无线传感器网络在鸭梨气调贮藏技术中的应用

朱立丽

摘要：为解决鸭梨因水分含量高而贮藏难度大，易发生微生物侵蚀与变质，导致农户贮藏损耗大、收入降低的问题，将无线传感器网络引入鸭梨的贮藏管理过程中，将无线传感器网络的优势应用到鸭梨气调冷藏保鲜的条件控制中，提高了种植农户与企业的收益。

关键词：鸭梨保鲜；气调冷藏；传感器；无线传感器网络

中图分类号：Ｓ１２６；ＴＳ２５５．３文献标识码：Ａ文章编号：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

鸭梨是中国古老的地方良种，深受人们喜爱。但是鸭梨的贮藏却一直困扰着种植农户与企业，因受生物体的新陈代谢及微生物影响，鸭梨品质会发生不同程度的变化，甚至发生劣变，这严重影响了鸭梨产品的食用品质与价值［１］，导致中国鸭梨的贮藏质量一直不高。

通过可行的技术手段来长时间保持鸭梨的新鲜状态，提高鸭梨贮藏质量与品质，有着非常重要的现实意义。

１鸭梨的贮藏方法与气调保鲜技术

鸭梨贮藏条件极为苛刻，不适当的温度、湿度、ＣＯ２浓度与Ｏ２浓度等都会引起产品的病变与损耗。为了提高鸭梨的贮藏质量，稳定收益，现有市场中出现了多种鸭梨保鲜贮藏方法。①低温冷藏技术。将冷库温度保持在０ ℃，降低果实的氧化与腐败速度，可将鸭梨贮藏期延长至８个月，且能保证好果率达８０％以上［１］，但此方式不利于农户小批量存贮。②纸箱码垛贮藏技术。将挑选后的果实垫板隔开分层装入纸箱，然后入库码垛，可一定程度减少果实损坏率，此方法简单易行但是成效一般，不适合长时间大批量存储。③化学保鲜贮藏技术。在贮藏容器或设备中放置适量的防腐剂抑制微生物的繁殖，相对来说技术要求高，成本也较高，且不利于环境保护。④气调贮藏技术。这是目前国内外较为先进的果蔬保鲜技术，通过调节贮藏环境中的气体成分来达到保鲜的目的。其基本原理是通过调节贮藏环境的气体构成，限制果蔬的呼吸强度，抑制果蔬腐败的生理生化过程及微生物的活动，延缓其衰老和变质，同时鸭梨出库的摆架期也可大大延长。此种方式适用范围广，设备体系完整，可实现自动化作业，有效地降低劳动成本，且无环境污染等问题。

中国将气调贮藏技术应用于鸭梨贮藏的历史不长，手段传统且成本控制不好，考虑到贮藏成本和有效性的要求，将先进的无线传感器网络应用于鸭梨气调贮藏技术中，以取得更优的保鲜效果。

２无线传感器网络系统

无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术，它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等多个领域［２］，能够实时地监测、感知和采集网络覆盖的地理区域内的各种信息，并对这些信息进行分析处理。同时，它具有成本低、功耗少、部署简单、布置密集等一系列优势，而且在实际应用中长期不需要更换电池，不需要现场维护，适宜短距离的无线网络技术，被广泛地应用于工农业生产、国防安全、环境监测、危险区域远程监控等多个领域［３］。

一个典型的无线传感器网络由分布式传感器节点、移动式发送接收器、Ｉｎｔｅｒｎｅｔ或通信卫星、任务管理节点等部分构成，如图１所示。

其基本原理是通过随机部署处于监控区域中的具备无线通信功能的传感器节点，以自组织的方式构成无线监控网络，收集监控数据，并以逐跳的方式进行数据传输［４］，最后通过无基站的移动通信方式将监控数据输送到用户端。

无线传感器节点是网络的基本单元，通常是一个微型的嵌入式系统，其处理能力、存储能力和通信能力都有限，需通过携带的电池供电。在不同应用中，无线传感器节点的组成不尽相同。但是一般来说，无线传感器节点都由数据采集模块（传感单元、Ａ／Ｄ转换器）、数据处理和控制模块（微处理器、存储器）、通信模块（收发器）和供电模块（如电池）等组成［４］，其基本模块组成如图２所示，用户可以通过管理节点对无线传感器节点进行配置。

