物联网技术在果蔬运输系统的应用.pdf

物 联 网 技 术 在 果 蔬 运 输 系 统 的 应 用范兴娟1，刘兴龙2(1 石家庄邮电职业技术学院 电信工程系，石家庄050021;2 河北农业大学 信息科学与技术学院，河北保定071001)摘要:在分析果蔬运输系统特点和物联网关键技术的基础上，提出了一种基于物联网技术的果蔬运输系统网络结构。系统网络结构主要由感知网络、通信网络和网管中心三大部分组成。在利用现有通信网络的基础上，实现了果蔬系统中物与物、物与人、物与车的链接，实现了果蔬运输过程的智能化感知、识别和管理。该系统的实施，可以使果蔬在运输途中保持品质、延长寿命，并减少果蔬在运输过程中的损失，实现社会效益和经济效益的最大化。关键词:物联网;果蔬运输系统;射频识别中图分类号:S126文献标识码:A文章编号:1003188X(2012)090210050引言果蔬运输系统是指为了满足消费者需求而进行的农产品物质实体及相关信息从生产者到消费者之间的物理性流动。该系统目前在农产品运输系统中实施较为困难、投资较大，效果却难以令人满意。我国地大物博，地处北温带和亚热带，南菜南果北运线路可长达 2 000 3 000km，产地和销地温差最大可达30，运输情况复杂。欲在运输途中保持果蔬品质、延长寿命，与水果蔬菜的采后处理、装卸水平、运输中的环境条件、运输时间、运输工具、路途状况和组织工作均有密切关系。物联网即是通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统和激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。目前，发展物联网是我国国民经济发展的大好机遇，其中一个能广泛发挥作用的领域就是果蔬运输系统。基于物联网的果蔬运输系统会真正实现果蔬运输的信息化、智能化、网络化，极大地提高果蔬运输效率，大大降低果蔬运输成本。只有具备良好的运输设施并和最新的物联网技术收稿日期:20120103基金项目:高职高专通信类教学指导委员会科研项目(TXJZW201129)作者简介:范兴娟(1977)，女，河北定州人，讲师，硕士研究生，(Email)18931368606 189 cn。通讯作者:刘兴龙(1976)，男，河北唐县人，讲师，硕士研究生，(Email)22595578 qq com。结合，才能达到理想的运输效果。因而，研究利用物联网技术实现果蔬运输是非常有必要的。为此，本文设计了一种基于物联网技术的果蔬运输系统，该系统在果蔬运输系统的实施可减少果蔬在运输过程中的损失，提高社会效益和经济效益。1果蔬运输系统现状在某些发达国家，水果大约有 90%以上、蔬菜约有 70%是经运输后进入销售环节。近年来，随着我国商品经济的飞速发展，果蔬运输也受到了前所未有的重视。我国新鲜果蔬的运输时间及运输方向如下:1)13 月。蔬菜运输方向由南向北，果类南北方向均有运输。2)46 月。运输量不大，仅有南方的椰菜北上;北方的一般是短途运输，果类运输量也不大。3)79 月。北方蔬菜向南方运输;果类也有南北互相运输。4)1012 月。水果运输双向旺季，冬季南菜北运。运输是动态贮藏，运输过程中产品的振动程度、环境中的温度、湿度和空气成分都对运输效果产生重要影响。11运输对环境的要求111振动振动是水果蔬菜运输时应考虑的基本环境条件。剧烈的振动会给果蔬产品的表面造成机械损伤，促进果蔬的快速成熟。同时，伤害造成的伤口易引起微生物的侵染，造成果蔬产品的腐烂，并导致果蔬呼吸高0122012 年 9 月农 机 化 研 究第 9 期峰的出现和代谢的异常。由于振动造成果蔬的机械损伤和生理伤害，会影响果蔬的贮藏性能。新鲜果蔬的耐振动性，与果蔬内在因素如遗传性、栽培条件、成熟度和果实大小有关，同时也受运输条件的影响。因此，运输中必须避免和减少振动。112温度温度是运输过程中的重要环境条件之一。采用低温流通措施对保持果蔬的新鲜度和品质以及降低运输损耗是十分重要的。根据国际制冷学会规定，要求温度低而运输时间超过 6 天的蔬菜，要与低温贮藏的室温相同。部分新鲜果蔬在低温运输中的推荐运输温度如表 1 所示。表 1部分新鲜果蔬在低温运输中的推荐运输温度Tab 1The recommended temperature of some fresh fruits andvegetables in low temperature transportation水果种类推荐温度/1 2d2 3d蔬菜种类推荐温度/1 2d2 3d苹果3 103 10石刁柏0 50 2蜜柑4 84 8花椰菜0 80 4甜橙4 102 10甘蓝0 100 6柠檬8 158 15薹菜0 80 4葡萄柚8 158 15莴苣0 60 2葡萄0 80 8菠菜0 5未推荐桃0 70 3辣椒7 107 8杏0 30 2黄瓜10 1310 13李0 70 5菜豆5 8未推荐113湿度湿度是果蔬中的水分含量。