摘 要：针对传统食品货架期指示器与条形码不能实时记录食品在流通过程中的质量参数的问题，提出并设计了食品货架期监测系统。该系统由具有无线射频信号收发功能的数据采集监测前端、监测终端和监控中心组成。实际测试实验表明，监测前端能够检测到食品的质量信息，监测终端能够将这些数据发送给监控中心，实现对食品的实时监测。

关键词：嵌入式技术;RFID技术；GPRS技术； 监测系统

食品质量安全是人们一直高度关注的问题，传统的保质方法只是简单设定食品出厂的保质期,并利用条形码技术对食品进行流通管理[1-2]。但无论是植物性食品、动物性食品还是人造食品，在原材料的摘取、加工、物流、仓储、销售等环节中，都会受到外界温度、湿度、光照及环境中微生物群与包装气体组成等影响，并不断地发生物理、化学、微生物上的变化，因此急需对食品在生产、运输、销售等环节进行实时监测、管理，但传统方法已不能满足细致的食品安全管理要求。

目前，对于食品安全监测已成为研究重点[3-4]，上海海洋大学陈明、刘慧芳、冯国富采用K—means聚类算法，研制了水产品货架期指示器[5]，能够对水产品进行实时监测。通过生化实验对比，监测的货架期数据与生化数据具有98%的拟合度，此检测装置达到了对水产品实时监测的水平,但不能将监测数据及时发送给管理者进行及时有效的管理。针对这一问题，本文采用RFID技术[6]和GPRS技术[7-8]设计了食品货架期监测系统，该系统能够对食品数据进行实时采集，从而实现实时管理。

1 系统结构与原理

食品货架期监测系统由监测前端、监测终端和监控中心三部分组成。监测前端负责采集食品在流通过程中的货架期信息，并进行数据处理；监测终端负责接收监测前端的数据信息，并进行数据发送；监控中心负责接收数据信息。监测前端与监测终端的无线通信采用星型网络拓扑结构，每个监测前端都能与监测终端进行双向通信，但各个监测前端之间不能进行通信，食品货架期监测系统结构如图1所示。

监测系统首先通过监测前端检测冷藏车内食品质量信息，通过射频装置将质量参数信息发送给监测终端，监测终端通过SPI口将数据发送给GPRS模块，然后发送给监控中心的监测终端，再通过RS232串口将数据发送到PC机，以此实现客户端的可视化和实时数据信息的监测与查询。

2 系统硬件设计

2.1 监测前端硬件设计

监测前端主要负责对食品质量信息的采集与计算，通过nRF905无线射频模块将数据信息发送给监测终端，并接收监测终端发送的相关指令。监测前端主要由控制模块、RFID模拟前端模块(天线、射频芯片nRF905)、温度采集模块、用户界面模块(按键模块、用于LED、时钟模块、调试接口JTAG)、电源管理模块等五大模块和相关电路组成。RFID模拟前端模块负责接收指令，并根据指令格式发送数据包；温度采集模块负责采集温度并将温度传输到控制模块；控制模块处理装置的所有数据并维护装置的正常运行，用户界面模块能够便于用户使用,电源管理模块主要为控制模块和RFID模拟前端模块供电。

监测前端的微处理器采用MSP430F149，其自带有60 KB+256 B Flash存储器，地址为1100H-FFDFH的Flash存储器,用于存放系统代码;地址为0200H-9FFH的2 KB RAM用于存储装置的历史信息。监测前端的信号类型分为模拟部分和数字部分，模拟部分负责与监测终端的通信，数字部分负责处理数据、控制装置运行以及控制与监测终端的通信。模拟部分包括射频收发芯片nRF905、PCB板载天线、晶振等芯片和相关电路等。数字部分由嵌入式微处理器MSP430F149、温度传感器DS18B20、日历时钟芯片DS1302、调试接口JTAG、红绿指示灯、开关键、复位键等外围电路以及各芯片间的连接电路组成。射频芯片nRF905的4种工作方式中，正常工作状态是处于接收状态，即ShockBurst RX模式。在接收到指令时,自动将指令数据包的字头和CRC校验码移出，再根据数据包的第一个字节的内容解析指令数据包，并根据解析的配置装置运行状态或发送数据。若解析后的指令为“读当前”，则把当前温度、货架期等数据组装成32 B的数据包发送至监测终端；若“读历史”,则从微处理器MSP430F149的0200H-9FFH的2 KB RAM中一次读取N个数据为一组并组装成32 B的数据包发送出去，直至RAM中所有信息均发送出去时，装置发送过程结束。

