朱立麗

摘要：為解決鴨梨因水分含量高而貯藏難度大，易發(fā)生微生物侵蝕與變質(zhì)，導(dǎo)致農(nóng)戶貯藏?fù)p耗大、收入降低的問題，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)引入鴨梨的貯藏管理過程中，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢應(yīng)用到鴨梨氣調(diào)冷藏保鮮的條件控制中，提高了種植農(nóng)戶與企業(yè)的收益。

關(guān)鍵詞：鴨梨保鮮；氣調(diào)冷藏；傳感器；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：Ｓ１２６；ＴＳ２５５．３文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０12）16－3611-04

Research on the Application of Wireless Sensor Network in Atmosphere Storage Technology of Yali

ZHU Li-li

（Ｐｈｙｓｉｃｓ ＆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｃｏｌｌｅｇｅ， Ｌａｎｇｆａｎｇ Ｔｅａｃｈｅｒｓ Ｃｏｌｌｅｇｅ， Ｌａｎｇｆａｎｇ ０６５０００， Ｈｅｂｅｉ， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｙａｌｉ ｐｅａｒ （Ｐｙｒｕｓ ｂｅｒｔｓｃｈｎｅｉｄｅｒｉ） ｉｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ ｗｈｉｃｈ ｃａｕｓｅｄ ｔｈｅ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙ ｏｆ ｓｔｏｒａｇｅ ａｓ ｍｉｃｒｏｂｅ－ｉｎｖａｓｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｔｅｒｉｏｒａｔｉｏｎ ｍｉｇｈｔ ｅａｓｉｌｙ ｈａｐｐｅｎ， ｔｈｕｓ ｒｅｓｕｌｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｌｏｓｓ ｉｎ ｓｔｏｒａｇｅ ａｎｄ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｉｎｃｏｍｅ． Ｔｈｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｓｔｏｒａｇｅ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｏｆ Ｙａｌｉ ｔｏ ｍａｎａｇｅ ｔｈｅ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｃｏｌｄ ｓｔｏｒａｇｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ， ｗｈｉｃｈ ｃｏｕｌｄ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｅｓｔ ｏｆ ｆａｒｍｅｒ ａｎｄ ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： Ｙａｌｉ ｓｔｏｒａｇｅ； ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｃｏｌｄ ｓｔｏｒａｇｅ； ｓｅｎｓｏｒ； ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ

鴨梨是中國古老的地方良種，深受人們喜愛。但是鴨梨的貯藏卻一直困擾著種植農(nóng)戶與企業(yè)，因受生物體的新陳代謝及微生物影響，鴨梨品質(zhì)會發(fā)生不同程度的變化，甚至發(fā)生劣變，這嚴(yán)重影響了鴨梨產(chǎn)品的食用品質(zhì)與價值［１］，導(dǎo)致中國鴨梨的貯藏質(zhì)量一直不高。

通過可行的技術(shù)手段來長時間保持鴨梨的新鮮狀態(tài)，提高鴨梨貯藏質(zhì)量與品質(zhì)，有著非常重要的現(xiàn)實意義。

１鴨梨的貯藏方法與氣調(diào)保鮮技術(shù)

鴨梨貯藏條件極為苛刻，不適當(dāng)?shù)臏囟?、濕度、ＣＯ２濃度與Ｏ２濃度等都會引起產(chǎn)品的病變與損耗。為了提高鴨梨的貯藏質(zhì)量，穩(wěn)定收益，現(xiàn)有市場中出現(xiàn)了多種鴨梨保鮮貯藏方法。①低溫冷藏技術(shù)。將冷庫溫度保持在０ ℃，降低果實的氧化與腐敗速度，可將鴨梨貯藏期延長至８個月，且能保證好果率達(dá)８０％以上［１］，但此方式不利于農(nóng)戶小批量存貯。②紙箱碼垛貯藏技術(shù)。將挑選后的果實墊板隔開分層裝入紙箱，然后入庫碼垛，可一定程度減少果實損壞率，此方法簡單易行但是成效一般，不適合長時間大批量存儲。③化學(xué)保鮮貯藏技術(shù)。在貯藏容器或設(shè)備中放置適量的防腐劑抑制微生物的繁殖，相對來說技術(shù)要求高，成本也較高，且不利于環(huán)境保護(hù)。④氣調(diào)貯藏技術(shù)。這是目前國內(nèi)外較為先進(jìn)的果蔬保鮮技術(shù)，通過調(diào)節(jié)貯藏環(huán)境中的氣體成分來達(dá)到保鮮的目的。其基本原理是通過調(diào)節(jié)貯藏環(huán)境的氣體構(gòu)成，限制果蔬的呼吸強(qiáng)度，抑制果蔬腐敗的生理生化過程及微生物的活動，延緩其衰老和變質(zhì)，同時鴨梨出庫的擺架期也可大大延長。此種方式適用范圍廣，設(shè)備體系完整，可實現(xiàn)自動化作業(yè)，有效地降低勞動成本，且無環(huán)境污染等問題。