果蔬在采收以后的运输期间发生失水现象是不可避免的。影响湿度的因素主要有果蔬本身的水分蒸腾强度和包装的材料种类两个方面。控制湿度的方法主要有在水纸箱或在纸箱中用聚乙烯薄膜铺垫和定期浇水两种。114气体成分除气调运输外，新鲜果蔬因自身呼吸、容器材料性质以及运输工具的不同，容器内气体成分也会有相应的改变。使用普通纸箱时，因气体分子可从箱面上自由扩散，箱内气体成分变化不大，CO2的浓度都不超过 0 1%。115包装包装对园艺产品起到保护作用，防止机械损伤;减少产品水分蒸散，防止萎蔫，有的还可起到自发气调的作用。包装有大包装、小包装两种。116堆码与装卸1)堆码。堆码的原则是尽量利用运输工业的容积，利于内部空气的流通。主要方法有品字形装车法、井字形装车、“一二三，三二一”装车法和筐口对装法等。2)装卸。新鲜果蔬鲜嫩，含水量高，如装卸搬运中操作粗放、野蛮，就会导致商品机械损伤、腐烂，造成巨大的经济损失。我国果品蔬菜多为人工装卸搬运，其劳动强度大，机械伤严重。装卸时要求箱子要捆实扎紧，搬运要轻拿轻放，快装快运。12运输方式及工具按照运输路线和运输工具的不同，可把新鲜果蔬的运输分为陆路、水路和空运等不同的运输方式。陆路运输包括公路和铁路运输;水路运输包括河运和海运。总之，在新鲜果蔬运输中，要选择最经济合理的运输方式。低温冷链运输是目前世界上最先进也是最可靠的果蔬运输方式，即从果蔬的采收、分级、包装、预冷、贮藏、运输和销售等环节上建立和完善一套完整的低温冷链运输系统，使果蔬作物从生产到销售始终维持一定的低温，延长货架期，其间任何一个环节的缺失，都会破坏冷链保藏系统的完整性和实施。目前，国外果蔬运输所用的运输工具主要是冷藏汽车和普通卡车，国际间运输主要用冷藏集装箱。我国短途公路运输所用的运输工具包括汽车、拖拉机、畜力车和人力拉车等。汽车主要有普通运货卡车、冷藏汽车和冷藏集装箱。水路运输工具用于短途运输的一般为小船、拖船，远途运销的主要是远洋货轮。铁路运输越来越少。2物联网技术概述21物联网概念物联网(Internet of Things，IOT)将各种信息传感设备，如射频识别、红外感应器、全球定位系统等装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络，从而实现人与物体、物体与物体的互联。因此，物联网技术是联系农作物运输系统中车辆、农作物、人与计算机的有效途径。物联网的技术架构分为 3 层:感知层、网络层和应用层，如图 1 所示。其中，感知层实现物联网全面智能化感知，网络层将实现接入信息管理和由计算机网络及通信网络构成的承载网络，应用层实现应用支撑服务和用户应用服务。1122012 年 9 月农 机 化 研 究第 9 期图 1物联网三层体系结构图Fig 1Three layer architecture of IOT211感知层感知层主要实现物联网的末端智能感知，由各种类型的采集和控制模块组成，包括 RFID 标签和读写器、摄像头、二氧化碳浓度传感器、GPS、温度传感器和湿度传感器等感知终端，主要功能是识别物体和采集信息。212网络层网络层由互联网、各种私有网络、无线网、网络管理系统和云计算平台等组成，负责传递和处理感知层获取的信息。而多种通信网络的融和将会充分发挥已建设起的网络基础设施的应用价值，也为物联网的发展提供了一个高水平的网络通信墓础设施条件。213应用层应用层是物联网和用户的接口，它与行业需求相结合，实现物联网的智能应用。应用层的应用支撑子层由各种支撑平台和中间件组成，其主要功能包括对采集数据的汇集、转换、分析，以及用户层呈现的适配和事件的触发等。在物联网中，RFID 标签中存储着规范而具有互用性的信息，通过无线通信网络把信息采集到处理系统，实现对物品信息的分析和处理，并通过互联网实现信息的交换和共享。22物联网对果蔬运输系统的意义从技术上讲，物联网与智能果蔬运输系统是共通的，都是通过各种信息标示和传感设备将物体相互连接，达到信息共享与交换的目的，最终实现物体实时、准确运输和智能化管理。物联网技术的引入有助于果蔬运输系统突破反应灵敏低下、农作物信息采集不准确、信息反馈不及时和智能系统预测准确性能低等发展瓶颈，从而进入快速发展的新时期。物联网拓展了互联网应用发展的空间，推进了智能运输系统的发展，促进了物联网在现代物流领域的开发应用，尤其是在新鲜水果蔬菜等要求较高运输环境的物流运输系统的应用。