CN103777557B - 适用于冷链物流车厢微环境的通用测控模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于冷链物流车厢微环境的通用测控模块，其特征是组成包括：RFID读写模块、传感器接口模块、控制接口模块和微处理器模块；RFID读写模块用于设定车厢微环境的目标参数，传感器接口模块包括模拟式传感器接口、数字式传感器接口和输入端子，控制接口模块包括驱动电路、继电器组和输出端子。本发明能根据货品不同方便、快捷地设定和更改所需的环境参数，并通过配置多种不同类型传感器实时采集车厢环境参数，同时智能调节车厢微环境，从而满足冷链物流的“3T”原则。
Description
技术领域
本发明涉及冷链物流的车厢微环境信息感知与智能调控设备技术领域，具体涉及一种适用于冷链物流车厢微环境的通用测控模块。
背景技术
冷链物流是随着科学技术的进步、制冷技术的发展而建立起来的以冷冻工艺学为基础，以制冷技术为手段的低温物流，保证食品质量，减少食品消耗的一项***工程。冷链在食品生产中已经广泛应用，但是，目前在医学上的应用也越来越重要，血液、疫苗以及许多药品都需要通过冷链进行运输，对于冷链的要求更为严格。
近年来，随着人们生活水平的提高，人们对于冷链物品的消费要求也在逐年增高。人们对于相关的冷链物流运作也越来越受关注。冷链物流一般遵循“3T”原则，即产品质量最终取决于在冷链物流中贮藏和流通时间（Time）、温度（Temperature）和产品耐藏性（Tolerance）。“3T”原则主要是指出了冷链物品品质保持所允许的时间和产品温度之间的关系，但是有时候其他环境参数也会影响温度的变化，对于冷链物品的保鲜度也是有一定的影响。
在冷链物流中，由于运输物品的种类繁多，依据每种物品各自特性的要求，他们所需求的车厢微环境也各不相同，这不仅需要专用的车辆并保持特定的车厢微环境，更需要一种通用的测控模块来进行车厢微环境的实时检测和控制，从而满足冷链物流的“3T”原则。
虽然目前对于冷链物流的应用与研究比较多，但现有的方案、技术或产品在以下三个方面存在局限：
1、车厢微环境参数的设定、更改不方便。由于不同冷链物流物品对车厢微环境参数的要求不同，因此需要设定合理的各参数范围，并在储运不同物品时更改参数。在现有方法中，相关信息一般存储在微处理器或存储器中，不利于车厢微环境参数的设定、更改。
2、车厢微环境监测缺乏通用性。一方面，一种物品需要多种传感器，有些是模拟式传感器,有电流型、电压型，且信号调理过程不同，有些是数字式传感器，且数字式传感器有不同的接口方式；另一方面，换一种物品往往需要更换不同的传感器。因此现有的特定或专用的监测模式不能满足方便、经济和高效的要求。
3、缺乏车厢微环境控制手段。目前的技术方案只是对冷链物流的车厢微环境进行智能检测，当检测数据不在所设定的范围内，只是进行报警，起到提示作用，不能智能调节所测的环境参数。
发明内容
本发明为克服现有技术存在的不足之处，提供一种具有普适性、多功能的适用于冷链物流车厢微环境的通用测控模块，能根据不同种类的货品进行方便、快捷地设定和更改所需的环境参数，并通过配置多种不同类型传感器实时采集车厢微环境参数，同时智能调节车厢微环境，从而满足冷链物流的“3T”原则。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
本发明一种适用于冷链物流车厢微环境的通用测控模块的特点是组成包括：RFID读写模块、传感器接口模块、控制接口模块和微处理器模块；
所述RFID读写模块用于设定车厢微环境的目标参数并传递给所述微处理器模块；
所述传感器接口模块包括模拟式传感器接口、数字式传感器接口和输入端子，所述模拟式传感器接口和数字式传感器接口分别通过所述输入端子接入各自不同种类的模拟传感器和数字传感器，以获取所述车厢微环境的各种参数信号，并传递给所述微处理器模块；
所述微处理器模块由MCU微处理器和存储卡组成，并通过所述MCU微处理器读取所述目标参数，同时接收所述车厢微环境的各种参数信号并存入所述存储卡中；