中國將氣調(diào)貯藏技術(shù)應(yīng)用于鴨梨貯藏的歷史不長，手段傳統(tǒng)且成本控制不好，考慮到貯藏成本和有效性的要求，將先進(jìn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于鴨梨氣調(diào)貯藏技術(shù)中，以取得更優(yōu)的保鮮效果。

２無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取和處理技術(shù)，它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等多個領(lǐng)域［２］，能夠?qū)崟r地監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理區(qū)域內(nèi)的各種信息，并對這些信息進(jìn)行分析處理。同時，它具有成本低、功耗少、部署簡單、布置密集等一系列優(yōu)勢，而且在實際應(yīng)用中長期不需要更換電池，不需要現(xiàn)場維護(hù)，適宜短距離的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，被廣泛地應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防安全、環(huán)境監(jiān)測、危險區(qū)域遠(yuǎn)程監(jiān)控等多個領(lǐng)域［３］。

一個典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由分布式傳感器節(jié)點、移動式發(fā)送接收器、Ｉｎｔｅｒｎｅｔ或通信衛(wèi)星、任務(wù)管理節(jié)點等部分構(gòu)成，如圖１所示。

其基本原理是通過隨機(jī)部署處于監(jiān)控區(qū)域中的具備無線通信功能的傳感器節(jié)點，以自組織的方式構(gòu)成無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，收集監(jiān)控數(shù)據(jù)，并以逐跳的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸［４］，最后通過無基站的移動通信方式將監(jiān)控數(shù)據(jù)輸送到用戶端。

無線傳感器節(jié)點是網(wǎng)絡(luò)的基本單元，通常是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，其處理能力、存儲能力和通信能力都有限，需通過攜帶的電池供電。在不同應(yīng)用中，無線傳感器節(jié)點的組成不盡相同。但是一般來說，無線傳感器節(jié)點都由數(shù)據(jù)采集模塊（傳感單元、Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器）、數(shù)據(jù)處理和控制模塊（微處理器、存儲器）、通信模塊（收發(fā)器）和供電模塊（如電池）等組成［４］，其基本模塊組成如圖２所示，用戶可以通過管理節(jié)點對無線傳感器節(jié)點進(jìn)行配置。

數(shù)據(jù)采集模塊是整個節(jié)點的核心，主要負(fù)責(zé)感知、獲取監(jiān)控信息，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信號；數(shù)據(jù)處理和控制模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲和處理工作，并控制感知部件和供電模塊的工作模式；通信模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器或觀察者的通信，將數(shù)據(jù)直接或間接地傳送到傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息接入點；供電模塊由電池和Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器等構(gòu)成，為整個節(jié)點提供電能供應(yīng)。電能決定了節(jié)點的壽命，電能一旦耗盡，節(jié)點將退出節(jié)點網(wǎng)絡(luò)，由余下的正常工作節(jié)點重新組網(wǎng)。

此外，無線傳感器節(jié)點還可以包括其他輔助模塊，如移動系統(tǒng)、定位系統(tǒng)等。

３無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在鴨梨氣調(diào)貯藏技術(shù)中的應(yīng)用價值分析

鴨梨的氣調(diào)貯藏技術(shù)要求較高，需要同時監(jiān)測貯藏環(huán)境中的溫度、濕度、Ｏ２濃度、ＣＯ２濃度等，傳統(tǒng)模式下多依賴不同類型傳感器來完成其監(jiān)測任務(wù)。而先進(jìn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可同時監(jiān)控多個待測量，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、輸出，以供自動化控制系統(tǒng)決策，達(dá)到精確控制鴨梨的貯藏環(huán)境條件，實現(xiàn)良好的貯藏效果。其工作流程如圖３所示。

