摘 要

近几年，由于社会的发展，人们逐渐开始享受更加优质的生活，而“民以食为天”，对优质食物的需求可以说是生活中最为关键的因素。正因为如此，最关系到食物新鲜程度的运输业自然也渐渐走入人们的视野。运输业中的冷链物流运输可以提高食品的保存期限，具有非常高的效率，而且能够显著降低被运输物品在道路途中的损失浪费以及流通成本，另外，冷链物流具有一套完整的工序确保了食品的安全，是一种十分值得依靠的运输手段。但是我国的冷链物流发展受制于各种因素，仍然和国外先进水平有一定的距离。

本文借助仿真软件Multisim，绘图软件Altium Designer以及Visio，设计了一种冷链物流车载监控系统的方案，并且对其中的温度采集部分进行了仿真和归一化处理，使人们能够直观的知道冷链运输途中冷藏食物的温度数值。另外，本文选取了相关芯片，基于GPRS无线通讯技术传输温度信号到控制单元等待处理。最后，将STM32F103单片机作为了控制单元的核心，并且设计了该芯片的最小系统，对其做了介绍。虽然该冷链物流车载监控系统仍未完善，但能够为未来最终成型的系统提供一个参考。

通过本课题的研究可以清楚地知道冷链物流车载监控系统中温度的采集方法，信号的传递和控制方式，对理解冷链物流运输具有一定的启发意义。

关键词：冷链物流；温度采集；GPRS无线通讯；STM32单片机；Multisim仿真；

Abstract

In recent years, due to the development of society, people gradually began to enjoy a better quality of life, and "people take food for the sky", the demand for quality food can be said to be the most critical factor in life. Because of this, the transportation industry, which is most concerned with the freshness of food, has naturally entered people's field of vision. The cold chain logistics transportation in the transportation industry can improve the shelf life of food, has very high efficiency, and can significantly reduce the loss of waste and circulation cost of the articles being transported on the road. In addition, the cold chain logistics has a complete process to ensure The safety of food is a very worthwhile means of transportation. However, the development of China's cold chain logistics is subject to various factors and still has a certain distance from the advanced level of foreign countries.

In this paper, the simulation software Multisim, drawing software Altium Designer and Visio are used to design a cold chain logistics vehicle monitoring system, and the temperature collection part is simulated and normalized, so that people can intuitively know the cold chain. The temperature value of the refrigerated food during transportation. In addition, this paper selects the relevant chip and transmits the temperature signal based on GPRS wireless communication technology to the control unit for processing. Finally, the STM32F103 microcontroller is used as the core of the control unit, and the minimum system of the chip is designed and introduced. Although the cold chain logistics vehicle monitoring system is still not perfect, it can provide a reference for the future final forming system.

Through the research of this subject, we can clearly know the temperature collection method, signal transmission and control method of the cold chain logistics vehicle monitoring system, which has certain enlightening significance for understanding the cold chain logistics transportation.

Key words: Cold chain logistics; Temperature acquisition; GPRS wireless communication; STM32 single chip microcomputer; Multisim simulation;

