基于嵌入式技術(shù)的茶葉智能保鮮裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳 琦,賴(lài)冬寅

(四川工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川都江堰 611830)

我國(guó)茶葉物流配送普遍存在成本較高、效率不足、運(yùn)輸損耗較大等問(wèn)題[1],特別是缺乏有效的信息化智能保鮮裝置,從而導(dǎo)致茶葉銷(xiāo)售末端品質(zhì)有所下降。目前嵌入式技術(shù)發(fā)展迅猛,如果我們能在嵌入式技術(shù)的應(yīng)用下設(shè)計(jì)一套能實(shí)時(shí)監(jiān)控茶葉保鮮信息的智能裝置,就有助于減少茶葉銷(xiāo)售末端品質(zhì)下降的數(shù)量,有效延長(zhǎng)茶葉品質(zhì)的保持時(shí)間。

1 茶葉保鮮技術(shù)的特點(diǎn)

茶作為一種綠色植物飲品,在某種程度上和綠色蔬菜一樣具有不易存貯、變質(zhì)迅速的特點(diǎn),而影響茶葉品質(zhì)與保鮮的因素主要是自然環(huán)境中的溫度、濕度與光照[2]。茶葉在高溫情況下會(huì)加速氧化,從而導(dǎo)致茶葉在色、香、味、形的發(fā)生較大變化,嚴(yán)重影響茶葉的品質(zhì),因此茶葉對(duì)貯藏環(huán)境的溫度有特定需求,一般在0～10°C范圍內(nèi)為宜。由于茶葉吸濕性強(qiáng),當(dāng)茶葉有效貯藏的含水量大于10%后,茶葉的品質(zhì)將會(huì)下降[3],因此需要保證貯藏環(huán)境的濕度長(zhǎng)期控制在10%以?xún)?nèi)。而光照會(huì)促進(jìn)茶葉的多酚類(lèi)等多種物質(zhì)的降解,加速茶葉的陳化速度,因此貯藏環(huán)境避光處理的情況將會(huì)影響茶葉保鮮的時(shí)間。

2 茶葉智能保鮮裝置的硬件設(shè)計(jì)

2.1 整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合茶葉保鮮技術(shù)的特點(diǎn)和保鮮裝置在運(yùn)輸和貯藏過(guò)程的應(yīng)用,茶葉智能保鮮裝置的設(shè)計(jì)不僅需要滿足嚴(yán)格的控溫、控濕、避光,而且還需要具備能根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的功能、具備茶葉實(shí)時(shí)保鮮信息的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能,并且還要保證裝置既能在普通家用貯藏條件下正常工作,又能在車(chē)載運(yùn)輸環(huán)節(jié)中正常工作。因此,茶葉智能保鮮裝置的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)上主要由核心處理系統(tǒng)、供電電路、溫度檢測(cè)及控制電路、濕度檢測(cè)及報(bào)警電路、環(huán)境條件的檢測(cè)電路、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控電路和外觀設(shè)計(jì)共7個(gè)部分組成。

2.2 核心處理器的選擇

根據(jù)茶葉智能保鮮裝置的設(shè)計(jì)目標(biāo),綜合成本和處理器芯片的性能,茶葉智能保鮮裝置的核心處理器選擇意法半導(dǎo)體公司的高性能嵌入式芯片STM32F767IGT6,該芯片內(nèi)核為32位的ARM Cortex-M7,最高處理速度可達(dá)216MHz,有1MB的閃存空間,帶USB2.0、CAN、SPI等多種通信接口,帶3個(gè)24通道12位分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊,轉(zhuǎn)換速度最高可達(dá)2.4MSPS,僅需要1個(gè)芯片就能完全支撐茶葉智能保鮮裝置的數(shù)據(jù)處理工作。

2.3 供電電源的設(shè)計(jì)

根據(jù)茶葉智能保鮮裝置在運(yùn)輸和貯藏過(guò)程的需求特點(diǎn),家用貯藏一般采用交流220V供電,而承載茶葉運(yùn)輸?shù)能?chē)輛電源主要有直流12V和直流24V兩大類(lèi),因此保鮮裝置的供電一共設(shè)計(jì)了2大輸入接口,1個(gè)接口用于連接普通家用220V交流電源,另一個(gè)接口用于連接運(yùn)輸車(chē)輛的12V～24V寬范圍直流電源。供電電路實(shí)現(xiàn)將輸入的電源轉(zhuǎn)換為3組供電電路輸出,分別是：為溫度和濕度控制電路供電的直流12V輸出,為檢測(cè)電路供電的直流5V輸出,為核心處理系統(tǒng)供電的直流1.7V至3.6V可調(diào)電壓的電路輸出。