３．１傳感器節(jié)點組成與功能

３．１．１數(shù)據(jù)采集模塊在鴨梨的氣調(diào)貯藏中，數(shù)據(jù)采集模塊選用了濕度傳感器、溫度傳感器和氣體傳感器構(gòu)成的傳感器節(jié)點網(wǎng)絡(luò)，對鴨梨貯存區(qū)域進(jìn)行環(huán)境要素采集，實現(xiàn)對環(huán)境濕度、溫度、Ｏ２濃度和ＣＯ２濃度等的精確測量?？紤]到節(jié)點功耗與實際需要，可采取周期性采樣來延長傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用壽命，以程序預(yù)設(shè)采樣周期為１５ ｍｉｎ／次的模式來實現(xiàn)長期自動觀測。首先傳感單元采集檢測區(qū)內(nèi)的環(huán)境要素數(shù)據(jù)，利用Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信號，再通過不串接的傳感器節(jié)點作為中繼，將信號輸出給數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行下一步處理。

３．１．２數(shù)據(jù)處理與傳輸模塊傳感器節(jié)點中的微處理器將輸入的信號放大后進(jìn)行預(yù)處理，處理后的數(shù)據(jù)以自組織多跳方式傳輸至基站，然后由網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)關(guān)。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，需要提供良好的通信服務(wù)，使傳感器采集的數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確地到達(dá)外部網(wǎng)絡(luò)，這要求各節(jié)點間要有合適的傳輸協(xié)議，能保證傳輸數(shù)據(jù)的實效性和準(zhǔn)確性。根據(jù)氣調(diào)貯藏技術(shù)的特點，可以采用ＺｉｇＢｅｅ無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信技術(shù)［２］和基于無線通訊方式的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，較好地解決了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)收集和處理所存在的問題。具有匯聚功能的基站接收來自傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包，然后將其傳送至網(wǎng)關(guān)中，再經(jīng)射頻天線發(fā)出。

３．２用戶接收裝置

用戶接收裝置一般由數(shù)據(jù)接收轉(zhuǎn)化模塊與控制信號輸出模塊組成，數(shù)據(jù)接收轉(zhuǎn)化模塊一般由射頻天線與預(yù)裝相應(yīng)軟件的ＰＣ機(jī)組成。射頻天線接收來自無線傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)信息，由ＰＣ機(jī)對數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的處理。在實際貯藏過程中，專業(yè)軟件根據(jù)鴨梨貯藏條件的要求類別分別設(shè)置控制標(biāo)準(zhǔn)：如溫度設(shè)定為０ ℃，控制誤差范圍為－０．５～０．５ ℃；相對濕度設(shè)定為９２％，控制誤差范圍為－２．５%～２．５％；設(shè)定Ｏ２濃度為１２．５％，誤差范圍控制在－０．５％～０．５％；設(shè)定ＣＯ２濃度為０，控制濃度不超過０．３％。設(shè)置編制控制程序并運行程序，將設(shè)定參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)與現(xiàn)場采集的環(huán)境要素數(shù)據(jù)相比較，分別輸出控制信號，用來驅(qū)動自動化控制系統(tǒng)設(shè)備的運行。

３．３氣調(diào)庫環(huán)境自動控制系統(tǒng)

氣調(diào)貯藏的關(guān)鍵在于改變環(huán)境氣體的構(gòu)成以滿足貯藏要求，因此氣調(diào)控制系統(tǒng)是氣調(diào)庫的關(guān)鍵設(shè)備。目前，氣調(diào)庫環(huán)境控制系統(tǒng)都已經(jīng)實現(xiàn)自動化，結(jié)合鴨梨的貯藏要求，一套完整有效的鴨梨氣調(diào)貯藏環(huán)境控制系統(tǒng)包括：實現(xiàn)溫度控制的制冷系統(tǒng)、實現(xiàn)濕度控制的加濕系統(tǒng)、實現(xiàn)氣體構(gòu)成調(diào)節(jié)的氣調(diào)系統(tǒng)。

３．３．１制冷系統(tǒng)氣調(diào)庫的設(shè)計要求將庫內(nèi)溫度波動嚴(yán)格控制在－０．５～０．５ ℃，因此氣調(diào)庫制冷系統(tǒng)的設(shè)計可采用如下方案：采用泵再循環(huán)供液（氨、氟利昂）的活塞式直接制冷機(jī)，同時選擇傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊的水冷式冷凝器和體積小、重量輕的吊頂式冷風(fēng)機(jī)。

３．３．２加濕系統(tǒng)目前市面上的倉庫加濕系統(tǒng)非常多，氣調(diào)庫中最有效的還是超聲波加濕法，利用超聲波技術(shù)使水分子脫離水面，擴(kuò)散到空氣中，實現(xiàn)加濕的目的。其優(yōu)點是擴(kuò)散蒸發(fā)速度快、效果好，而且對環(huán)境溫度不產(chǎn)生任何影響，但對水的純凈度要求很高。

