冷链物流的变质传感信号追踪器的设计与实现
王身相
摘 要： 当前变质传感信号追踪器采用广播无线电波技术，不能有效对变质信号进行采集，追踪精度不高，整体性能低下。为此，设计与实现了一种新的冷链物流的变质传感信号追踪器，介绍了追踪器的硬件总体结构以及控制芯片和电源电路的设计过程，通过CMOS传感器对光子进行探测，对食物变质情况进行成像处理。为了准确获取所有子节点的环境数据，设计了一套主节点和追踪器之间的数据帧格式，给出追踪器软件的基本流程。实验结果表明该追踪器能够有效地对变质传感信号进行追踪。
关键词： 冷链物流； 变质传感信号； 追踪器； 光子探测
中图分类号： TN02?34； TP216 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）07?0040?03
Design and implementation of metamorphic sensing signal tracker for cold chain logistics
WANG Shenxiang
（Department of Logistics， Guangzhou College of Technology and Business， Guangzhou 510800， China）
Abstract： The broadcast radio wave technology used by the current metamorphic sensing signal tracker can′t acquire the metamorphic signal effectively， and has low tracking accuracy， and poor overall performance. Therefore a new metamorphic sensing signal tracker for the cold chain logistics was designed and implemented. The hardware overall structure of the tracker is introduced. The design process of the control chip and power circuit is presented in detail. The CMOS sensor is adopted to detect the photons to image the food spoilage. In order to acquire the environmental data of all the child nodes accurately， a set data frame format for the master node and tracker was designed. The software design process of the tracker is given. The experimental results show that the tracker can trace the metamorphic sensing signal effectively.
Keywords： cold chain logistics； metamorphic sensing signal； tracker； photon detection
0 引 言
在冷链物流中，运输时食品变质信号主要源于远程食品运输车中安装的变质传感器，通过塑造无线传感器网络获取食品的变质信号，信号源通常为冷链物流中运输食品的温度、湿度、腐败物质图像等信息[1?3]。在运输时对变质传感信号进行追踪，可完成对远程运输食品的有效监控，防止食品变质[4?5]。因此，设计一种有效的冷链物流变质传感信号追踪器具有重要意义，能够保证食品的质量[6]。
本文设计与实现了一种新的冷链物流的变质传感信号追踪器，实验结果表明，所设计追踪器能够有效地对变质传感信号进行追踪。
1 冷链物流的变质传感器信号追踪器设计与实现
1.1 变质传感器信号追踪器硬件设计
1.1.1 变质传感器信号追踪器硬件总体设计
冷链物流的变质传感信号追踪器硬件部分主要由传感器采集节点、控制模块和监控中心三部分组成，其中控制模块是硬件部分的核心。通过传感器采集节点对湿度、温度和食物变质像素信号进行采集，传输至控制芯片中进行追踪处理，将处理结果传输至监控中心。设计的冷链物流的变质传感信号追踪器硬件部分总体结构如图1所示。
1.1.2 控制芯片结构
控制芯片选用一种新型的自动偏置（self?biased）探測单元结构，在该控制芯片结构下，信号的部分输出和输出缓冲器直接相连，把检测的模拟信号直接输出，用于信号指标的测定[7]。信号的其他输出和处理电路相连，依据既定阈值将电信号转换成数字信号，再利用移位寄存器对其进行编码，经4路串行输出。控制芯片的控制信号来自集成在芯片上的逻辑控制器。逻辑控制器的初始化通过PC机编程完成。
控制芯片的结构图如图2所示。
1.1.3 无线传感网络节点硬件组成
