基于無線傳感網(wǎng)智能濕冷與臭氧保鮮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

成都理工大學(xué)　劉超英 王　科　周一峰　黃　虎　郭一鳴

基于無線傳感網(wǎng)智能濕冷與臭氧保鮮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

成都理工大學(xué)劉超英 王科周一峰黃虎郭一鳴

為優(yōu)化普通濕冷保鮮系統(tǒng)的不足，提高果蔬產(chǎn)品保鮮品質(zhì)。本文利用ZigBee技術(shù)網(wǎng)絡(luò)容量大、通信可靠、網(wǎng)絡(luò)自愈能力強(qiáng)、安全性高等性能，設(shè)計(jì)了一套以AVR系列ATmega16微處理器為核心，將ZigBee技術(shù)、GSM模塊與濕冷保鮮系統(tǒng)相結(jié)合的智能控制果蔬保鮮系統(tǒng)。實(shí)時(shí)監(jiān)測保鮮系統(tǒng)工作狀態(tài)，及時(shí)將故障信息通過GSM模塊反饋給維護(hù)人員，提高了工作效率，降低了運(yùn)維成本，達(dá)到最佳的果蔬保鮮效果。

ZigBee；GSM；智能控制

引言

“濕冷系統(tǒng)”最早源于英國，是基于機(jī)械制冰和蓄冷的理論基礎(chǔ)發(fā)展起來的新型技術(shù)。［1］其原理是利用機(jī)械制冰積累冷量，獲取0攝氏度左右的水，通過混合換熱器，經(jīng)過強(qiáng)制通風(fēng)，讓水和庫內(nèi)空氣進(jìn)行傳熱傳質(zhì)，以取得接近冰點(diǎn)溫度的高濕（90%～96%）空氣。在加濕制冷的同時(shí)結(jié)合臭氧處理，最終達(dá)到良好的保鮮效果，延長貯存時(shí)間，保存產(chǎn)品原有風(fēng)味。

智能無線傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展已經(jīng)滲透到每個(gè)行業(yè)，如何利用智能無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)節(jié)約能源、提高濕冷系統(tǒng)的工作效率，并對該系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化、智能化管理和應(yīng)用，從而推動(dòng)整個(gè)果蔬行業(yè)的發(fā)展，已經(jīng)成為一個(gè)熱門話題［2-3］。

1.系統(tǒng)組成

該智能控制系統(tǒng)主要由主控制器、信號(hào)采集變送器、蓄電池、穩(wěn)壓模塊、功放電路、故障檢測電路以及ZigBee無線模塊、GSM模塊等組成。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)工作原理：

濕冷保鮮系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上屬于完全封閉系統(tǒng)，其內(nèi)部環(huán)境與外界隔離，形成特有的“小氣候”。因此信號(hào)采集系統(tǒng)主要針對溫、濕度參數(shù)以及臭氧濃度。系統(tǒng)采用模擬開關(guān)CD4051實(shí)現(xiàn)分時(shí)復(fù)用，輪流采集溫度、濕度、臭氧濃度傳感器的模擬信號(hào)，模擬信號(hào)經(jīng)主控制器進(jìn)行邏輯判斷、處理后，由功放電路控制相應(yīng)的繼電器通斷，實(shí)現(xiàn)加濕設(shè)備，制冷設(shè)備等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。

主控制器同時(shí)將信號(hào)參數(shù)以及工作狀態(tài)通過ZigBee模塊傳送給系統(tǒng)監(jiān)制中心，實(shí)現(xiàn)管理者對濕冷系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與智能控制。在故障檢測模塊，主控模塊將檢測到的信息通過GSM模塊，發(fā)送給手機(jī)，有利于管理者在任何時(shí)間，任何地點(diǎn)都能掌控保鮮系統(tǒng)的工作狀態(tài)，能夠及時(shí)地解決系統(tǒng)出現(xiàn)的故障問題，減少損失。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1主控制單元

主控制器采用的是AVR系列ATmega16微處理器為核心，該單片機(jī)具有32個(gè)8位通用工作寄存器，8路模數(shù)轉(zhuǎn)換器，8路單端通道，32路可編程的I/O口，40引腳PDIP 封裝。其工作電壓為4.5～5.5V，電流為1.1mA，具有高性能、低功耗等特點(diǎn)［4］。

2.2傳感器模塊的選用

溫度測量模塊采用DS18B20溫度傳感器［5］。DS18B20溫度傳感器計(jì)是美國DALLAS公司最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器，不用外加電路，能夠直接輸出數(shù)字量?？芍苯优c單片機(jī)通信讀取測溫?cái)?shù)據(jù)，具有線路簡單、性能穩(wěn)定、體積小、溫度計(jì)分辨率能選擇為9～12位的特點(diǎn)。

濕度采集模塊采用HS1101濕度傳感器［6］。溫度工作范圍為 -60 ℃ ～140℃，響應(yīng)時(shí)間小于5s，溫度常數(shù)為0.34PF /℃。具有測量精度高、響應(yīng)時(shí)間快、可靠性好、使用壽命長、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

濕冷保鮮庫的臭氧濃度取值范圍為0-20ppm，臭氧傳感模塊采用MS-2610 電阻式臭氧傳感器。該傳感器具有靈敏度高、熱響應(yīng)快、高耐沖擊和振動(dòng)、尺寸精小等優(yōu)點(diǎn)［7］。

