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Tesis:

Development of monitoring applications for refrigerated perishable goods transportation

  • Autor: RUIZ GARCÍA, Luis

  • Título: Development of monitoring applications for refrigerated perishable goods transportation

  • Fecha: 2008

  • Materia: Ciencia y tecnología de Alimentos

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS AGRONOMOS

  • Departamentos: INGENIERIA RURAL

  • Acceso electrónico: http://oa.upm.es/1819

  • Director/a 1º: BARREIRO ELORZA, Pilar
  • Director/a 2º: ROBLA VILLALBA, José Ignacio

  • Resumen: Perishable food products are at risk of suffering various damages along the cold chain. The parties involved should control and monitor the conditions of goods in order to ensure their quality for consumers and to comply with all legal requirements. Among environmental parameters during transport, temperature is the most important in prolonging the shelf life of the products. The aim of this PhD thesis is to improve the control during transport, storage and distribution through the development of monitoring applications. The integration of emerging information technologies can now provide real-time status updates. As a first approach, a deep review of the state of the art has been done. That includes scientific literature, websites, books, articles, etc. in different areas. After the revision various key technologies were identified: RFID, WSN, chemical sensing and fieldbus networks. The experimental work about RFID has been focused to the adaptation of miniaturized semi-passive temperature loggers for monitoring refrigerated shipments by truck. This study included an analysis of the amount of local deviations, the detection of temperature gradients, and the estimation of the minimum number of sensors that are necessary for reliable monitoring inside a truck or container. These devices are useful tools for improving the transport chain and detecting weaknesses by identifying specific problem areas where corrective actions are needed. In a first step, the RFID tags were tested by studying the temperature distribution in a pallet. Then, 15 shipments from a wholesale company in Germany in compartmented trucks were monitored, covering different temperature range conditions. Also, the potential of wireless sensor technology for monitoring fruit storage and transport conditions has been explored, focusing on ZigBee technology with special regard to two different commercial modules. The main contributions in this area relate to the analysis of battery life under refrigerated conditions and the evaluation of the reliability of communications and measurements. Psychrometric equations were used for quick assessment of changes in the absolute water content of air, allowing estimation of future water loss, and detection of condensation on the product. In the development of chemical sensing technologies, Linear Variable Filter-Infrared spectrometers (LVF-IR) for the detection of ethylene, ethanol and CO2 were tested. Reference techniques such as Gas Chromatograph (GC) and commercial ethylene and ethanol sensors are used for comparison. The results prove that commercial available sensors are not able to distinguish between ethylene and ethanol, while LVF-IR is able to segregate between both. A few fieldbus systems have evolved into de facto standards. Of these, CAN (controller area network)-based systems are the basis for road vehicle systems (SAE J1939 and ISO 11992) and for ships (NMEA 2000). The use of standardized CAN technology can improve monitoring transports, ensuring the inter-operability of the system. The specifications needed in a CANbus device compatible with SAEJ1939 for monitoring international fruit transport were defined. Main innovation is that the system has to manage multidistributed information like temperature, air flow, moisture, condensation and concentration of volatile compounds, allow intercommunication with further accessible stations, and perform intelligent control of the cooling system. Finally, the information from monitoring was used in the development of a software prototype based on web service technologies that offers new features in traceability management. Using web-based systems for data processing, storage and transfer offers a very flexible way of information access, networking and usability. The idea was to integrate information from precision farming together with the information registered during the transport and delivery from intelligent transport systems into a single traceability system. The system enables detection of food safety risks, like for example breaks in the cold chain, triggering alerts about temperature abuse. Thus, this traceability system represents an effective way to increase food safety and quality, build confidence and commitment to and by consumers. Resumen Supervisar el almacenamiento, transporte y distribución de los