无线传感网络主要负责对冷链物流中食品保鲜运输车中的温度信息、湿度信息及食品变质信息进行采集。无线传感网络主要包括一个主节点及若干子节点。子节点上安装了温度传感器、湿度传感器及像素传感器，子节点在接收到主节点的命令后，把采集到的信息传输至主节点[8]。主节点利用串口把从所有子节点接收到的信息传输至控制终端以实现变质传感信号的追踪。
本节将AVR单片机ATMEGA16看作无线传感网络主节点与子节点的微控制器，将DS18B20作为温度传感器，将HIH?4000?003作为湿度传感器。
ATMEGA16微控制器执行速度快，数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，能够降低功耗，其引脚结构如图3所示。
DS18B20属于数字温度传感器，其有很高的稳定性和抗干扰能力，且精度高，其引脚分布如图4所示。
分析图4可知，DS18B20是“一线”总线数字传感器，其在寄生电源模式下运行，DQ引脚不仅是电源线也是数据线，DS18B20利用DQ引脚对内置电容进行充电，再将该电容看作电源，最后利用DQ引脚传输数字温度信息。
H1H?4000?003是由霍尼韦尔（Honeywell）公司生产的湿度传感器，其精度高、能耗低，满足设计要求[9]。
本节通过CMOS传感器对光子进行探测，对食物进行成像处理，结合像素在CMOS传感器中形成的信号特点和信号追踪器读取数据的速度要求，设计了像素检测电路，如图5所示。
图5中，一个电压增益是3～4 V的共源电压放大器被安装于输出节点上，以及时对信号进行放大处理，增强了信号的干扰抑制能力。在处理电路上添加了一个控制信号，负责对食物变质像素信号进行输出。
1.1.4 电源电路设计
电源是整个变质传感信号追踪器正常工作的基础保障，在对电源进行设计的过程中需考虑噪声、电源供电、能耗等因素[10]。变质传感器信号追踪器各部分所需电压不同，本节通过电源转换部分为各模块提供不同电压，安全性和稳定性较高，设计的电源电路如图6所示。
1.2 追踪器软件设计
冷链物流的变质传感信号追踪器就是将无线传感器主节点传输的信息进行追踪处理，无线传感网络中有很多子节点，为了准确获取所有子节点的环境数据，本节设计了一套主节点和追踪器之间的数据帧格式，如图7所示。
数据帧通过定长帧手段对各块数据进行分离。其中帧头1字节是0x24，节点编号占1 B，温度、湿度和像素数据各占2 B，帧尾1字节是0x2A，則子节点数量最多为266个。其中高位保存的是小数点前的数值，低位保存的是小数点之后的数值。
在软件运行时，为了保证冷链物流变质信号追踪的实时性，每隔很短的时间就要重新运行一次，设计的追踪器软件基本流程如图8所示。软件设计主要是为了将串口接收到的传感器信号读出，并对其进行追踪和存储处理。
2 实验结果分析
为了验证本文设计系统对冷链物流变质传感信号的追踪性能，将ARM追踪器和RFID追踪器作为对比进行实验。实验选用PC机为Windows 7.0系统，传感器设定方位角度在0～90°内变化。令运输车辆温度保持在7 ℃左右，信噪比设置为70 dB，分别采用本文追踪器、ARM追踪器和RFID追踪器对冷链物流中所有食品的变质传感信号进行追踪，针对某一变质信号，三种方法追踪结果与实际信号变化情况如图9所示。
分析图9可以看出，采用本文追踪器得到的结果和实际变质传感信号的变化情况最为接近，而ARM追踪器和RFID追踪器对变质传感信号的追踪曲线与实际变化情况存在很大差异，追踪效果不佳，追踪能力低下。
图9 三种方法追踪结果和实际结果比较
3 结 论
本文设计与实现了一种新的冷链物流的变质传感信号追踪器，介绍了追踪器的硬件总体结构，设计了一套主节点和追踪器之间的数据帧格式，给出追踪器软件的基本流程。实验结果表明，所设计追踪器能够有效地对变质传感信号进行追踪。
参考文献
[1] 罗珩，陆伟奇，于梅，等.WSN技术在冷链物流动态监控系统中的应用[J].物联网技术，2016，6（10）：18?22.
[2] 李竹林，姚馨雨，罗鹏，等.基于冷链物流的气调库信息管理系统的设计与实现[J].电子设计工程，2016，24（9）：8?11.
[3] 王想，肖新清，朱志强，等.鲜食葡萄冷链物流气体传感器响应特征试验研究[J].农业机械学报，2016，47（1）：240?246.
[4] 王进，周鹏飞，邱晓荣.医药疫苗冷链物流监控系统的设计与实现[J].科技资讯，2016，14（5）：5?6.
[5] 侯国强，李博文，高洪民，等.基于RFID的冷链物流安全监测系统的设计与实现[J].工业控制计算机，2016，29（8）：93?94.
[6] 熊浩宇，高雪清.FBG传感信号处理及采集系统的设计与实现[J].电子技术，2005，33（2）：37?40.
[7] 吴朝华，黄月芳，赵砚博.基于PXI总线的高精度LVDT/RVDT标准信号源的设计与实现[J].计算机测量与控制，2013，21（8）：2317?2320.
[8] 姜林言，朱革，吴武峰，等.基于交变光强的新型时栅传感器行波信号设计[J].传感器与微系统，2016，35（3）：83?84.
[9] 程建新，赵涛，王志刚.基于CDC与ARM的微位移电容传感信号处理电路设计[J].传感器与微系统，2013，32（1）：105?107.
[10] 陈萍，董天临.电场传感信号光纤智能测试系统设计[J].舰船电子工程，2004，24（z1）：173?175.
