上位机的食品冷链配送温度采集系统采用BS架构，运行于管理中心服务器中，上位机软件采用.net开发，数据库使用SQL Server 2005。

此外，系统的软件还具有车辆位置及温度动态监控、存储管理，报表中心，采集时间设置以及系统相关设置等功能，图5所示是系统报表中心显示的温度曲线图。

3.2.1 车辆位置及温度动态监控

动态监控功能是实现实时监控车辆位置及温度信息，位置及温度信息间隔固定时间上报，服务器解析后显示在网页端，用于管理人员监控查询。

3.2.2 存储管理

存储管理是实现对位置及温度信息进行一段时间的存储，通过查询车辆历史轨迹及报表中心温度曲线图实现对车辆位置状态及温度状态进行追溯。

3.2.3 报表中心

可以将存储的温度数据以曲线图的形式显示，根据车辆编号及时间可以查询最近7日任何时间段温度曲线图。

4 试验与分析

4.1 试验平台及方法

本实验针对由庆铃600P双排箱式轻卡改装冷链配送车辆设计，货箱内部尺寸为3 245 mm×1 784 mm×1 730 mm（长×宽×高）。试验使用对比温度计为台湾路昌TM-902C型数字温度计，其传感器特性为K型热电耦合器，分辨率为0.1 ℃。根据食品最佳配送温度-18～18 ℃[16]，本试验设计在箱内环境温度-20～20 ℃环境中进行，室温为26～28 ℃，湿度范围是55%～60%。分别进行两次实验：

试验一：温度采集系统稳定特性及数据精度测试。在不同温度下采集3路传感器数据，计算数据丢包率，求3组温度平均值与标定温度计测量值进行对比。

试验二：传感器线长对数据精度的影响测试。根据庆铃600P双排箱式轻卡箱体尺寸，设计835 mm、735 mm、635 mm三组传感器线长，探索在-20～20 ℃及相对湿度为90%环境中数据变化规律。

4.2 结果分析

4.2.1 温度采集系统稳定特性及数据精度测试

由于两组数据相似度高，为了在同一折线图中表示，对测试数据中标定温度整体加+5℃计算，其结果如图6（a）所示。试验设定1 min采集一条数据，测试采集365条数据，用时365 min，数据丢包率为0，数据发送间隔累计偏差1 s； -20～0 ℃温度范围内平均温度与标定温度最大差值为0.74℃；0～20 ℃最大差值为0.79 ℃，-20～20 ℃平均差值为0.31℃，356个测点中差值小于0.5 ℃占78.93%。结果表明：在冷链配送常用温度-20～20 ℃下，系统数据精度为±0.31 ℃，系统工作稳定，平均温度与标定温度曲线拟合性良好，达到系统设计要求。

4.2.2 传感器线长对数据精度的影响测试

由于3组数据相似度高，为了在同一折线图中表示，对测试数据中温度2数据整体加+2 ℃计算，对温度3数据整体加+4 ℃计算，其结果如图6（b）所示。线长为835 mm、735 mm、635 mm三组传感器在-20～20 ℃温度范围数据拟合曲线，3路传感器数据最大差值为+0.67 ℃，平均差值为±0.25 ℃，所有测点中平均差值小于0.5 ℃占96%，3组数据没有明显数学关系。结果表明，传感器线长小于835 mm情况下传感器线长对数据精度影响很小。

5 结 语

本文以DS18B20为基础，构建了食品配送温度采集系统，传感器设计使用不锈钢探头，硬件设备安装在箱体之外，从而克服了箱体高湿度、温差大对硬件稳定性的影响，而有线采集克服了无线温度采集系统供电与功耗不对称、抗干扰能力弱等缺点。

在-20～20 ℃温度范围对系统稳定性、数据精度及传感器线长对精度影响进行的测试结果表明：在-20～20 ℃温度范围内的数据精度为±0.31 ℃，在线长小于835 mm情况下，传感器线长对温度数据精度的影响很小，能够达到设计要求。

本文以食品配送温度采集为例设计，系统稍作改动也可用于对冷库及其他工业领域的监控，因而具备实际应用与推广价值。

参 考 文 献

[1] 叶勇，张友华，乐毅，等.食品安全追溯研究[J].华中农业大学学报：社会科学版， 2011（2）：130-133.

[2] 赵长青，傅泽田，刘雪，等.食品冷链运输中温度监控与预警系统[J].微计算机信息， 2010，26（6-2）：27-28.

[3] 张东霞，吕恩利，陆华忠，等.基于双监测点的保鲜运输温度控制系统设计[J].华南农业大学学报， 2012，33（4）：570-573.

[4] 徐倩，谢晶.食品安全与低温流通中的温度监控[J].制冷技术， 2007（1）25-28.

[5] 谷雪莲，杜巍，华泽钊，等.预测牛乳货架期的时间-温度指示器的研制[J].农业工程学报， 2005，21（10）：24-26.

[6] 赵立强， 张耀荔，陈红丽，等.基于RFID的冷库实时监控与管理的无线网络化综合系统研究[J].物流技术， 2010， 29（8）：53-55.

[7] 赵立强， 张耀荔，杜志平.基于RFID的化工类产品仓储高效管理与实时安全监控的无线网络化综合系统研究[J].物流技术， 2011，30（6）：155-158.

[8] 汪庭满，张小栓，陈炜，等.基于无线射频识别技术的罗非鱼冷链物流温度监控系统[J].农业工程学报， 2011，27（9）：141-146.

[9] 杨信廷，钱建平，孙传恒，等.蔬菜安全生产管理及质量追溯系统设计与实现[J].农业工程学报， 2008， 24（3）：162-166.

[10]郭斌，钱建平，张太红，等.基于Zigbee的果蔬冷链配送环境信息采集系统[J].农业工程学报， 2011，27（6）：208-213.

[11]史良.基于GPS/RFID的冷链运输车辆监控系统设计与研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2011.

[12]岳云峰，李怀盛，马春光，等.单线数字温度传感器DS18B20数据校验与纠错[J].传感器技术， 2002，21（7）：52-55.

[13]方琨，张娟，蔡振江，等.基于DS18B20数字温度传感器的温室环境采集系统设计及应用[J].安徽农业科学，2010，38（23）：12792-12794.

[14]李会聪.DS18B20多点测温方法探讨[J].微计算机信息，2010，26（9-2）：166-167.

[15]周育才，刘少军，邓奕，等.基于DS18B20分组方式测温系统设计[J].微计算机信息， 2007（1）：161-163.

[16]陶学宗，吴琴.城市冷链食品配送发展现状及对策[J].综合运输，2012（9）：46-51.