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究目的和意义 1

1.1.1 研究背景 1

1.1.2 研究意义 2

1.2 国内外研究现状 3

1.2.1 国内研究现状 3

1.2.2 国外研究现状 3

1.3 研究内容 4

1.4 本章小结 4

第2章 温度采集电路设计和仿真 6

2.1 PT100测温原理与调理电路设计 6

2.1.1 基本原理 6

2.1.2 调理电路设计 6

2.2 基于multisim仿真分析及其结果 9

2.3 被测温度与数码显示的归一化处理 11

2.4 本章小结 12

第3章 GPRS无线通讯模块的选型与电路设计 14

3.1 GPRS无线通讯模块的选型及其参数 14

3.2 GPRS通讯模块的电路设计 15

3.3 本章小结 17

第4章 基于STM32F103的控制单元设计 18

4.1 基于STM32F103最小系统架构 18

4.2 本章小结 20

第5章 总结与展望 22

5.1总结 22

5.2展望 22

参考文献 23

致 谢 25

第1章 绪论

1.1 研究目的和意义

1.1.1 研究背景

人们若要想要获得高质量的生活，各式各样丰富的食物是必不可少的一项组成部分。而现状是，人们的生活节奏越来越快，日常的个人可支配时间越来越少，安安心心在家里自己做饭的时间也在不断压缩，甚至被完全占用，人们越来越需要冷冻速冻食品等各种方便快捷的食物去解放自己的时间；另外，人们的日常所需，比如苹果等水果，在采摘、封装、配送等过程中，一旦时间过长，到达人们手里便不再新鲜，轻则影响口味，严重的话不仅不会给人们补充营养，甚至有害人们的健康。因此，长时间保存新鲜食物的方法是人们所需要的。

冷链物流(Cold Chain Logistics)，顾名思义，是保证冷藏冷冻类食品在销售前的一系列流程中保持低温状态，减少损失，维持食品新鲜程度的一种系统工程。其原理是通过低温环境降低生鲜食品自身的代谢和附着在食品上各类微生物的繁殖，从而防止生鲜食物发生变质^[1]。从物流运输方式上来说，冷链物流可以在一定程度上降低在运输和保存过程中冷藏冷冻食品的损耗和变质，但是由于需要在物流运输链中对被运输货物进行全程的温度检测和监控，而且在装卸货物等多个环节都要仔细审查，严加把控，这就造成了冷链物流所需成本要比对应的常规物流高。这也是后文所述对我国冷链物流这一行业发展影响的一个不可忽视的因素。

当前在我国，冷链物流这一行业前途十分宽广，发展十分迅速。我国的占地面积辽阔，人员众多，相比于其他国家，更加需要对某些产品的运输进行精准把关，例如打算将仅在某些地区生长的水果要大量运往另一偏远地区，那么保持这些水果的新鲜程度便是十分关键的。如若操作不当，物流过程中出现纰漏或物流手段不够合适的话，小则造成浪费，产生一些经济上的损失，大则会产生大量的变质水果，被食用后影响运输目标地区人们的身体健康，造成更大的危害。

根据中商产业研究院发布的《2018年中国冷链物流市场回顾分析以及2019年预测展望》显示，2018年冷链物流产业面持续向好，从2016年的近1900亿元，到2017年的近2700亿元，2018年冷链物流市场规模更是超过了3000亿元，超过了前一年485亿元，同比增幅了19%。另一方面，2016年的中国冷链物流仓储市场规模为3984万吨，2017年为4798万吨，到2018年为5275万吨，中商产业研究院预测显示，冷链物流仓库储存的市场规模将会大幅增长，在2018年的基础上再次增长600万吨。这印证了前文所述：冷链物流这一行业在我国势头正好，发展迅速，是一个具有良好发展前景的行业。

但是不可否认的是，我国的冷链物流相比外国仍然有不小的差距，冷链物流在中国的推进主要受到以下几点因素的制约：

1.相关规定标准落实不到位：许多没有资质的小型企业没有按照国家规定标准去进行冷链物流，造成成本较低，运输质量不高，而大企业严格遵守规章制度，进行成本较高的冷链物流，这就造成了恶性竞争，一定程度上限制了冷链物流这一行业的发展。

2.冷链物流的核心技术有所欠缺，管理水平较低；易腐产品，例如初级农产品的物流费用甚至可以占到食品总成本的70%，远远超出国家标准的50％，这是由于缺乏冷链物流这一新兴行业的人才和技术所致。

3.冷链物流运输的理念推广薄弱：无论是消费者还是生产商，更趋向于购买和运输价格或成本低的产品，在没有意识到冷链物流运输对人们能够造成的好处之前，常规物流具有成本较低这一优势，无疑更能得到双方的青睐。

综上所述，冷链物流在我国虽有潜力，但仍亟待发展，其最重要的便是技术问题，那么为了降低损耗，一套完整的信息监控系统可以将产品在运输过程中的信息变化实时的反应给人们，以避免不必要的损失，降低成本，这样的系统的提出是必要的。