数据采集模块是整个节点的核心，主要负责感知、获取监控信息，并将其转换为数据信号；数据处理和控制模块负责数据的存储和处理工作，并控制感知部件和供电模块的工作模式；通信模块负责与其他传感器或观察者的通信，将数据直接或间接地传送到传感器网络的信息接入点；供电模块由电池和Ａ／Ｄ转换器等构成，为整个节点提供电能供应。电能决定了节点的寿命，电能一旦耗尽，节点将退出节点网络，由余下的正常工作节点重新组网。

此外，无线传感器节点还可以包括其他辅助模块，如移动系统、定位系统等。

３无线传感器网络在鸭梨气调贮藏技术中的应用价值分析

鸭梨的气调贮藏技术要求较高，需要同时监测贮藏环境中的温度、湿度、Ｏ２浓度、ＣＯ２浓度等，传统模式下多依赖不同类型传感器来完成其监测任务。而先进的无线传感器网络可同时监控多个待测量，并对数据进行处理、输出，以供自动化控制系统决策，达到精确控制鸭梨的贮藏环境条件，实现良好的贮藏效果。其工作流程如图３所示。

３．１传感器节点组成与功能

３．１．１数据采集模块在鸭梨的气调贮藏中，数据采集模块选用了湿度传感器、温度传感器和气体传感器构成的传感器节点网络，对鸭梨贮存区域进行环境要素采集，实现对环境湿度、温度、Ｏ２浓度和ＣＯ２浓度等的精确测量。考虑到节点功耗与实际需要，可采取周期性采样来延长传感器网络的使用寿命，以程序预设采样周期为１５ ｍｉｎ／次的模式来实现长期自动观测。首先传感单元采集检测区内的环境要素数据，利用Ａ／Ｄ转换器转换为数据信号，再通过不串接的传感器节点作为中继，将信号输出给数据处理模块进行下一步处理。

３．１．２数据处理与传输模块传感器节点中的微处理器将输入的信号放大后进行预处理，处理后的数据以自组织多跳方式传输至基站，然后由网络将数据上传至网关。在传感器网络中，需要提供良好的通信服务，使传感器采集的数据能够准确地到达外部网络，这要求各节点间要有合适的传输协议，能保证传输数据的实效性和准确性。根据气调贮藏技术的特点，可以采用ＺｉｇＢｅｅ无线网络数据通信技术［２］和基于无线通讯方式的数据采集和数据处理，较好地解决了传统数据收集和处理所存在的问题。具有汇聚功能的基站接收来自传感器网络的数据包，然后将其传送至网关中，再经射频天线发出。

３．２用户接收装置

用户接收装置一般由数据接收转化模块与控制信号输出模块组成，数据接收转化模块一般由射频天线与预装相应软件的ＰＣ机组成。射频天线接收来自无线传感器节点的数据信息，由ＰＣ机对数据作进一步的处理。在实际贮藏过程中，专业软件根据鸭梨贮藏条件的要求类别分别设置控制标准：如温度设定为０ ℃，控制误差范围为－０．５～０．５ ℃；相对湿度设定为９２％，控制误差范围为－２．５%～２．５％；设定Ｏ２浓度为１２．５％，误差范围控制在－０．５％～０．５％；设定ＣＯ２浓度为０，控制浓度不超过０．３％。设置编制控制程序并运行程序，将设定参数标准与现场采集的环境要素数据相比较，分别输出控制信号，用来驱动自动化控制系统设备的运行。

３．３气调库环境自动控制系统

气调贮藏的关键在于改变环境气体的构成以满足贮藏要求，因此气调控制系统是气调库的关键设备。目前，气调库环境控制系统都已经实现自动化，结合鸭梨的贮藏要求，一套完整有效的鸭梨气调贮藏环境控制系统包括：实现温度控制的制冷系统、实现湿度控制的加湿系统、实现气体构成调节的气调系统。

３．３．１制冷系统气调库的设计要求将库内温度波动严格控制在－０．５～０．５ ℃，因此气调库制冷系统的设计可采用如下方案：采用泵再循环供液（氨、氟利昂）的活塞式直接制冷机，同时选择传热效率高、结构紧凑的水冷式冷凝器和体积小、重量轻的吊顶式冷风机。

３．３．２加湿系统目前市面上的仓库加湿系统非常多，气调库中最有效的还是超声波加湿法，利用超声波技术使水分子脱离水面，扩散到空气中，实现加湿的目的。其优点是扩散蒸发速度快、效果好，而且对环境温度不产生任何影响，但对水的纯净度要求很高。