2.3故障檢測與報(bào)修

本系統(tǒng)是主控制器通過傳感器模塊，檢測保鮮系統(tǒng)工作狀態(tài)來控制各執(zhí)行器工作，因此對系統(tǒng)的監(jiān)測較為復(fù)雜。要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程故障監(jiān)測，需要可正常工作的無線模塊，若保鮮系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，主控制系統(tǒng)將監(jiān)測到無線模塊傳回的數(shù)據(jù)，向主控平臺(tái)發(fā)送。主控平臺(tái)對收到的數(shù)據(jù)通過計(jì)算和判斷就可知道信息來源與信息數(shù)據(jù)以及信息的正確性，大大的提高數(shù)據(jù)的可靠性與穩(wěn)定性。

系統(tǒng)使用主控制模塊通過UART接口與GTM900C（一款兩頻段GSM/GPRS 無線模塊）無線通信模塊來反饋故障信息。使用標(biāo)準(zhǔn)的AT命令（一種調(diào)制解調(diào)器命令語言）來控制GSM模塊，以實(shí)現(xiàn)控制模塊與手機(jī)之間的無線通信功能。管理者通過電腦可知道當(dāng)前系統(tǒng)的工作狀態(tài)。若出現(xiàn)故障，主控模塊將分析處理反饋回來的信息，并向指定的手機(jī)號(hào)碼發(fā)送短信，告知維護(hù)人員系統(tǒng)故障信息。系統(tǒng)維護(hù)人員通過短信，能夠及時(shí)地解決系統(tǒng)出現(xiàn)的故障問題，提高維修效率，降低了損失。

2.4ZigBee模塊

本系統(tǒng)ZigBee模塊采用的是德州儀器（TI）公司的CC2530，是TI推出的符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4G射頻收發(fā)器。CC2530具有多種運(yùn)行模式，其電源模式2（睡眠定時(shí)器運(yùn)行）應(yīng)用最廣泛，功耗僅為1μA，運(yùn)行模式之間轉(zhuǎn)換時(shí)間快，成本低、短延時(shí)性能符合超低功耗要求的系統(tǒng)［8］。

PC上有專門的X-CTU配置工具，采用串口的方式和用戶產(chǎn)品進(jìn)行通訊，同時(shí)對模塊進(jìn)行發(fā)射功率，信道等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋮?shù)的配置，使用起來方便快捷。CC2530模塊通過UART 接口直接與ATmega16 控制器的串口0 相應(yīng)管腳交叉相連。CC2530 模塊的通信系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　CC2530模塊的通信系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)

圖3　系統(tǒng)上位機(jī)軟件功能圖

圖4　系統(tǒng)下位機(jī)軟件流程圖

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)

上位機(jī)程序是基于由微軟公司開發(fā)的集成開發(fā)環(huán)境（IDE）Visual C++ 6.0編寫的程序，其移植性高，便于人機(jī)交互。上位機(jī)軟件系統(tǒng)如圖3所示，能夠?qū)崟r(shí)顯示濕冷保鮮系統(tǒng)的溫度、濕度、臭氧濃度、以及各執(zhí)行器的工作狀態(tài)，同時(shí)也能反映系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障。

3.2下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

濕冷保鮮系統(tǒng)控制系統(tǒng)中的ZigeBee通訊模塊CC2530與監(jiān)控中心保持實(shí)時(shí)信息交流。當(dāng)系統(tǒng)通過傳感器模塊檢測到系統(tǒng)的溫度、濕度以及臭氧濃度不符合保鮮條件時(shí)，會(huì)打開相應(yīng)的執(zhí)行器，使得保鮮系統(tǒng)工作條件保持在最佳條件。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，控制單元會(huì)通過GSM模塊，將具體的工作狀態(tài)和故障信息發(fā)送給管理者，及時(shí)地了解和解決系統(tǒng)問題。系統(tǒng)下位機(jī)軟件流程圖如圖4所示。

4.總結(jié)

本文以AVR系列ATmega16微處理器為核心，利用ZigBee模塊與GSM移動(dòng)通信相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了濕冷果蔬保鮮系統(tǒng)的監(jiān)控與智能控制。本文設(shè)計(jì)的保險(xiǎn)管理系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景，希望能給新型的保鮮系統(tǒng)以及果蔬行業(yè)帶來良好的發(fā)展。

［1］王群.濕冷系統(tǒng)的特點(diǎn)及其在果蔬保鮮方面的應(yīng)用前景.包裝與食品機(jī)械［J］，1995（3）：12-16.

［2］周鑫.ZigBee 遠(yuǎn)程無線抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［D］.

［3］張錦濤.基于低功耗自組傳感網(wǎng)智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)［J］.電子測試，2013（10）：13-14.

［4］岑康華.基于AVR的果蔬保鮮陳列柜控制系統(tǒng)［J］.2015（5）.

［5］王禹，王飛.一種基于DS18B20的熱網(wǎng)溫度檢測系統(tǒng)［J］.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2008（10）：118-121.

［6］林敏，侯秉濤.HS1100 /HS1101電容式濕度傳感器及其應(yīng)用［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2001（10）：43-44.

［7］馮賓.濕冷與臭氧保鮮庫自動(dòng)測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.2009.

［8］Lamine E L.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的多線程計(jì)算：基于Threa ARM［M］.張炯，譯.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

劉超英（1992－），女，四川宜賓人，碩士，現(xiàn)就讀于成都理工大學(xué)，研究方向：自動(dòng)控制。