基于物聯(lián)網(wǎng)的廣西農(nóng)產(chǎn)品冷庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【摘 要】本文針對(duì)廣西農(nóng)產(chǎn)品的冷庫(kù)存儲(chǔ)，設(shè)計(jì)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的冷庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括主控節(jié)點(diǎn)、無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，軟件包括無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集程序、主控節(jié)點(diǎn)程序和遠(yuǎn)程監(jiān)控程序三大部分，實(shí)現(xiàn)了冷庫(kù)內(nèi)溫濕度、二氧化碳數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng) 農(nóng)產(chǎn)品 冷庫(kù) 監(jiān)控系統(tǒng) 設(shè)計(jì)

【中圖分類(lèi)號(hào)】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2017）08C-0189-03

廣西地處南亞熱帶，是我國(guó)亞熱帶農(nóng)產(chǎn)品重要的生產(chǎn)基地之一。近年來(lái)，隨著中國(guó)—東盟自由貿(mào)易區(qū)的建立，廣西特色農(nóng)業(yè)得到了迅速發(fā)展，農(nóng)林牧漁業(yè)總產(chǎn)值逐年增加，農(nóng)產(chǎn)品貿(mào)易量明顯上升，農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)已成為廣西的支柱產(chǎn)業(yè)和農(nóng)民家庭收入的重要來(lái)源。然而，由于廣西農(nóng)產(chǎn)品種植面積的不斷擴(kuò)大，農(nóng)產(chǎn)品集中上市后，受到天氣、價(jià)格波動(dòng)及常溫存儲(chǔ)等因素的影響，農(nóng)產(chǎn)品腐爛變質(zhì)損失巨大。廣西由于經(jīng)濟(jì)條件落后，農(nóng)產(chǎn)品冷藏覆蓋率很低，大部分仍在常溫下進(jìn)行儲(chǔ)存，農(nóng)產(chǎn)品損耗率達(dá)20%-30%，水果蔬菜尤甚，腐爛變質(zhì)平均數(shù)為35%。廣西2015年水果產(chǎn)量1094.4萬(wàn)噸，年蔬菜產(chǎn)量2433萬(wàn)噸，如按1元/千克的損耗計(jì)算，新鮮果蔬每年由于腐爛而造成的損失達(dá)100多億元。如果將冷庫(kù)的濕度、溫度和二氧化碳等環(huán)境參數(shù)控制在合理的范圍，可以降低果蔬的腐爛損耗率。因此，建設(shè)現(xiàn)代化冷庫(kù)，延長(zhǎng)農(nóng)產(chǎn)品保質(zhì)期、降低農(nóng)民損失迫在眉睫。然而，廣西現(xiàn)有冷庫(kù)技術(shù)等級(jí)較低，現(xiàn)代化控制技術(shù)落后。基于此，本文采用物聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)等信息化技術(shù)，開(kāi)展有關(guān)廣西農(nóng)產(chǎn)品冷庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究。

一、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

農(nóng)產(chǎn)品冷庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)如圖1所示。系統(tǒng)以ARM-Coretex M4控制器為核心，由無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、環(huán)境設(shè)備控制節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)監(jiān)控中心組成。無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集冷庫(kù)的實(shí)時(shí)溫度、濕度和二氧化碳濃度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)處理后傳送給控制器，控制器將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)參數(shù)進(jìn)行比較，根據(jù)結(jié)果向環(huán)境設(shè)備控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制命令。上位機(jī)監(jiān)控中心通過(guò)以太網(wǎng)與控制器進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，可以讀取現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、設(shè)備參數(shù)，控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程系統(tǒng)監(jiān)控功能。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（一）主控節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。主控節(jié)點(diǎn)處于冷庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)的中間層，是連接上位機(jī)監(jiān)控中心、無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和環(huán)境設(shè)備控制節(jié)點(diǎn)的橋梁。主控節(jié)點(diǎn)與無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一對(duì)多無(wú)線(xiàn)ZigBee通信，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)采集和指令的交互，同時(shí)與監(jiān)控中心通過(guò)以太網(wǎng)通信，將來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控中心，并接收上位機(jī)發(fā)送的控制命令，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境設(shè)備進(jìn)行控制。

主控節(jié)點(diǎn)主要由ARM處理器、ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸模塊CC630、液晶顯示器、鍵盤(pán)、RJ45接口電路等構(gòu)成。系統(tǒng)選取NXP公司推出的基于ARM? Cortex?-M4內(nèi)核的低功耗微控制器LPC54102為控制核心。該控制器最大工作速度可達(dá)100MHz，GPIO資源豐富，各種功能接口齊全，包括RJ45網(wǎng)絡(luò)接口、I2C、USB、SPI、USART等，通過(guò)較少的硬件外圍電路就能夠滿(mǎn)足本系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)采集、數(shù)據(jù)處理和通信的需求。

（二）無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)是整個(gè)冷庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)的最底層，它和主控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行雙向無(wú)線(xiàn)通信，根據(jù)主控節(jié)點(diǎn)發(fā)出的控制指令，采集冷庫(kù)內(nèi)的濕度、溫度和二氧化碳參數(shù)，并發(fā)送至主控節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)由ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸模塊CC2630、溫濕度傳感器SHT75、二氧化碳傳感器等構(gòu)成。