３．３．３氣調(diào)系統(tǒng)氣調(diào)系統(tǒng)是整個氣調(diào)庫的核心部分，主要是對氣調(diào)庫環(huán)境中的Ｏ２濃度和ＣＯ２濃度進(jìn)行調(diào)節(jié)，限制鴨梨的呼吸強(qiáng)度，以降低鴨梨的自熟與腐敗生理速度，同時也抑制導(dǎo)致病害的微生物活動。

氣調(diào)貯藏首先需改變貯藏環(huán)境中的Ｏ２濃度，正?？諝庵泻校玻埃梗サ模希?，０．０３％的ＣＯ２，適合鴨梨貯藏的Ｏ２濃度為１２．５％。可以通過抽除空氣充入Ｎ２的方式實現(xiàn)庫內(nèi)Ｏ２濃度的調(diào)節(jié)［５］，即利用真空泵抽除庫內(nèi)空氣的同時利用制氮機(jī)充入等量Ｎ２來減少空氣中的Ｏ２濃度。在使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的條件下，傳感器節(jié)點測量到的Ｏ２濃度信息經(jīng)天線傳輸給ＰＣ機(jī)，ＰＣ機(jī)預(yù)裝的管理軟件將信息處理后輸出控制指令，控制真空泵和制氮機(jī)的抽氣和充氣操作，直到氣調(diào)庫內(nèi)的Ｏ２濃度穩(wěn)定在１２．５％左右?？蛇x用中空纖維膜制氮機(jī)作為鴨梨氣調(diào)貯藏庫的制氮機(jī)，這種制氮機(jī)是利用Ｏ２和Ｎ２等不同性質(zhì)的氣體在通過空心纖維膜組時不同的滲透速率來使Ｏ２和Ｎ２分離而獲取高純度Ｎ２。與其他制氮設(shè)備相比，它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、維護(hù)量少、產(chǎn)氣快、增容方便等優(yōu)點，因此它擁有很高的功能價格比，能有效地控制鴨梨的貯藏成本。

其次進(jìn)行氣調(diào)庫中的ＣＯ２濃度的調(diào)節(jié)，過高的ＣＯ２濃度會提高鴨梨黑心病的發(fā)病率。鴨梨入庫后仍然會進(jìn)行呼吸作用，會從環(huán)境中吸收Ｏ２釋放ＣＯ２，庫內(nèi)ＣＯ２濃度和Ｏ２濃度都會發(fā)生變化，因此需要在Ｏ２濃度低于預(yù)定值時通風(fēng)，增加Ｏ２濃度，同時安裝ＣＯ２脫除機(jī)，脫除過多的ＣＯ２。目前常見的ＣＯ２脫除機(jī)均采用活性炭作吸附劑，一般是將庫內(nèi)空氣用風(fēng)機(jī)送入活性炭罐內(nèi)吸附，待吸附飽和后，用空氣脫附再生，脫附的ＣＯ２外排，如此循環(huán)至ＣＯ２濃度小于０．３％。在使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的條件下，以傳感器網(wǎng)絡(luò)測量的ＣＯ２濃度數(shù)據(jù)作為輸入信號對吸附和再生過程進(jìn)行自動控制，而且還可通過換裝不同的吸附劑清除鴨梨貯藏庫中過高的乙烯、乙醇、乙醛等有害氣體。

另外，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能精確地測量鴨梨貯藏庫內(nèi)氣體的構(gòu)成變化，通過ＰＣ機(jī)輸出指令可準(zhǔn)確地控制各類設(shè)備的啟停時間、電氣負(fù)荷、蓄冷系統(tǒng)的優(yōu)化、設(shè)備運行周期的調(diào)整等，最大限度地降低能耗與貯藏成本。

經(jīng)試驗驗證，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控鴨梨的貯藏環(huán)境，可實現(xiàn)高精度控制，使鴨梨的貯藏環(huán)境最大限度接近理想狀態(tài)，以此技術(shù)貯藏８個月的鴨梨，好果率在９５％以上，而且可以維持較高的果實硬度和可滴定酸含量，失重率減少，貨架壽命延長至３周，且可溶性固形物含量無顯著變化，貯藏質(zhì)量獲得明顯提升，市場應(yīng)用前景非常樂觀。

４結(jié)語

將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用于鴨梨等果蔬產(chǎn)品的貯藏過程中，可有效提高果蔬的貯藏質(zhì)量，還可利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的功耗小、成本低等優(yōu)勢，為農(nóng)戶與企業(yè)增收提供科學(xué)途徑，推進(jìn)中國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化與“三農(nóng)”政策的順利實施。

參考文獻(xiàn)：

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