摘 要： 当前变质传感信号追踪器采用广播无线电波技术，不能有效对变质信号进行采集，追踪精度不高，整体性能低下。为此，设计与实现了一种新的冷链物流的变质传感信号追踪器，介绍了追踪器的硬件总体结构以及控制芯片和电源电路的设计过程，通过CMOS传感器对光子进行探测，对食物变质情况进行成像处理。为了准确获取所有子节点的环境数据，设计了一套主节点和追踪器之间的数据帧格式，给出追踪器软件的基本流程。实验结果表明该追踪器能够有效地对变质传感信号进行追踪。
关键词： 冷链物流； 变质传感信号； 追踪器； 光子探测
中图分类号： TN02?34； TP216 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）07?0040?03
Design and implementation of metamorphic sensing signal tracker for cold chain logistics
WANG Shenxiang
（Department of Logistics， Guangzhou College of Technology and Business， Guangzhou 510800， China）
Abstract： The broadcast radio wave technology used by the current metamorphic sensing signal tracker can′t acquire the metamorphic signal effectively， and has low tracking accuracy， and poor overall performance. Therefore a new metamorphic sensing signal tracker for the cold chain logistics was designed and implemented. The hardware overall structure of the tracker is introduced. The design process of the control chip and power circuit is presented in detail. The CMOS sensor is adopted to detect the photons to image the food spoilage. In order to acquire the environmental data of all the child nodes accurately， a set data frame format for the master node and tracker was designed. The software design process of the tracker is given. The experimental results show that the tracker can trace the metamorphic sensing signal effectively.
Keywords： cold chain logistics； metamorphic sensing signal； tracker； photon detection
0 引 言
在冷链物流中，运输时食品变质信号主要源于远程食品运输车中安装的变质传感器，通过塑造无线传感器网络获取食品的变质信号，信号源通常为冷链物流中运输食品的温度、湿度、腐败物质图像等信息[1?3]。在运输时对变质传感信号进行追踪，可完成对远程运输食品的有效监控，防止食品变质[4?5]。因此，设计一种有效的冷链物流变质传感信号追踪器具有重要意义，能够保证食品的质量[6]。
本文设计与实现了一种新的冷链物流的变质传感信号追踪器，实验结果表明，所设计追踪器能够有效地对变质传感信号进行追踪。
1 冷链物流的变质传感器信号追踪器设计与实现
1.1 变质传感器信号追踪器硬件设计
1.1.1 变质传感器信号追踪器硬件总体设计
冷链物流的变质传感信号追踪器硬件部分主要由传感器采集节点、控制模块和监控中心三部分组成，其中控制模块是硬件部分的核心。通过传感器采集节点对湿度、温度和食物变质像素信号进行采集，传输至控制芯片中进行追踪处理，将处理结果传输至监控中心。设计的冷链物流的变质传感信号追踪器硬件部分总体结构如图1所示。
1.1.2 控制芯片结构
控制芯片选用一种新型的自动偏置（self?biased）探測单元结构，在该控制芯片结构下，信号的部分输出和输出缓冲器直接相连，把检测的模拟信号直接输出，用于信号指标的测定[7]。信号的其他输出和处理电路相连，依据既定阈值将电信号转换成数字信号，再利用移位寄存器对其进行编码，经4路串行输出。控制芯片的控制信号来自集成在芯片上的逻辑控制器。逻辑控制器的初始化通过PC机编程完成。
控制芯片的结构图如图2所示。
1.1.3 无线传感网络节点硬件组成
