鲜食葡萄具有很高的营养价值和食疗价值。随着社会进步和人们生活水平的提高，对鲜食葡萄质量安全越来越关注。为了确保食品鲜食葡萄质量安全，物流过程中多采用冷链技术，通过实时监测并调节储运中的温湿度环境，使葡萄全程处于适宜的冷藏环境。但是，即使鲜食葡萄处在适宜的冷藏环境中，微生物仍然处在缓慢生长状态，在长时间的运输途中同样容易出现腐烂变质的情况，不能达到保鲜目的。因此，一般在冷链物流过程中，有效耦合应用保鲜技术可以降低农产品的新陈代谢及其呼吸速度，抑制冷藏环境中的细菌生长，延长货架期。常用的果蔬保鲜剂有防病防腐保鲜剂、气体防腐保鲜剂、涂被保鲜剂以及其他保鲜剂等。

    鲜食冷链物流过程中比较常用的是SO2气体防腐保鲜剂。但是，如果操作不当，有可以导致SO2释放过快,不仅导致鲜食葡萄漂泊损伤及影响人体健康与环境，还有可能后期剂量不足又引起葡萄腐烂[1-2]。因此，鲜食葡萄冷链过程需要监测与调节SO2释放情况，使SO2气体能长时间、均匀释放，达到全程保鲜目的。无线传感器网络作为一种新的信息获取技术，尤其是ZigBee技术，凭借其低功耗、低成本、高可靠性等特点，广泛地应用于工业、农业等领域[3]。现有的SO2传感器主要是应用于工业环境，其精度与量程不能满足鲜食葡萄等农产品冷链物流需要[4]。
    本文针对鲜食葡萄冷链物流监测需求，应用ZigBee无线传感器网络技术，集成温湿度传感器、SO2传感器设计了面向鲜食葡萄冷链物流的无线传感器节点，同时设计了用于数据汇集的协调器网关节点以及远程实时监测系统，并进行了相关的性能测试。
1 系统基本结构
    面向鲜食葡萄冷链物流的无线实时监测系统是一个无线传感信息采集系统，其基本结构主要由无线传感器网络单元和远程实时监控单元组成，无线传感器网络端与远程实时监控端的数据通信则是通过GPRS远程传输方式进行，系统基本结构如图1所示。

2 系统硬件设计
    系统硬件结构如图2所示，主要包括无线传感器节点部分和协调器部分。

2.1 无线传感器节点设计
    无线传感器节点即终端节点，实时感知着整个冷链物流过程中鲜食葡萄环境中的温湿度、SO2浓度值等信息，主要由主控模块、无线射频模块以及传感器模块组成，传感器模块包括温湿度及SO2采集模块，结构如图2所示。
    经过文献查询[5-6]及调研结果得到鲜食葡萄冷链环境下温度、相对湿度及SO2体积含量的理论监测范围，根据其范围选择合适的传感器，鲜食葡萄冷链环境下的监测参数及传感器选择情况如表1所示。

    本系统主控芯片采用TI公司的片上系统(SOC)的CC2530F256，温湿度采集模块采用的温湿度传感器为瑞士Sensirion公司出品的具有14 位A/D转换器的SHT11数字温湿度传感器。SO2传感器模块则采用瑞士MEMBRAPOR公司生产的基于三电极系统的电化学MF-20型SO2传感器。
2.2 协调器设计
    协调器是整个无线传感器网络的关键，它既负责建立和维护整个ZigBee网络,同时还需要接收采集节点的信息并将汇集来的数据信息整合上传至远程实时监控端。本文设计的协调器节点还通过RS-232串行接口与GPRS模块相连接以实现无线传感器网络与远程实时监控端的远程通信,实现无线网关的功能，协调器的基本结构如图2所示。
    GPRS模块采用广州致远电子有限公司的具有小体积和灵活应用方式的ZWG-28DP嵌入式工业级GPRS无线模块。通过配置GPRS模块的相关网络参数以实现GPRS与Internet的连接，最终实现将无线传感器网络实时采集的数据传送至远程实时监控端。
3 系统软件设计
    本文的软件开发系统采用IAR Embedded Workbench for 8051嵌入式集成开发环境，软件设计采用TI公司针对其ZigBee芯片开发的采用事件轮询机制的半开源Z-Stack协议栈，开发语言为C语言。系统远程监控端的监控软件采用NI公司的LabVIEW图形化软件进行开发。
3.1 无线传感器节点软件设计
    无线传感器节点与SHT11和SO2传感器通信程序及数据采集程序都只需在Z-Stack协议栈的应用层开发。应用层分别定义了温湿度采集任务及SO2采集任务.当有任务就绪时，调用相应的处理函数;无就绪任务时，系统进入休眠实现低功耗。数据采集与传输的流程如图3中(1)所示。