所述MCU微处理器将所述车厢微环境的各种参数信号与所述目标参数进行比较，若超出所述目标参数的设定范围，则通过PID算法获得PWM方波的占空比；并将所述PWM方波的占空比发送给所述控制接口模块；
所述控制接口模块包括驱动电路、继电器组和输出端子；所述驱动电路根据所接收的PWM方波的占空比通过所述继电器组控制与所述输出端子相连接电器设备的功率大小。
本发明适用于冷链物流车厢微环境的通用测控模块的特点也在于：
所述模拟式传感器接口是由多路选择器、程控放大器和程控滤波器组成，用于将各种模拟式传感器所采集的模拟参数信号进行选择、放大和滤波。
所述数字式传感器接口为由1wire总线、I2C总线和SPI总线组成的跳线组，并通过跳线的方式获取各种数字式传感器所采集的数字参数信号。
所述微处理器模块的组成还包括触摸屏，所述触摸屏用于设定多路选择器、程控放大器和程控滤波器相应的参数或目标参数，并将所采集的各种参数信号和目标参数进行实时显示。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明实现一种适用于冷链物流的车厢微环境通用测控模块的设计，能为不同物品提供各自适宜的冷链物流车厢微环境的检测与控制，具有通用性、高效的特点，从而有效解决现有的冷链物流车厢微环境所存在的问题，为现代冷链物流的发展提供一种有效的检测与控制措施。
2、本发明通过使用RFID读写模块，用于对冷链物流车厢微环境的参数的设定，提供了一种先进的车厢微环境参数设置的有效方式，将FRID技术与车厢微环境的参数设置有机的结合起来，为以后的相关技术的设置提供了一种参考方法。
3、本发明通过使用PID算法智能控制各类电器设备，解决了现有技术中只有报警，起到提示作用的难题，从而对冷链物流车厢微环境进行更有效的调节。
4、本发明通过使用多路选择器、程控放大器与程控滤波器，为不同的模拟式传感器提供不同的放大倍数及滤波的截止频率，提高了模拟传感器类型的选择范围。
5、本发明通过使用1wire总线、I2C总线和SPI总线组成的跳线组，通过简单的跳线方式进行不同的数字式传感器的选择，具有简单、高效的特点。
6、本发明通过触摸屏设备能进行高效快速的参数设定和更改，从而达到模拟传感器的最佳采集性能，同时也能将所采集的各种参数信号进行实时显示，方便随时追踪车厢微环境的参数变化情况，直观便利。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明FRID读写模块应用示意图；
图3为本发明传感器接口模块示意图；
图4为本发明控制接口模块示意图。
具体实施方式
本发明的通用测控模块主要是提供一种简单易用的适用于冷链物流车厢微环境的测量与智能控制，对于不同的运输物品，通过使用不同的传感器与电器设备确保运输物品的环境参数处于适宜的环境。
在现有的冷链物流车厢微环境的技术中，一般只是对于不同的运输物品采用专有的运输车辆加上专有的电器设备确保此次运输物品的环境参数处于适宜的环境范围。而对于本发明的通用专用模块是随着不同的运输物品而配置不同的传感器与电器设备，不再局限专车专用。
如图1所示，本实施例中，一种适用于冷链物流车厢微环境的通用测控模块的组成包括：RFID读写模块、传感器接口模块、控制接口模块和微处理器模块，其中微处理器模块控制其他三个模块；通过微处理器模块对RFID读写模块、传感器模块与控制接口模块地有效控制和连接构成此通用测控模块，从而满足适用于不同运输货品的冷链物流车厢微环境。
如图2所示，本实施例中，RFID读写模块用于设定车厢微环境的目标参数和货物信息并传递给微处理器模块；方便对不同货物所需环境参数的更改；本实施例中，RFID读写模块使用ThingmagicM5eRFID读写器。对于RFID读写器所涉及的读写信息的获取，是通过专用的RFID读写器与计算机相连接，通过上位机的方法将所要运输的货品的信息与所需要的车厢环境信息写入RFID卡中，其中对于RFID卡可以使用简单的DES加密算法，确保其信息的安全性。