2.4 溫度檢測(cè)及控制電路的設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)茶葉貯藏溫度的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié),保鮮裝置分別采用了2組溫度檢測(cè)電路,分別對(duì)環(huán)境溫度和裝置內(nèi)部溫度進(jìn)行檢測(cè)。其中,溫度傳感器采用數(shù)字式的DS18B20,檢測(cè)精度可達(dá)到0.125℃,常規(guī)檢測(cè)范圍-10℃～85℃,能滿足茶葉貯藏溫度的檢測(cè)需求。

茶葉貯藏溫度的控制方式主要采用半導(dǎo)體制冷方式+內(nèi)風(fēng)機(jī)循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行,其中,半導(dǎo)體制冷片通過(guò)改變導(dǎo)通電流的大小,可實(shí)現(xiàn)溫度的無(wú)極調(diào)節(jié)；內(nèi)風(fēng)機(jī)的加入可實(shí)現(xiàn)裝置內(nèi)部溫度的均衡化。為達(dá)到裝置長(zhǎng)期持續(xù)保溫節(jié)能的效果,裝置內(nèi)壁和外壁之間還需要加入保溫隔熱材料,形成保溫層,以便保證茶葉的貯藏溫度長(zhǎng)期控制在0～10℃。

2.5 濕度檢測(cè)及報(bào)警電路的設(shè)計(jì)

由于茶葉貯藏濕度要求在10%以?xún)?nèi),因此濕度檢測(cè)采用SENSIRION公司的數(shù)字濕度傳感器SHT31-DIS-B,該濕度傳感器檢測(cè)范圍為0%至100%,檢測(cè)精度為±2%,能滿足茶葉貯藏濕度的檢測(cè)要求。

茶葉智能保鮮裝置的濕度處理主要采用干燥劑進(jìn)行,隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng),干燥劑將會(huì)逐步失效,因此設(shè)計(jì)濕度報(bào)警電路,當(dāng)濕度檢測(cè)電路檢測(cè)到保鮮裝置內(nèi)部濕度達(dá)到茶葉貯藏濕度的設(shè)定臨界值時(shí),將會(huì)啟動(dòng)報(bào)警電路提示更換干燥劑。

2.6 遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控電路的設(shè)計(jì)

根據(jù)茶葉智能保鮮裝置的使用場(chǎng)景,茶葉在運(yùn)輸和長(zhǎng)期貯藏過(guò)程中需要實(shí)時(shí)監(jiān)控貯藏情況,因此需要設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控電路。遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控電路主要采用GPS和GPRS兩大模塊實(shí)現(xiàn)。其中,茶葉實(shí)時(shí)監(jiān)控過(guò)程的主要涉及溫濕度、透光情況、工作狀態(tài)等信息,由于數(shù)據(jù)信息量有限,因此GPRS模塊采用2.5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的SIM800A模塊,就可實(shí)現(xiàn)茶葉貯藏信息的無(wú)線上傳；而GPS模塊采用瑞士U-BLOX公司的車(chē)載GPS模塊NEO-7N,該模塊為串口信號(hào)輸出,主要用于茶葉智能保鮮裝置在隨車(chē)運(yùn)輸過(guò)程中的精確定位。

3 茶葉智能保鮮裝置的軟件設(shè)計(jì)

茶葉智能保鮮裝置的軟件設(shè)計(jì),分為下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。下位機(jī)主要涉及裝置的溫度動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)、濕度檢測(cè)及報(bào)警、無(wú)線遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、電源智能化管理、HMI人機(jī)交互等設(shè)計(jì)內(nèi)容,上位機(jī)主要涉及網(wǎng)絡(luò)通信接口程序、后臺(tái)監(jiān)控軟件、裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)、遠(yuǎn)程網(wǎng)站監(jiān)控平臺(tái)的設(shè)計(jì)。

3.1 下位機(jī)溫度動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)程序設(shè)計(jì)

鑒于茶葉智能保鮮裝置在運(yùn)輸環(huán)節(jié)中也可使用,需要進(jìn)行節(jié)能化的設(shè)計(jì),因此下位機(jī)主要工作之一就是實(shí)現(xiàn)溫度動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。通過(guò)檢測(cè)裝置內(nèi)外的溫度,分析對(duì)比,設(shè)定溫度調(diào)節(jié)的滯回范圍,并根據(jù)外部環(huán)境溫度、內(nèi)部貯藏溫度、裝置尺寸,實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)半導(dǎo)體制冷片的導(dǎo)通時(shí)間和導(dǎo)通電流大小,分段控制內(nèi)部風(fēng)循環(huán)電機(jī)的工作時(shí)間和工作狀態(tài),以此實(shí)現(xiàn)茶葉貯藏環(huán)境溫度動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的最佳節(jié)能效果。

