基于無線網(wǎng)絡的冷藏車遠程監(jiān)控系統(tǒng)

邵玲軒，劉源，吳海云，閆師杰

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基于無線網(wǎng)絡的冷藏車遠程監(jiān)控系統(tǒng)

邵玲軒1a，劉源1a，通信作者，吳海云1a，閆師杰1b

（1. 天津農(nóng)學院 a. 工程技術學院，b. 食品科學與生物工程學院，天津 300384）

為防止貨物在運輸過程中腐爛變質(zhì)，確保冷藏車內(nèi)的環(huán)境達到食品冷凍和保鮮的條件，設計了一種冷藏車遠程監(jiān)控系統(tǒng)。整個系統(tǒng)監(jiān)控部分由ZigBee采集網(wǎng)絡和GSM/GPRS數(shù)據(jù)傳輸兩部分構成。在單片機作用下，采集節(jié)點對冷藏車內(nèi)的溫度、濕度、乙烯濃度和CO2濃度進行實時采集，多終端節(jié)點構成數(shù)據(jù)采集ZigBee網(wǎng)絡。系統(tǒng)通過GSM/GPRS將采集的信息傳送至遠程監(jiān)控中心，控制中心根據(jù)設定的環(huán)境閾值，通過單片機控制執(zhí)行機構對溫度、濕度進行調(diào)節(jié)。若有異常，系統(tǒng)啟動聲光報警。

冷藏車；GSM/GPRS；遠程監(jiān)控系統(tǒng)；ZigBee網(wǎng)

隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，人民生活水平日益提高，人們對于食品質(zhì)量和安全方面的要求也隨之增加。在冷鏈流通領域中，冷藏車運輸因其方便、靈活，已成為冷鏈運輸?shù)闹饕\輸方式。在冷藏車運送過程中，為確保食品的營養(yǎng)價值和食用價值，避免食品腐臭、過期以及數(shù)目上的缺失，提高食品運送的效率，降低環(huán)境污染，在達到最優(yōu)經(jīng)濟運輸?shù)那疤嵯拢鑼⑹称分糜诤线m的環(huán)境下。但在實際情況中，冷藏車在運輸過程中經(jīng)常出現(xiàn)一些問題，一是制冷機組單組故障或保溫材料局部破損老化，使車廂內(nèi)局部溫度過高，達不到冷藏要求，導致貨物變質(zhì)引發(fā)物流損失[1]。二是冷藏車內(nèi)貨物的種類、數(shù)量、位置和租賃客戶的數(shù)量等都在變化，整個調(diào)整冷藏車內(nèi)節(jié)點的數(shù)目、位置需要可調(diào)[2]。三是冷藏車在不斷移動，其內(nèi)部的環(huán)境參數(shù)需要實時控制，且控制難度較大。針對這一情況，文中設計了一套基于GSM技術和ZigBee采集網(wǎng)絡的冷藏車遠程監(jiān)控系統(tǒng)[3]。系統(tǒng)的ZigBee網(wǎng)絡實現(xiàn)了不同的客戶可通過租賃一個協(xié)調(diào)節(jié)點，通過遠程控制端對冷藏車內(nèi)多參數(shù)進行精確監(jiān)測和控制。

1 系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)由ZigBee采集網(wǎng)絡、GSM傳輸和單片機控制部件組成。單片機通過協(xié)調(diào)節(jié)點與終端節(jié)點進行數(shù)據(jù)和控制命令的交換，以及各參數(shù)閾值的設置。當終端節(jié)點檢測到參數(shù)不在設定范圍內(nèi)時，系統(tǒng)會自動調(diào)整，使其維持在設定范圍內(nèi)。同時，單片機通過GSM模塊完成與監(jiān)控中心的信息交換及控制命令的下達，控制執(zhí)行部件的工作。系統(tǒng)結構如圖1所示。

2 硬件系統(tǒng)的設計

2.1 ZigBee節(jié)點的設計

ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點主要包含網(wǎng)關節(jié)點、協(xié)調(diào)節(jié)點和終端節(jié)點[4-7]。其中，網(wǎng)關節(jié)點由主控單片機和GSM通訊模塊組成，它通過定時接收各協(xié)調(diào)節(jié)點的數(shù)據(jù)信息，通過GSM模塊向監(jiān)控中心發(fā)送，同時還將接收監(jiān)控中心發(fā)布的溫濕度控制信息，控制執(zhí)行部件的工作。而協(xié)調(diào)節(jié)點主要負責給單片機反饋某些信息及向終端節(jié)點傳送命令；終端節(jié)點則負責溫度、濕度、乙烯濃度、CO2濃度等數(shù)據(jù)信息的采集[4]。