无线传感网络主要负责对冷链物流中食品保鲜运输车中的温度信息、湿度信息及食品变质信息进行采集。无线传感网络主要包括一个主节点及若干子节点。子节点上安装了温度传感器、湿度传感器及像素传感器，子节点在接收到主节点的命令后，把采集到的信息传输至主节点[8]。主节点利用串口把从所有子节点接收到的信息传输至控制终端以实现变质传感信号的追踪。
本节将AVR单片机ATMEGA16看作无线传感网络主节点与子节点的微控制器，将DS18B20作为温度传感器，将HIH?4000?003作为湿度传感器。
ATMEGA16微控制器执行速度快，数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，能够降低功耗，其引脚结构如图3所示。
DS18B20属于数字温度传感器，其有很高的稳定性和抗干扰能力，且精度高，其引脚分布如图4所示。
分析图4可知，DS18B20是“一线”总线数字传感器，其在寄生电源模式下运行，DQ引脚不仅是电源线也是数据线，DS18B20利用DQ引脚对内置电容进行充电，再将该电容看作电源，最后利用DQ引脚传输数字温度信息。
H1H?4000?003是由霍尼韦尔（Honeywell）公司生产的湿度传感器，其精度高、能耗低，满足设计要求[9]。
本节通过CMOS传感器对光子进行探测，对食物进行成像处理，结合像素在CMOS传感器中形成的信号特点和信号追踪器读取数据的速度要求，设计了像素检测电路，如图5所示。
图5中，一个电压增益是3～4 V的共源电压放大器被安装于输出节点上，以及时对信号进行放大处理，增强了信号的干扰抑制能力。在处理电路上添加了一个控制信号，负责对食物变质像素信号进行输出。
1.1.4 电源电路设计
电源是整个变质传感信号追踪器正常工作的基础保障，在对电源进行设计的过程中需考虑噪声、电源供电、能耗等因素[10]。变质传感器信号追踪器各部分所需电压不同，本节通过电源转换部分为各模块提供不同电压，安全性和稳定性较高，设计的电源电路如图6所示。
1.2 追踪器软件设计
冷链物流的变质传感信号追踪器就是将无线传感器主节点传输的信息进行追踪处理，无线传感网络中有很多子节点，为了准确获取所有子节点的环境数据，本节设计了一套主节点和追踪器之间的数据帧格式，如图7所示。
数据帧通过定长帧手段对各块数据进行分离。其中帧头1字节是0x24，节点编号占1 B，温度、湿度和像素数据各占2 B，帧尾1字节是0x2A，則子节点数量最多为266个。其中高位保存的是小数点前的数值，低位保存的是小数点之后的数值。
在软件运行时，为了保证冷链物流变质信号追踪的实时性，每隔很短的时间就要重新运行一次，设计的追踪器软件基本流程如图8所示。软件设计主要是为了将串口接收到的传感器信号读出，并对其进行追踪和存储处理。
2 实验结果分析
为了验证本文设计系统对冷链物流变质传感信号的追踪性能，将ARM追踪器和RFID追踪器作为对比进行实验。实验选用PC机为Windows 7.0系统，传感器设定方位角度在0～90°内变化。令运输车辆温度保持在7 ℃左右，信噪比设置为70 dB，分别采用本文追踪器、ARM追踪器和RFID追踪器对冷链物流中所有食品的变质传感信号进行追踪，针对某一变质信号，三种方法追踪结果与实际信号变化情况如图9所示。
分析图9可以看出，采用本文追踪器得到的结果和实际变质传感信号的变化情况最为接近，而ARM追踪器和RFID追踪器对变质传感信号的追踪曲线与实际变化情况存在很大差异，追踪效果不佳，追踪能力低下。
图9 三种方法追踪结果和实际结果比较
3 结 论
本文设计与实现了一种新的冷链物流的变质传感信号追踪器，介绍了追踪器的硬件总体结构，设计了一套主节点和追踪器之间的数据帧格式，给出追踪器软件的基本流程。实验结果表明，所设计追踪器能够有效地对变质传感信号进行追踪。
参考文献
[1] 罗珩，陆伟奇，于梅，等.WSN技术在冷链物流动态监控系统中的应用[J].物联网技术，2016，6（10）：18?22.
[2] 李竹林，姚馨雨，罗鹏，等.基于冷链物流的气调库信息管理系统的设计与实现[J].电子设计工程，2016，24（9）：8?11.
[3] 王想，肖新清，朱志强，等.鲜食葡萄冷链物流气体传感器响应特征试验研究[J].农业机械学报，2016，47（1）：240?246.
[4] 王进，周鹏飞，邱晓荣.医药疫苗冷链物流监控系统的设计与实现[J].科技资讯，2016，14（5）：5?6.
[5] 侯国强，李博文，高洪民，等.基于RFID的冷链物流安全监测系统的设计与实现[J].工业控制计算机，2016，29（8）：93?94.
[6] 熊浩宇，高雪清.FBG传感信号处理及采集系统的设计与实现[J].电子技术，2005，33（2）：37?40.
[7] 吴朝华，黄月芳，赵砚博.基于PXI总线的高精度LVDT/RVDT标准信号源的设计与实现[J].计算机测量与控制，2013，21（8）：2317?2320.
[8] 姜林言，朱革，吴武峰，等.基于交变光强的新型时栅传感器行波信号设计[J].传感器与微系统，2016，35（3）：83?84.
[9] 程建新，赵涛，王志刚.基于CDC与ARM的微位移电容传感信号处理电路设计[J].传感器与微系统，2013，32（1）：105?107.
[10] 陈萍，董天临.电场传感信号光纤智能测试系统设计[J].舰船电子工程，2004，24（z1）：173?175.