3.2 下位機(jī)無(wú)線遠(yuǎn)程通信程序設(shè)計(jì)

茶葉智能保鮮裝置不是單個(gè)獨(dú)立存在的,管理者需要同時(shí)監(jiān)控成百上千個(gè)裝置的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài),因此在裝置無(wú)線遠(yuǎn)程通信的程序設(shè)計(jì)上,主要是無(wú)線通信協(xié)議的設(shè)計(jì),包括了裝置ID的設(shè)定,溫度、濕度、光照度、半導(dǎo)體制冷片工作電流、風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)等信息的數(shù)據(jù)形式,裝置所在位置,數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、命令字、校驗(yàn)碼等多項(xiàng)內(nèi)容,其中不同裝置的識(shí)別主要根據(jù)裝置ID號(hào),而校驗(yàn)方式則采用CRC校驗(yàn)。

3.3 上位機(jī)監(jiān)控接口軟件及數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)控接口軟件采用PHP語(yǔ)言編程,主要實(shí)現(xiàn)分時(shí)提取每個(gè)裝置上傳的各組信息并對(duì)信息進(jìn)行分類(lèi)存儲(chǔ)處理,工作主要流程包括了：初始化通信接口、配置通信參數(shù)、實(shí)時(shí)查詢(xún)接收通信數(shù)據(jù)包、按照通信協(xié)議判斷數(shù)據(jù)包的正確性和完整性、如果數(shù)據(jù)包正確就進(jìn)一步按照通信協(xié)議提取裝置相關(guān)等信息,并分類(lèi)存儲(chǔ)入數(shù)據(jù)庫(kù)。

數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL Server 2008進(jìn)行開(kāi)發(fā),主要由客戶信息數(shù)據(jù)表、茶葉溯源數(shù)據(jù)表、裝置運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)表、銷(xiāo)售及運(yùn)輸進(jìn)程采集數(shù)據(jù)表等4類(lèi)主要數(shù)據(jù)表格組成,用于保存和更新茶葉客戶信息、茶葉溯源信息、裝置的運(yùn)行和控制狀態(tài)信息以及茶葉銷(xiāo)售過(guò)程中的進(jìn)程信息。

3.4 上位機(jī)監(jiān)控網(wǎng)站設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)控網(wǎng)站,主要用于管理、調(diào)配和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制茶葉智能保鮮裝置,可設(shè)定管理權(quán)限,界面顯示內(nèi)容根據(jù)管理權(quán)限進(jìn)行細(xì)分。以區(qū)域普通管理者為例,主要包括了注冊(cè)登錄頁(yè)面、區(qū)域裝置統(tǒng)計(jì)頁(yè)面、裝置實(shí)時(shí)位置顯示頁(yè)面、裝置工作狀態(tài)頁(yè)面、裝置運(yùn)輸行程頁(yè)面、裝置內(nèi)茶葉溯源頁(yè)面、茶葉銷(xiāo)售統(tǒng)計(jì)頁(yè)面等7大部分。裝置實(shí)時(shí)位置顯示頁(yè)面主要顯示所查詢(xún)的單個(gè)裝置的實(shí)時(shí)位置,與裝置運(yùn)輸行程頁(yè)面相配合能對(duì)茶葉運(yùn)輸進(jìn)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)測(cè)；裝置工作狀態(tài)頁(yè)面主要包括：環(huán)境溫度和濕度、裝置內(nèi)部溫度和濕度、透光度、裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)等；裝置內(nèi)茶葉溯源頁(yè)面主要顯示所查詢(xún)的裝置內(nèi)茶葉的類(lèi)型、原產(chǎn)地、加工時(shí)間以及銷(xiāo)售過(guò)程中的相關(guān)信息等。

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合茶葉保鮮技術(shù)有關(guān)要素的要求,采用嵌入式技術(shù)對(duì)茶葉智能保鮮裝置進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì),基本能達(dá)到預(yù)期效果,并且在實(shí)際應(yīng)用中,還可以深入挖掘茶葉保鮮技術(shù)和數(shù)據(jù),使得智能保鮮裝置能針對(duì)不同品種的茶葉、不同時(shí)期的茶葉、不同加工工藝的茶葉等進(jìn)行分析和保鮮的細(xì)分處理,有利于更進(jìn)一步的細(xì)分茶葉市場(chǎng)。

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