在现有技术中，对于一种运输物品所需要的传感器类型，如果要更换某一种传感，需要更换所涉及的硬件电路及软件程序，所花费的人力、物力的代价是比较大的。本实施例中所涉及的各类通用传感器接口就可以有效的避免此类问题。
而在现在冷链物流的车厢微环境的监测过程中，所检测的车厢微环境参数一般只涉及温度、湿度、光照强度，甲烷、二氧化碳或者二氧化硫等气体的含量，车厢震动的强烈程度等。一般涉及的各类传感器不外乎是模拟式传感器或者数字式传感器，可以根据实际需求选择各类适合的传感器来实现要求。
如图3所示，传感器接口模块包括模拟式传感器接口、数字式传感器接口和输入端子，模拟式传感器接口和数字式传感器接口分别通过输入端子接入各自不同种类的模拟传感器和数字传感器，以获取车厢微环境的各种参数信号，并传递给的微处理器模块；模拟式传感器接口是由多路选择器、程控放大器和程控滤波器组成，用于将各种模拟式传感器所采集的模拟参数信号进行选择、放大和滤波。对于不同类型的模拟式传感器通过MCU微处理器控制的触摸屏对多路选择器、程控放大器和程控滤波器相应的参数设置，获取模拟式传感器的最佳工作状态。在本实施例中，模拟式传感器接口是通过CD4052B多路选择器、PGA205程控放大器和TLC14程控滤波器实现的，对于模拟式传感器接口，首先将所采集的模拟量通过CD4052B多路选择器进行开关选择，接着通过PGA205程控放大器进行信号放大，最后经过TLC14程控滤波器进行滤波处理后获得模拟参数信号连接至微处理器的A/D口转换为数字信号；对于PGA205程控放大器的放大倍数、TLC14程控滤波器滤波的截止频率可以通过TFTLCD触摸屏进行放大倍数和截止频率的选择，从而有效满足不同模拟式传感器的放大和滤波参数要求。
数字式传感器接口由1wire总线、I2C总线和SPI总线组成的跳线组，并通过跳线的方式确定数字式传感器的接通与否，从而获取各种数字式传感器所采集的数字量；同时传递给微处理器模块；具体实施中，由于I2C总线式的数字传感器比1wire单总线的数字式传感器应用更广泛，因此可以多设置I2C总线的输入端子。
如图1所示，微处理器模块是由MCU微处理器、触摸屏和存储卡组成，微处理器模块通过MCU微处理器读取RFID读写模块中的目标参数，同时接收车厢微环境的各种参数信号并存入存储卡中；微处理器的A/D口将接收到的车厢微环境模拟量转换为数字信号量，然后微处理器将接收处理后的模拟量与数字量转换成相应的环境参数信息与货物信息一并存入存储卡中，为后续数据分析提供真实可靠的数据来源。对于缺少RFID卡的车辆在运输货品时，还可以通过触摸屏对车厢微环境的目标参数进行设置，并将设置的参数信息存入存储卡中，从而不局限于一种参数设定方式。
本实施例中，微处理器模块使用STM32F103ZET6MCU处理器、TFTLCD触摸屏和金士顿SD卡4G存储卡来实现的。对于存储在SD存储卡内的信息可以通过TFTLCD触摸屏读取，或通过RS232串口线与电脑进行通信，获取SD存储卡内的信息，还可以通过专用的SD读卡器充当中间介质获取SD卡中的信息，为以后的数据信息分析提供有效的数据信息来源；其次使用SD卡的另一个用处就是对于不同的存储容量要求可以通过简单的更换SD卡来实现，而无需改动任何硬件环境与软件程序。
在实际工程中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制。PID控制器以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型，控制理论的其他技术也难以采用，***控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定时，应用PID控制技术最为方便。PID控制器的参数整定是控制***设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时问和微分时间的大小。