采用物联网技术的运输系统，可促进交通运输和现代物流的安全，使驾驶员能在复杂多变的交通环境中操纵、行驶，以求最大限度地减少道路交通事故的发生，不断提高果蔬运输系统安全水平。物联网相关技术在果蔬运输系统的推广应用，通过各类现有的通信网络接入到物联网管理中心、信息中心，实现物与物、物与人的链接，实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理。物联网技术并不是一个单向技术，而是多种信息领域的新技术组合。3基于物联网技术的果蔬运输系统果蔬运输系统作为服务行业，应用物联网技术对2122012 年 9 月农 机 化 研 究第 9 期提升整体管理水平，使果蔬运输服务在速度上和质量上得以体现，使得运输过程中数据的传输更加准确及时，便于交互、监控并及时反馈信息。31系统设计对本系统而言，主要的设计原则有实用性、稳定性、易管理易维护性、安全性、高效性、联动性和功能完整性等。水果蔬菜从采摘、运输到进入流通领域，需对其进行全程跟踪、监测，以确保其质量，满足异地用户需求。根据需求分析和需实现的功能介绍，要求系统由自动识别采集车辆 RFID、驾驶员 RFID、果蔬参数信息等模块组成，将果蔬运输过程中温度、湿度、气体成分等相关信息采集到处理模块进行分析处理，判断果蔬相关参数状态是否正常，并将结果反馈到执行端作相应的处理。果蔬运输系统设计框图，如图 2 所示。果蔬采摘后，贴条形码进入流通领域。条形码已被广泛应用在果蔬采摘系统，人工读取一个条形码需要大约 10s，用机器读取条形码花费的时间大概是 2s。图 2果蔬运输系统框图Fig 2Block diagram of fruit and vegetable transportation system由图 2 可以看出，果蔬运输系统是一个闭环系统，通过对车辆、驾驶员、果蔬等参数的实时监控，并将数据及时传送到数据中心，通过分析处理将反馈信息反馈到运输过程各参数，对参数进行相应调整，实现智能果蔬运输，达到运输的最佳效果。32系统实施果蔬运输系统网络结构主要由 3 部分构成，感知网络、通信网络(包括移动通信网络和互联网 Internet)和网管中心，如图 3 所示。1)感知网络由摄像头、通话器和 RFID 读写器等车载平台组成。摄像头可用于上传车内果蔬的状态、车辆的运行情况等信息;通话器用于驾驶员和网管中心值班人员间的沟通;RFID 读写器用于监视并上传果蔬的温度、湿度、气体成分等参数，一旦参数超过预定门限值，网管中心会有报警，及时告知驾驶员做相应处理。2)移动通信网络由无线接入点 AP、天线及移动通信核心网组成，负责将摄像头、通话器及 RFID 读写器上报给网管中心的果蔬运输过程的实时信息。同时，将网管中心的参数调整信息传送给相应车辆;互联网 Internet 负责将移动通信网络的信息路由转发到对应的网管中心。3)网管中心完成数据的采集、分析、处理并下达参数调整等指令信息。网管中心除了数据库、系统服务器，还配有查询终端、管理终端。查询终端用于查询运输网络中的各车辆及果蔬信息，通过查询终端可以了解全网果蔬运输情况;网管中心管理人员可通过管理终端对网络中的各运输车辆及果蔬进行管理。系统采用 RFID，只需要 0 1s 就可以完成果蔬识别。在果蔬运输过程中，高速公路沿途也设有 RFID读取器，不但可以实时监控货物位置，也可以防止货物的遗失、掉包、误送。从果蔬采摘、嵌入 RFID 模块，到运输、货物跟踪，到检验、进入流通领域，整个运输系统通过查询终端、网络电脑查询一目了然。图 3果蔬运输系统网络结构图Fig 3The arrangement of blade seats3122012 年 9 月农 机 化 研 究第 9 期33系统运营效果物联网技术在新鲜水果蔬菜系统的应用，可以实时监控运输过程中果蔬的温度、湿度、空气成分等参数，为管理者、运输者提供必要的参考和实时的分析处理。1)系统通过在运输车辆、公路沿线等地设置传感器节点等数据采集设备，为运输的果蔬绑定 RFID 射频卡;建立了集成有线网络和无线传感网络的物联网系统，支持摄像头、通话器和 RFID 等多种网络数据实时采集方式。2)建立了由基础数据、业务数据、决策数据和管理数据构成的网管中心，支持平台各应用系统进行自主访问。3)提供了强大的果蔬运输系统信息查询、管理服务，支持平台以手机短信服务、专用设备信息接收、信息大厅自助查询机等方式，为各类用户提供强大的分类信息传送服务。上述基于物联网的果蔬运输系统的应用，能够促进果蔬在运输过程中的透明管理，使得整个系统可视化程度更高，可以减少新鲜果蔬在运输过程中的损失，保证应有的社会效益和经济效益。