射频电路主要由三大部分组成：与单片机相连的接口电路、nRF905应用电路以及天线的发送、接收电路。在设计过程中，电源VDD引脚所接入的电压范围为1.9~3.6 V；为了使晶振稳定，在晶振两端并联电阻R1(1 M?赘)；为了让监测前端得到稳定的信号，天线的电路设计尤为关键，其中，VDD_PA引脚给天线提供直流电源，ANT1与ANT2引脚给天线提供稳定的RF输出，图2所示为监测前端的射频电路。

2.2 监测终端硬件设计

监测终端的任务是把监测前端的数据信息通过GPRS发送至监控中心，其结构框图如图3所示。

监测终端的微处理器通过SPI口与射频模块NRF905数据通信,通过串口方式与GPRS模块数据通信。

3 系统软件设计

3.1 监测前端的软件设计

在冷链物流过程中，监测前端需要实时监测食品质量，采集完数据后进入休眠状态，每隔一定时间被唤醒监听是否有监测终端的射频信号，若监听到射频信号，则立刻与之进行数据通信；若没有监听到射频信号，则继续进入休眠状态。每隔30 min唤醒温度传感器模块完成数据的采集，采集完数据转入休眠状态，工作流程如图4所示。

3.2 监测终端的软件设计

在冷藏车内的监测终端需要读取监测前端的数据信息，监测终端首先发送读取命令，待进入通信范围内的监测前端被唤醒时，将对其进行验证，如果认证成功，则建立数据通信，并将数据通过GPRS模块发送给监控中心的监测终端，工作流程如图5所示。

4 系统测试

在食品运输流通过程中，监测前端通过传感器模块进行数据采集及货架期计算，然后通过NRF905射频模块将数据信息发送监测终端，监测终端再把数据发送至监控中心。在监控中心，监测终端通过RS232串口与电脑连接，从而使数据能够直接传输到PC机上。图6所示为监测前端发送到监控中心的数据，可通过串口调试精灵显示。

在图6监测数据中，监测终端首先接收到的是监测前端的ID号，其次是温度数值。读取到的第一个监测前端是G3，其温度数据为10.13 ℃。通过实验表明，食品货架期监测系统能够监测食品在流通过程中的质量信息。

食品货架期监测系统通过RFID技术和GPRS技术实现了对食品质量的实时监测，并将数据可视化，达到动态监测食品在流通过程中的情况，系统具有可靠性高、适应性强等优点，推广价值较大。

参考文献

[1] 袁伟华.条码技术在物流管理中的应用[D].武汉：华中科技大学,2005.

[2] Wang Huhu, Xu Xinglian. Research progress of traceability technology of livestock and poultry and its applications[J].Science and Technology of Food Industry，2010,31(8)：413-416.

[3] 邓彦.食品安全综合评价体系与食品安全监测预警[D]. 广州：中山大学,2007.

[4] 章德宾，徐家鹏，许建军,等. 基于监测数据和BP神经网络的食品安全预警模型 [J].农业工程学报,2010,26

(1):221-226.

[5] 刘慧芳，陈明，谢晶.南美白对虾货架期智能预测装置[J].计算机工程学报, 2010,36(15):277-279.

[6] 任守纲,徐焕良,黎安,等.基于RFID/GIS物联网的肉品跟踪及追溯系统设计与实现[J].农业工程学报,2010,26

(10):229-235.

[7] 董宇，杨强，颜文俊. 基于nRF905和GPRS的智能家居用电监测系统[J].电子技术应用,2012,38(9):78-81.

[8] 薛琳，魏兰磊，朱述川,等. 基于GPRS和RFID技术的门禁控制系统[J].电子技术应用,2012,38(6):145-148.