1.1.2 研究意义

一套完整的冷链物流链主要包括产品加工，储藏，运输，销售四个方面。其中加工方面主要需要冷却，冷冻和快速冷冻的设备，这些大部分是在工厂中进行操作的；储藏方面是指保证待运输产品在被保存和被工厂操作加工的过程中全程处于被要求的较低温度，防止发生，需要冷藏库，冻结柜，家用冰箱等装置；销售环节是人们最熟悉的环节，一般来说可以通过生产商直接订购，可以通过批发的商家按需获取，还可以通过零售商家少额购买；最重要的便是运输环节，这个环节是前两个环节的延伸，是最后一个环节的基础，如果运输环节做的不好，比如使用了不符合要求的冷藏车，又或者是混淆了长短途运输，规划错误了行程，都会造成不可估量的损失，使整个物流链崩溃。在冷藏冷冻运输过程中，温度的变化是引起被运输食物品质下降的主要原因之一，也是造成成本浪费的主要原因。在货物运输转接过程中，相关人员得不到由车辆实时反馈回来的信息，便无法去拟定对应的策略去降低风险，应对突发情况，损失将无法避免。

目前市面上的物流运输监控具有很高的局限性，比如温湿度的检查，大部分物流车辆需要到达目的地后，才能将检查结果传递给管理人员，这就失去了很多能够规避由于温湿度造成的损失^[2]；另外，由于车辆本身的因素，比如发车时刻，到站时刻，转运时刻等，一旦涉及到长途物流，待运输货物的信息便不能及时传递到管理平台，调度车辆的困难便会上升，这对于物流业是不利的；最后，由于采用无线通讯技术较少，实时的反馈也成问题。

为了解决上述的矛盾，本文提出了一种冷链物流车载监控系统方案的设计，旨在货物产品在运输过程中，实时的温度等信息可以有效地反馈到工作人员中去，以期能够及时的做出安排调度，优化运输方案，减少运输成本，规避损失。综上所述，本课题的提出对于市场环境会具有一定的启发意义，可以对冷链物流行业的发展起到一定的帮助。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国内研究现状

2016年, 我国的冷链物流所需数额量超过了12000吨, 冷链物流总额达3.4万亿元, 全国范围内的冷藏仓储总量到了400万吨, 达到运输标准的车辆足有11.5万台^[3]，这说明物流行业正在不断发展。降低成本的方法正在被不断提出和改进，这是让人感到高兴的一个消息。根据《2018年中国生鲜电商行业消费洞察报告》来看，我国生鲜电商方向的市场正在不断拓宽，每一年平均下来甚至可以增长一半左右，2017年市场规模更是超出了2016年的1.5倍，这显示了我国冷链物流即将迎来爆发期。

国内学者探索过射频识别（Radio frequency identification，RFID）和GPRS等先进技术在冷链物流方面的应用^[4]，例如北京邮电大学以RFID和GPS功能模块为基础开发过一套道路车辆追踪管理系统，但是由于不支持无线传输的功能，因此管理人员无法远程获得所需信息，有所疏漏；中国中集集团相比于前者做出了一些改进，其开发的VSmart Chain专用智能物流监控系统使用了GPRS和GPS技术，能够对运输车辆进行远程监控，但是升级维护较为麻烦，成本较高。

关于我国的政策规定等方面，20世纪末期《食品卫生法》的颁布是对我国冷链物流运输业发展的一大助力；紧随其后，我国加入WTO和物流采购联合会，进一步促进了冷链物流运输理念的发展和传播；21世纪开始，我国开始将目光落在了冷链在农产品的运用；21世纪初期，冷链物流更是被国家重视，作为了中长期发展的首要项目被写入规定之中^[5]；上面的种种国家努力，为冷链物流在中国的推广打下了坚实的基础，对其发展起到了至关重要的作用。

1.2.2 国外研究现状

国外学者对冷链进行过贮藏和运输方面的研究^[6]，日本、美国、德国、英国和加拿大等发达国家的冷链物流发展已经非常成熟，该行业从上世纪70年代起便向着无人化，自动化的方向发展。