productos agroalimentarios perecederos es fundamental para garantizar su calidad de cara al consumidor final. Estos productos, tales como frutas, verduras, carne o pescado, pueden sufrir daños y pérdida de calidad debido a descontroles durante su logística. Dentro de los distintos factores que afectan a la vida útil de los productos, la temperatura es el más importante de ellos. El propósito de esta tesis doctoral es mejorar el control y la supervisión durante la cadena de frio, a través del desarrollo de sistemas de monitorización. Para ello se han utilizado diversas tecnologías emergentes, de reciente aparición. Como primer paso, se hizo una revisión del estado del arte. En este proceso se tuvieron en cuenta revistas científicas, normas, patentes, webs, libros, artículos de divulgación y otras publicaciones de múltiples disciplinas relacionadas con el tema de la tesis. Después de la revisión se identificaron varias tecnologías clave para el desarrollo de sistemas de monitorización. Entre ellas destacan las redes inalámbricas de sensores (WSN) y los sistemas de identificación por radio frecuencia (RFID). El trabajo experimental sobre RFID se ha centrado en la aplicación de dispositivos semi-pasivos que incorporan sensores de temperatura de tal manera que permiten supervisar transportes frigoríficos. Este estudio incluyó el análisis de de las desviaciones respecto de la temperatura de consigna, la detección de gradientes de temperatura y la estimación del número mínimo de sensores que son necesarios para una monitorización fiable en un camiones frigoríficos. Los dispositivos utilizados han sido útiles en la mejora de la logística de la cadena de frio, detectando puntos débiles, mediante la identificación de áreas problemáticas donde es necesario realizar acciones correctivas. Como primer paso se realizo un estudio comparativo de tres sistemas RFID, esto permitió seleccionar el que tenia las mejores prestaciones, para a continuación instalar 48 de estos dispositivos en un pallet, para estudiar la distribución de temperaturas. Finalmente, se monitorizaron 15 camiones frigoríficos compartimentados, a diferentes temperaturas de consigna. Por otro lado, se exploró el potencial de las redes inalámbricas de sensores para monitorizar almacenes de frutas y condiciones de transporte. Los experimentos se centraron en la tecnología ZigBee, en concreto en las prestaciones de dos módulos. La mayor contribución en esta área fue el análisis de la duración de las baterías bajo condiciones frigoríficas y la evaluación de la fiabilidad de las comunicaciones y de las medidas. La aplicación del modelo psicrométrico de la ASABE permitió la detección inmediata de los cambios en contenido del agua del ambiente, estimar la condensación sobre la superficie del producto y las pérdidas de agua del mismo. Los apéndices de la tesis recogen una serie de estudios complementarios como son la sensórica de gases, las redes de control mediante buses de campo y los sistemas de trazabilidad. En el ámbito de la sensórica de gases se estudiaron espectrofotómetros de infrarrojos con filtros lineales variables (LVF-IR), específicos para la detección de etileno, etanol y CO2. Como técnicas de referencia se utilizó la cromatografía de gases y sensores comerciales de etileno y etanol. El resultado probó la especificidad de los sensores LVF-IR para la segregación entre etileno y etanol, en contraposición con los sensores comerciales. En el ámbito de las redes de control mediante buses de campo, en los últimos años una serie de sistemas se han constituido en los estándares de facto. Entre ellos, la tecnología CAN (redes de control de área), suponen la base de las líneas de comunicación en vehículos, mediante los protocolos SAE J1939 e ISO 11992, y para barcos, a través del protocolo NMEA 2000. El uso de los estándares CAN puede mejor la monitorización de los transportes, ya que permite la interoperabilidad del sistema en los distintos ámbitos de transporte. La principal innovación es que el sistema debe manejar información multidistribuida como la temperatura, el flujo de aire, humedad, condensación y concentración de compuestos volátiles, permitiendo la intercomunicación con centros de supervisión remotos, que posibiliten el control a distancia de la unidad. Finalmente, se desarrollo un prototipo de software para el control de la trazabilidad, basado en la tecnología de servicios web. Dicho prototipo ha permitido integrar, en un mismo sistema de trazabilidad, la información procedente de la agricultura de precisión junto con la información registrada durante la supervisión del transporte y distribución. El sistema desarrollado permite la detección de anomalías, como por ejemplo la ruptura de la cadena de frio, detectando descontroles en la temperatura. De esta manera, este sistema de trazabilidad representa una efectiva forma de incrementar la seguridad y la calidad, generando confianza para y por lo consumidores