Development of monitoring applications for refrigerated perishable goods transportation

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 distribucion 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 danos y perdida de calidad debido a descontroles durante su logistica. Dentro de los distintos factores que afectan a la vida util de los productos, la temperatura es el mas importante de ellos. El proposito de esta tesis doctoral es mejorar el control y la supervision durante la cadena de frio, a traves del desarrollo de sistemas de monitorizacion. Para ello se han utilizado diversas tecnologias emergentes, de reciente aparicion. Como primer paso, se hizo una revision del estado del arte. En este proceso se tuvieron en cuenta revistas cientificas, normas, patentes, webs, libros, articulos de divulgacion y otras publicaciones de multiples disciplinas relacionadas con el tema de la tesis. Despues de la revision se identificaron varias tecnologias clave para el desarrollo de sistemas de monitorizacion. Entre ellas destacan las redes inalambricas de sensores (WSN) y los sistemas de identificacion por radio frecuencia (RFID). El trabajo experimental sobre RFID se ha centrado en la aplicacion de dispositivos semi-pasivos que incorporan sensores de temperatura de tal manera que permiten supervisar transportes frigorificos. Este estudio incluyo el analisis de de las desviaciones respecto de la temperatura de consigna, la deteccion de gradientes de temperatura y la estimacion del numero minimo de sensores que son necesarios para una monitorizacion fiable en un camiones frigorificos. Los dispositivos utilizados han sido utiles en la mejora de la logistica de la cadena de frio, detectando puntos debiles, mediante la identificacion de areas problematicas donde es necesario realizar acciones correctivas. Como primer paso se realizo un estudio comparativo de tres sistemas RFID, esto permitio seleccionar el que tenia las mejores prestaciones, para a continuacion instalar 48 de estos dispositivos en un pallet, para estudiar la distribucion de temperaturas. Finalmente, se monitorizaron 15 camiones frigorificos compartimentados, a diferentes temperaturas de consigna. Por otro lado, se exploro el potencial de las redes inalambricas de sensores para monitorizar almacenes de frutas y condiciones de transporte. Los experimentos se centraron en la tecnologia ZigBee, en concreto en las prestaciones de dos modulos. La mayor contribucion en esta area fue el analisis de la duracion de las baterias bajo condiciones frigorificas y la evaluacion de la fiabilidad de las comunicaciones y de las medidas. La aplicacion del modelo psicrometrico de la ASABE permitio la deteccion inmediata de los cambios en contenido del agua del ambiente, estimar la condensacion sobre la superficie del producto y las perdidas de agua del mismo. Los apendices de la tesis recogen una serie de estudios complementarios como son la sensorica de gases, las redes de control mediante buses de campo y los sistemas de trazabilidad. En el ambito de la sensorica de gases se estudiaron espectrofotometros de infrarrojos con filtros lineales variables (LVF-IR), especificos para la deteccion de etileno, etanol y CO2. Como tecnicas de referencia se utilizo la cromatografia de gases y sensores comerciales de etileno y etanol. El resultado probo la especificidad de los sensores LVF-IR para la segregacion entre etileno y etanol, en contraposicion con los sensores comerciales. En el ambito de las redes de control mediante buses de campo, en los ultimos anos una serie de sistemas se han constituido en los estandares de facto. Entre ellos, la tecnologia CAN (redes de control de area), suponen la base de las lineas de comunicacion en vehiculos, mediante los protocolos SAE J1939 e ISO 11992, y para barcos, a traves del protocolo NMEA 2000. El uso de los estandares CAN puede mejor la monitorizacion de los transportes, ya que permite la interoperabilidad del sistema en los distintos ambitos de transporte. La principal innovacion es que el sistema debe manejar informacion multidistribuida como la temperatura, el flujo de aire, humedad, condensacion y concentracion de compuestos volatiles, permitiendo la intercomunicacion con centros de supervision 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 tecnologia de servicios web. Dicho prototipo ha permitido integrar, en un mismo sistema de trazabilidad, la informacion procedente de la agricultura de precision junto con la informacion registrada durante la supervision del transporte y distribucion. El sistema desarrollado permite la deteccion de anomalias, 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