4结论物联网技术虽然已经在国内农作物运输行业实现了一些应用，但依然不很成熟，关键技术还处于探索阶段。结合果蔬运输系统对温湿度等参数的特殊要求以及物联网技术应用实际，本文设计了一种基于物联网技术的果蔬运输系统，利用摄像头、通话器、RFID 等传感网络和现有的电信运营商网络及 Internet，搭建了果蔬运输系统网管中心，实现了对果蔬运输系统的智能化、综合化管理，达到了系统的最佳运输效果。该系统的广泛应用，必将解决果蔬运输系统效率低、损失大和管理难等多方面的问题。参考文献:1谢明 物联网在交通运输物流中的推广应用研究J 物流工程与管理，2011(5):1011 2汪懋华，李莉 加快推进农业机械化发展的思考J 山东农机化，2010(1):810 3孙慧远，黄家健，王玲玲，等 基于 RFID 技术的植物电信号数据采集系统的探讨J 安徽农业科学，2010，38(3):12611262，1267 4朱昌锋 影响果蔬运输的因素及相关技术措施J 兰州铁道学院学报:自然科学版，2001，20(6):107110 5陆清，王晓，刘叔义，等 RFID 技术在供港蔬菜卫生安全管理中的应用 J 植物检疫，2009(6):3234 6吴晓钊 物联网技术在物流业的应用现状与发展前景 J 物流技术与应用，2011(2):5359 7金攀 物联网与设施农业J 农业科技推广，2010(2):45 8Parsons J，Kimberling C，Parsons G，et al Colorado sheep IDproject:Using RFID for track ing sheep J Journal of A ni-mal Science，2005，83:119120Application of IOT in Fruit and Vegetable Transport SystemFan Xingjuan1，Liu Xinglong2(1 Department of Communication Engineering，Shijiazhuang Posts and Telecommunication Technical College，Shi-jiazhuang 050021，China;2 College of Information Science and Technology，Hebei Agriculture University，Baoding071001，China)Abstract:This title proposed a network structure of fruit and vegetable transportation system based on the internet ofthings after the analysis of fruit and vegetable transportation system characteristics and IOT key technology The networkstructure of the system is mainly composed of a sensor network，communication network and the network managementcenter The system realized the link of objects and objects，objects and people，objects and car with the use of the exist-ing communication networks，achieved the intelligent of perception，recognition and management The implementation ofthe system could realize the fruits and vegetables in transportation to maintain quality，prolong life，reduce the loss offruit and vegetable during transportation，realized the maximization of social and economic efficiencyKey words:IOT;fruit and vegetable transport system;RFID4122012 年 9 月农 机 化 研 究第 9 期