CC2630是TI公司推出的一款面向 ZigBee應(yīng)用的無(wú)線(xiàn)微控制器，內(nèi)部集成了32位ARM Cortex-M3處理器和2.4GHzRF收發(fā)器，符合IEEE 802.15.4PHY和MAC。CC2630具有豐富的外設(shè)功能集，含GPIO、ADC、UART、SSI、I2C、I2S、通用定時(shí)器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC），無(wú)縫集成CC2590和CC2592范圍擴(kuò)展器，還包括一個(gè)獨(dú)特的超低功耗傳感器控制器，此傳感器控制器非常適合連接外部傳感器，還適合用于在系統(tǒng)其余部分處于睡眠模式的情況下自主收集模擬和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。SHT75一款數(shù)字式插針型溫濕度傳感器，溫度工作范圍為-40至+125℃，濕度工作范圍為0-100%相對(duì)濕度，溫度值輸出分辨率為12位，濕度值輸出分辨率為14位，溫度測(cè)量精度為±0.3℃，濕度測(cè)量精度為±1.8%RH，采樣數(shù)據(jù)通過(guò)I2C總線(xiàn)輸出。二氧化碳傳感器采用MH-Z14NDIR紅外氣體小模組，利用非色散紅外（NDIR）原理對(duì)空氣中存在的CO2進(jìn)行探測(cè)，提供UART、模擬電壓信號(hào)、PWM波形等多種輸出方式。無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)硬件電路圖

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本監(jiān)控系統(tǒng)軟件包括三大部分：無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集程序、主控節(jié)點(diǎn)程序和遠(yuǎn)程監(jiān)控程序。其中無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集程序主要包括對(duì)SHT75初始化、CC2630初始化、數(shù)據(jù)采集、發(fā)送等；主控節(jié)點(diǎn)程序包括數(shù)據(jù)處理、環(huán)境設(shè)備控制、遠(yuǎn)程通信等；遠(yuǎn)程監(jiān)控程序包括以太網(wǎng)通信接口配置和人機(jī)界面設(shè)計(jì)等。

（一）無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集程序。這部分程序主要是對(duì)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的CC2630模塊進(jìn)行編程。CC2630（RSM封裝）有10個(gè)GPIO，它們都可以通過(guò)IOC寄存器編程設(shè)置為普通IO、I2C接口、UART接口，因此在程序中，先進(jìn)行初始化，配置好各通信接口。初始化完成后，無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)會(huì)依據(jù)Zigbee搜索網(wǎng)絡(luò)，并請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)，請(qǐng)求得到確認(rèn)后，本節(jié)點(diǎn)會(huì)將自身的MAC地址發(fā)送給主控節(jié)點(diǎn)，并自動(dòng)與主控節(jié)點(diǎn)建立綁定。在接受到主控節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳送指令后，首先判斷接收到的MAC地址是否和本身地址匹配，如果匹配，采集節(jié)點(diǎn)就會(huì)將環(huán)境參數(shù)發(fā)送給主控節(jié)點(diǎn)。無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集程序流程圖如圖3所示。

圖3 無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集程序流程圖

（二）主控節(jié)點(diǎn)程序。主控節(jié)點(diǎn)程序主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)建立、數(shù)據(jù)收集和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境設(shè)備控制等功能。主控節(jié)點(diǎn)首先進(jìn)行初始化并設(shè)置好冷庫(kù)理想環(huán)境參數(shù)，再通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)通信模塊想無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信號(hào)建立無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)，然后在發(fā)送讀取指令接受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接收成功后與設(shè)定值進(jìn)行比較，判斷是否需要更改現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境設(shè)備狀態(tài)，將處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)傳送給上位機(jī)監(jiān)控中心。主控節(jié)點(diǎn)程序如圖4所示。

圖4 主控節(jié)點(diǎn)程序流程圖

（三）遠(yuǎn)程監(jiān)控程序。遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件平臺(tái)由OPC數(shù)據(jù)庫(kù)和ForceControl組態(tài)軟件組成，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)設(shè)定、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)查詢(xún)等功能。數(shù)據(jù)顯示可以采用曲線(xiàn)、柱形、表格等形式實(shí)時(shí)顯示在人機(jī)交互界面，也可以對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示；可通過(guò)動(dòng)作按鈕或者圖文動(dòng)畫(huà)對(duì)不同存儲(chǔ)類(lèi)型冷庫(kù)的環(huán)境參數(shù)閾值進(jìn)行設(shè)置；將采集的數(shù)據(jù)與閾值比較，若超出閾值范圍則實(shí)現(xiàn)報(bào)警并遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境設(shè)備的狀態(tài)。遠(yuǎn)程監(jiān)控人機(jī)交互界面如圖5所示。

圖5 遠(yuǎn)程監(jiān)控人機(jī)交互界面

四、結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的冷庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)采用基于LPC54102的物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，相對(duì)于傳統(tǒng)的冷庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)，具有下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)監(jiān)控，降低了人工成本；系統(tǒng)布局靈活，擴(kuò)展能力強(qiáng)；數(shù)據(jù)處理能力提升，系統(tǒng)可靠性提高；工作界面直觀(guān)，操作簡(jiǎn)單。系統(tǒng)測(cè)試運(yùn)行結(jié)果表明，系統(tǒng)控制精度高、響應(yīng)速度快且運(yùn)行穩(wěn)定，能夠充分滿(mǎn)足農(nóng)產(chǎn)品冷庫(kù)運(yùn)行條件的要求。

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【基金項(xiàng)目】2015年廣西教育廳高等學(xué)校科研一般項(xiàng)目“大型冷庫(kù)系統(tǒng)的綜合控制技術(shù)研究”（KY2015YB398）

【作者簡(jiǎn)介】陽(yáng)明霞（1984— ），女，廣西靈川人，碩士，柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用。

（責(zé)編 黎 原）