3.2 协调器软件设计
    协调器首先对串口等硬件进行初始化，之后协调器组建一个ZigBee网络并等待节点加入网络。当协调器接收到数据信息时，它会回复ACK应答信号确认收到数据，同时将数据上传，在串口发送失败时协调器复位串口并重新发送。协调器应用层数据接收与转发流程如图3中(2)所示。
3.3 远程监控软件设计
    系统远程监控软件运行在远程的数据监控端，协调器通过GPRS模块实现现场监测数据实时与远程监控软件的通信。
    远程监控软件具有数据实时收集、实时曲线显示、存储管理、历史数据查询以及系统相关的配置等功能。
4 系统测试结果与分析
4.1测试条件
    葡萄冷链环境使用天津苏瑞科技有限公司TEMI1880型高低温交变实验箱(以下简称变温箱)模拟。分别向传感器节点及协调器烧入相应的嵌入式程序，协调器同时通过RS232串口与GPRS模块连接，以实现数据远程传输的网关功能。
4.2 模拟冷链环境下的系统测试
    本测试在中国农业大学信息与电气工程学院进行，选用国家农产品保鲜技术中心(天津)生产的袋装SO2型保鲜剂，在变温箱中放置一定的鲜食葡萄，将传感器节点放入变温箱内， 密闭舱门， 设置变温箱在0℃运行24 h，进行葡萄模拟冷链环境的系统测试，传感器数据采样间隔为10 min。协调器通过GPRS模块将汇集的数据信息上传到远程监控软件，并由该软件实时存储入库的同时实时显示数据接收情况。传感器节点采集的温湿度及SO2释放浓度数据如图4所示。

    测试结果表明，传感器节点在冷链环境能够稳定、准确监测环境中的温度、相对湿度、SO2浓度等关键参数的变化过程。鲜食葡萄冷链环境下温湿度及SO2释放浓度采集传输过程中的数据延迟对系统应用的影响并不大，系统能够实时接收采集的数据，并且采集的数据稳定可靠，能够满足实际鲜食葡萄冷链的应用需求。
    本文以CC2530片上系统为核心设计的面向鲜食葡萄冷链物流的无线实时监测系统，采用低功耗、低成本的ZigBee协议栈为软件开发，适用于鲜食葡萄冷链物流环境，能够实现环境监测数据的实时、可靠传输。系统在葡萄冷链环境(0℃恒温)的测试表明，传感器节点在冷链环境能够稳定、准确监测环境中的温度、相对湿度、SO2浓度等关键参数的变化过程。传感器监测数据可信，监测系统能够很好地应用于鲜食葡萄冷链物流过程。
    本文设计的无线实时监测系统还可以结合GPS卫星定位技术，实现鲜食葡萄冷藏车物流过程中的实时定位， 方便进一步掌握鲜食葡萄冷链运输过程中的实时情况。
参考文献
[1] HANNS M, MUSTONEN. The efficiency of range of sulfur dioxide generating quality of Camleria table grapes[J].Australian Journal of Experimental Agriculture, 1992,32:389-393.
[2] 武建明, 钟梅, 吴斌,等.新疆鲜食葡萄保鲜过程中SO2残留行为的研究[J]. 食品科学, 2008,29(3):486-489.
[3] 齐林,韩玉冰,张小栓,等. 基于WSN的水产品冷链物流实时监测系统[J]. 农业机械学报,2012,43(8):134-140.
[4] 李浩.基于CC2520的无线二氧化硫传感器节点设计[J].仪器仪表用户, 2009,16(4):103-104,123,129.
[5] 秦丹,石雪晖,胡亚平,等.葡萄采后贮藏保鲜研究进展[J].保鲜与加工,2006,6(1): 9-12.   
[6] 朱丹实,刘贺,李颖畅,等.浅析环境条件对鲜食葡萄采后贮藏品质的影响[J].食品科学,2011,32(zl):191-194.
[7] 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.