2.1.1 終端節(jié)點組成及工作原理

終端節(jié)點結構圖如圖2所示。

系統(tǒng)采用濕度傳感器DHT11、溫度溫度傳感器DS18B20、乙烯傳感器、CO2傳感器MG811、液晶顯示器LCD1602及單片機最小系統(tǒng)設計終端數(shù)據(jù)采集節(jié)點，數(shù)據(jù)采集節(jié)點由單片機在不同時段通過傳感器對各個參數(shù)進行測量。首先，將CO2和乙烯的傳感器輸出后的模擬電壓放大，然后通過A/D轉換器變?yōu)閿?shù)字電壓，再送單片機系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理。溫度傳感器和濕度傳感器都是數(shù)字式傳感器，因此不需要A/D轉換，處理后的數(shù)據(jù)通過無線傳輸模塊向協(xié)調(diào)節(jié)點傳輸。

2.1.2 終端節(jié)點各模塊設計

（1）溫度檢測模塊

溫度是最基本的環(huán)境參數(shù)，在冷藏車運輸過程中，對溫度的測量及控制占據(jù)著極其重要的地位。DS18B20是常用的溫度傳感器，它的體積相對更小，成本相對更低，性能更穩(wěn)定，測量的精度相當高。其溫度測量范圍為-55～125 ℃，符合食品保鮮的溫度區(qū)間。

溫度檢測模塊采用單總線數(shù)字式溫度傳感器對冷藏車內(nèi)的環(huán)境溫度進行監(jiān)控和測量，是通過軟件對其進行控制的溫度檢測裝置。DS18B20的數(shù)據(jù)輸出端與單片機的I/O口相互連接，且為了保證電平的平穩(wěn)性需要連接10 kW上拉電阻。工作時，傳感器所測得的數(shù)據(jù)信息由程序控制先讀取，然后再進行必要的數(shù)據(jù)處理。

（2）濕度檢測模塊

在食品冷藏運送過程中，濕度也是影響其存儲壽命的重要因素。DHT11是已校準過的數(shù)字信號輸出傳感器。量程濕度是20%～90% RH，溫度是0～50 ℃。由于其測溫范圍較小，不能滿足食品冷藏的需求，因此只用其測量濕度。該系統(tǒng)采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，連接了一個8位的單片機，有很高的可靠性與穩(wěn)定性，且使系統(tǒng)體積小、功耗低，在普通場合滿足需要。濕度采集電路如圖3所示。DHT11采用單總線通訊，只占用一個數(shù)據(jù)引腳完成數(shù)據(jù)的輸入輸出。由于冷藏車里面的測量范圍一般都小于20 m，所以在此需加10 kW的上拉電阻。

圖3 濕度采集電路圖

（3）CO2檢測模塊

食品的呼吸作用、水分的蒸發(fā)等都可能導致食品變質(zhì)，而這些因素與食品貯藏的環(huán)境有著緊密的聯(lián)系，除水分、溫度外，空氣中CO2的比例也是影響食品變質(zhì)的因素，適宜的CO2濃度可達到延長食品存儲期限的目的。MG811對CO2有良好的靈活度和敏感性，且該傳感器受其他外界因素的變化而產(chǎn)生的影響相對較小，具有很高的穩(wěn)定性。

CO2檢測模塊以MG811傳感器為基礎進行構建。MG811輸出30～50 mV的模擬電壓，因此在其信號輸出端接阻抗變換電路。模擬電壓信號通過A/D轉換變成相應的數(shù)字信號，根據(jù)對應的關系得出CO2測量濃度值。CO2檢測電路如圖4所示。

（4）乙烯檢測模塊

接線示意圖如圖5所示。

C2H4/C-100引腳

由于水果在運輸過程中會產(chǎn)生乙烯氣體，因此可根據(jù)冷藏車內(nèi)乙烯氣體的濃度來判斷水果的成熟程度，從而達到實時監(jiān)測的目的。C2H4/ C-100傳感器操作方便、測量準確、工作可靠，適用于工業(yè)現(xiàn)場或?qū)嶒炇覝y量等不同的需求，該傳感器具有電壓和串口同時輸出的特點，方便客戶調(diào)試及使用。乙烯檢測模塊采用7NE系列的C2H4/C-100，其測量范圍為0～100 ppm，輸出信號為0.4～2.0 V。