３．３．３气调系统气调系统是整个气调库的核心部分，主要是对气调库环境中的Ｏ２浓度和ＣＯ２浓度进行调节，限制鸭梨的呼吸强度，以降低鸭梨的自熟与腐败生理速度，同时也抑制导致病害的微生物活动。

气调贮藏首先需改变贮藏环境中的Ｏ２浓度，正常空气中含有２０．９％的Ｏ２，０．０３％的ＣＯ２，适合鸭梨贮藏的Ｏ２浓度为１２．５％。可以通过抽除空气充入Ｎ２的方式实现库内Ｏ２浓度的调节［５］，即利用真空泵抽除库内空气的同时利用制氮机充入等量Ｎ２来减少空气中的Ｏ２浓度。在使用无线传感器网络技术的条件下，传感器节点测量到的Ｏ２浓度信息经天线传输给ＰＣ机，ＰＣ机预装的管理软件将信息处理后输出控制指令，控制真空泵和制氮机的抽气和充气操作，直到气调库内的Ｏ２浓度稳定在１２．５％左右。可选用中空纤维膜制氮机作为鸭梨气调贮藏库的制氮机，这种制氮机是利用Ｏ２和Ｎ２等不同性质的气体在通过空心纤维膜组时不同的渗透速率来使Ｏ２和Ｎ２分离而获取高纯度Ｎ２。与其他制氮设备相比，它具有结构简单、体积小、维护量少、产气快、增容方便等优点，因此它拥有很高的功能价格比，能有效地控制鸭梨的贮藏成本。

其次进行气调库中的ＣＯ２浓度的调节，过高的ＣＯ２浓度会提高鸭梨黑心病的发病率。鸭梨入库后仍然会进行呼吸作用，会从环境中吸收Ｏ２释放ＣＯ２，库内ＣＯ２浓度和Ｏ２浓度都会发生变化，因此需要在Ｏ２浓度低于预定值时通风，增加Ｏ２浓度，同时安装ＣＯ２脱除机，脱除过多的ＣＯ２。目前常见的ＣＯ２脱除机均采用活性炭作吸附剂，一般是将库内空气用风机送入活性炭罐内吸附，待吸附饱和后，用空气脱附再生，脱附的ＣＯ２外排，如此循环至ＣＯ２浓度小于０．３％。在使用无线传感器网络技术的条件下，以传感器网络测量的ＣＯ２浓度数据作为输入信号对吸附和再生过程进行自动控制，而且还可通过换装不同的吸附剂清除鸭梨贮藏库中过高的乙烯、乙醇、乙醛等有害气体。

另外，由于无线传感器网络技术能精确地测量鸭梨贮藏库内气体的构成变化，通过ＰＣ机输出指令可准确地控制各类设备的启停时间、电气负荷、蓄冷系统的优化、设备运行周期的调整等，最大限度地降低能耗与贮藏成本。

经试验验证，利用无线传感器网络监控鸭梨的贮藏环境，可实现高精度控制，使鸭梨的贮藏环境最大限度接近理想状态，以此技术贮藏８个月的鸭梨，好果率在９５％以上，而且可以维持较高的果实硬度和可滴定酸含量，失重率减少，货架寿命延长至３周，且可溶性固形物含量无显著变化，贮藏质量获得明显提升，市场应用前景非常乐观。

４结语

将无线传感器网络系统应用于鸭梨等果蔬产品的贮藏过程中，可有效提高果蔬的贮藏质量，还可利用无线传感器网络系统的功耗小、成本低等优势，为农户与企业增收提供科学途径，推进中国农业产业化与“三农”政策的顺利实施。

参考文献：

［１］ 张瑞田，刘相宇． 鸭梨贮藏主要病害及防治［Ｊ］． 河北林业科技，２００９（４）：１２０．

［２］ 余向阳．无线传感器网络研究综述［Ｊ］． 单片机与嵌入式系统应用，２００８，１２（８）：７０１－７０４．

［３］ 杨卓静，孙宏志，任晨虹．无线传感器网络应用技术综述［Ｊ］． 中国科技信息，２０１０（１１）：１２７－１２９．

［４］ 高峰，卢尚琼，徐青香，等． 无线传感器网络在设施农业中的应用进展［Ｊ］． 浙江林学院学报，２０１０，２７（５）：７６２－７６９．

［５］ 沈丽，刘艳．气调库原理与应用［Ｊ］．物流技术，２００９（１１）：２２５－２２６．