MCU微处理器将车厢微环境的各种参数信号与车厢微环境目标参数进行比较，若超出车厢微环境目标参数的范围，则通过PID算法获得PWM方波的占空比；并将PWM方波的占空比发送给控制接口模块；PID算法可以将现场采集的环境参数与设定的目标参数的差值带入增量式PID算法公式，由公式输出量决定PWM方波的占空比，后续的驱动电路根据此PWM方波的占空比大小决定各调节量的强弱，若现场实时采集的车厢微环境参数与目标参数的偏差大则占空比大，驱动电路的输出功率变大，从而使实测值与设定值的偏差迅速减少；反之，若二者的偏差小则占空比减小，驱动电路的输出功率减少，直至目标值与实测值相等或者在允许误差范围内，以达到自动控制的目的。
如图4所示，控制接口模块包括驱动电路、继电器组和输出端子；驱动电路可以通过输出端子与外部强电设备相连接，从而达到强电与弱电分离和控制外部控制器件的功能，电路用继电器作为开关控制器件，继电器组是由各种不同类型的电磁继电器组成的；由于MCU微处理器的驱动能力有限，无法直接驱动继电器，因此本发明使用ULN2003芯片作为继电器的驱动芯片，继电器组可根据电器设备组的电器设备需求配置不同的继电器；
驱动电路根据所接收的PWM方波的占空比通过继电器组控制与输出端子相连接电器设备的功率大小。在冷链物流的车厢微环境的智能控制过程中，一般涉及的电器设备为加湿器、除湿器、日光灯、加热器、排气扇、空调等，它们的电器特性各不相同，所需的继电器类型也是不同的，可以根据实际的货物要求来配备。使用PID算法控制所涉及的控制参数也需要根据实际需要通过TFTLCD触摸屏进行有效设置。在车辆运行过程中，当检测到车厢微环境参数发生变化时，通过改变PID算法的比例系数、积分时问和微分时间参数来控制不同的电器设备的功率大小，从而使得车厢微环境达到适宜的环境参数范围，实现了智能控制的目的。
Claims (2)
1.一种适用于冷链物流车厢微环境的通用测控模块，其特征是组成包括：RFID读写模块、传感器接口模块、控制接口模块和微处理器模块；
所述RFID读写模块用于设定车厢微环境的目标参数并传递给所述微处理器模块；为了方便对不同货物所需环境参数的更改，通过上位机的方法将所要运输的货品的信息与所需要的车厢微环境信息写入RFID卡中，
所述传感器接口模块包括模拟式传感器接口、数字式传感器接口和输入端子，所述模拟式传感器接口和数字式传感器接口分别通过所述输入端子接入各自不同种类的模拟传感器和数字传感器，以获取所述车厢微环境的各种参数信号，并传递给所述微处理器模块；
所述模拟式传感器接口是由多路选择器、程控放大器和程控滤波器组成，用于将各种模拟式传感器所采集的模拟参数信号进行选择、放大和滤波；对于模拟式传感器接口，首先将所采集的模拟量通过CD4052B多路选择器进行开关选择，接着通过PGA205程控放大器进行信号放大，最后经过TLC14程控滤波器进行滤波处理后获得模拟参数信号连接至微处理器的A/D口转换为数字参数信号；
所述数字式传感器接口为由1wire总线、I2C总线和SPI总线组成的跳线组，并通过跳线的方式确定数字式传感器的接通与否，从而获取各种数字式传感器所采集的数字参数信号；
所述微处理器模块由MCU微处理器和存储卡组成，并通过所述MCU微处理器读取所述目标参数，同时接收所述车厢微环境的各种参数信号并存入所述存储卡中；
所述MCU微处理器将所述车厢微环境的各种参数信号与所述目标参数进行比较，若超出所述目标参数的设定范围，则通过PID算法获得PWM方波的占空比；并将所述PWM方波的占空比发送给所述控制接口模块；
所述控制接口模块包括驱动电路、继电器组和输出端子；所述驱动电路根据所接收的PWM方波的占空比通过所述继电器组控制与所述输出端子相连接电器设备的功率大小。
2.根据权利要求1所述的适用于冷链物流车厢微环境的通用测控模块，其特征是：所述微处理器模块的组成还包括触摸屏，所述触摸屏用于设定多路选择器、程控放大器和程控滤波器相应的参数或目标参数，并将所采集的各种参数信号和目标参数进行实时显示。
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