2.1.3 協(xié)調(diào)節(jié)點

協(xié)調(diào)節(jié)點負責接收終端節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)并進行處理，之后通過它發(fā)送到單片機，是單片機與終端節(jié)點進行通信的媒介。

2.2 GSM通訊

為方便管理人員對冷藏車內(nèi)參數(shù)的遠程控制并及時了解故障信息，系統(tǒng)采用SIM900A完成它與監(jiān)控PC的數(shù)據(jù)傳送。SIM900A模塊是一款尺寸較小，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧的 GSM/GPRS模塊[6]。SIM900A模塊提供了TTL接口，為5 V的TTL電平，可以與5 V單片機直接連接。短信模塊里面的電壓穩(wěn)壓器用來給SIM卡的電源供電，正常的電壓幅值為2.8 V或1.8 V。為使SIM卡不受損害，本設計采取SMF05C對其進行靜電保護，其外圈電路的元器件應靠近SIM卡槽。卡槽為6個引腳的SIM卡座，輸出電流大概為10 mA；SIMCLK為時鐘；VPP不連接。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 終端數(shù)據(jù)采集節(jié)點的軟件設計

數(shù)據(jù)采集模塊如圖6所示。

在終端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，主程序是控制單片機系統(tǒng)進行操作運行的程序，它負責組織調(diào)用各子程序模塊，完成系統(tǒng)的初始化、顯示數(shù)據(jù)等功能。它的運行過程為：系統(tǒng)開始工作后，首先進行數(shù)據(jù)采集，同時對各個模塊進行初始化，通過A/D轉換完成數(shù)據(jù)的巡回檢測，并將最終產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過LCD1602進行顯示。

3.2 GSM數(shù)據(jù)傳輸軟件設計

SIM900A模塊采用串口（UART）通信，支持移動和聯(lián)通的GSM/GPRS網(wǎng)絡信號[8]。使用標準的AT指令控制SIM900A模塊。當使用GPRS網(wǎng)絡進行傳送時，首先要進行網(wǎng)絡設置，建立網(wǎng)絡連接成功后進行數(shù)據(jù)傳送。圖7為其數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦蛄鞒虉D。

4 結論

系統(tǒng)采用GSM/GPRS技術和ZigBee采集網(wǎng)絡，根據(jù)冷藏車的大小、貨物的種類數(shù)量和位置，靈活設置終端節(jié)點的位置和數(shù)目，實現(xiàn)了冷藏車多參數(shù)多點遠程采集顯示、報警以及冷藏車內(nèi)溫濕度的控制。設計成本較低，穩(wěn)定性高。

參考文獻：

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A Remote Monitoring System for Refrigerated Vehicle Based on Wireless Network

SHAO Ling-xuan1a, LIU Yuan1a,Corresponding Author, WU Hai-yun1a, YAN Shi-jie1b

（1. Tianjin Agricultural University, a. College of Engineering and Technology, b. College of Food Science and Biological Engineering, Tianjin 300384, China）

To avoid the goods getting rot and decay, and ensure the environmental condition to meet the requirement for freezing and preservation of goods during transportation, a remote monitoring system for refrigerated vehicle was designed. The system was composed of a ZigBee network acquisition system and a GSM/GPRS data transmission system. Under the control of single chip MCU,some environmental parameters such as temperature, humidity, ethylene concentration and carbon dioxide concentration of the refrigerated truck were real-time collected by the acquisition nodes. ZigBee wireless network for data acquisition was constructed by the multi-terminal nodes. The collected data was transferred to the remote monitoring center by applying GSM/GPRS, and then temperature and humidity adjustment were implemented in line with the environmental threshold of system setting through the MCU. If there was any problem, sound and light alarm was activated by the control enter.

refrigerated vehicle; GSM/GPRS; remote monitoring system; ZigBee network

TP277

A

1008-5394（2016）03-0039-04

2016-03-14

農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)科研專項“西北特色水果貯運保鮮技術集成與示范——西北特色梨和葡萄貯運保鮮特色及技術集成研究”（201303075）

邵玲軒（1993-），女，內(nèi)蒙古赤峰人，本科在讀，主要從事檢測與控制方向研究。E-mail：1776188665@qq.com。

劉源（1964-），女，廣東興寧人，教授，碩士，主要從事檢測與控制方向研究。E-mail：lywzwzly@126.com。