在日本蔬菜水果的生产运输过程中，进行的从定级到销售，做到了冷链全覆盖，保鲜零中断。对于其他冷链的研究也在持续完善，比如说建立合适的设施以提供给产品低温环境、给车辆内部装上相应的设备以随时调整运输物的温湿度、不断采用新的技术去开发便于进行冷链的工具，这些都是日本冷链发展的重要原因。日本政府也对冷链物流行业的发展高度重视^[7]，其中某省甚至专门为了令食物可以在较低温度下进行长期运输保鲜，从头开始严格规定了生鲜冷冻货物所需要的温度，以及多年的未来计划，这些措施都使日本的冷链技术不断的进步。

美国的亮点是能够在对全国的蔬菜进行分类生产的基础上，根据实时的反馈来保证全程食物的保鲜，这套体系不断完善和发展成为了一套系统工程。此外，美国Martin公司开发出的“Smart Supply Chain”监控系统可以有效的对集装箱进行智能管理。

德国是冷链电子化和自动化最为先进的国家之一，在全国各地分布的冷藏库之中，所有的设备都可以被电脑直接操控，精密程度极高，这保证了保存食物温湿度等关键信息的实时反馈。此外，当食物从仓库中被取出，配送往各个零售地点的途中，更是有完善的系统能够保证货物全程都处于被要求的环境之中。

加拿大的优势是在交通运输方面，待运输的冷链货物可以通过多种多样的方式到达目的地，包括但不限于飞机、货车、火车、汽车、轮船。厂家总有最为高效和便捷的交通方式可供选择，并且这些方式都是处于全程监控的环境下，极大地降低了损失。据统计，加拿大的蔬菜运输损耗率可以低于全部的二十分之一，物流成本更是低于三分之一，污染更是极小。

1.3 研究内容

首先我们需要理解进行冷链物流监控的方式：我们可以在待监控车厢内部布置传感器，将传感器采集到的数据通过通讯传递给管理平台，再由管理平台的人员来调度处理突发情况。这个方式中有三个组成部分：

数据采集终端：设置于运输车辆的车厢内部，采集温度、湿度、车速等信息。

无线传输设备：将采集终端采集到的信息传递给管理人员以便于做出调度。

控制中心：管理人员进行各项操作的终端。

本文主要研究内容包括：

（1）基于PT100的温度采集：设计调理电路，在其中实现采集，放大，滤波，模数转换等功能，实现使其完成显示对应不同电阻数值的温度的目标。

（2）基于MC55模块的GPRS无线通讯：设计GPRS无线通讯模块的外围电路。

（3）采用STM32C8T6单片机的主控制器：设计该最小系统，能够符合各项所需功能的要求。

1.4 本章小结

本章为绪论，介绍了冷链物流这一概念的由来和其特点，并且对国内外的研究现状以及部分国家的研究成果进行了简要的说明，展示了课题所处背景、以及本文想要实现的目标和该设计的功能，明确了课题目标包含采集温度的传感电路，无线信号传输的硬件选择和控制单元最小系统的设计三个部分。本文将第2、3、4章分别对三个部分的设计进行相关说明。

第2章 温度采集电路设计和仿真

2.1 PT100测温原理与调理电路设计

2.1.1 基本原理

铂电阻有非常多的优点，比如可以更迅速的变化自身电阻的灵敏度、在高温环境下也不容易产生误差的稳定性、不容易被空气中的微生物氧化腐蚀的耐氧化性等等^[8]。正因为有这些优点，国标ITS-90将铂电阻测温计规定为基准测温仪器，目前的环境中可以流通购买，比较泛用的PT系列测温热电阻型号有PT100，PT500等^[9]。

当铂电阻被放置的环境温度不低于零下200℃，不高于零上850℃时，铂电阻的电阻阻值和其所处于的环境温度数值成正比例的关系^[10]。PT100允许通过的最大电流不超过5mA，非线性偏差不超过0.5℃，分辨率可达1mK^[11]。国家标准规定PT100在0℃时其电阻值R₀为100欧姆，在环境温度是t℃时，PT100的阻值满足如下函数表达关系式^[12]:

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