農(nóng)產(chǎn)品儲運監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

劉雪雪，劉笑笑，符凱娟，王　強，王　鈞

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

0　引言

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展以及人們生活水平的不斷提高，人們消費觀念發(fā)生了很大的轉(zhuǎn)變，對果蔬等農(nóng)產(chǎn)品的需求趨向綠色、新鮮、安全。據(jù)統(tǒng)計，從摘取、運送到儲存等物流環(huán)節(jié)，果蔬損失率約為25%～30%，每年虧損數(shù)千億元[1]。由于在農(nóng)產(chǎn)品儲運過程中存在諸多問題，設(shè)計一個完善、可靠的儲運監(jiān)控系統(tǒng)至關(guān)重要[2]。

以往的農(nóng)產(chǎn)品運輸系統(tǒng)大多為有線通信，雖具有抗干擾、運行可靠等優(yōu)點,但存在布線繁瑣、不利于布局改動以及后期維護等諸多問題[2]。近年來興起的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠較好地解決這些問題。其具有節(jié)點體積小、成本低、可自組網(wǎng)絡(luò)等特點。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目的是感應(yīng)、采集和處理分析環(huán)境信息并發(fā)送給監(jiān)測者。該技術(shù)已在國外得到了廣泛應(yīng)用。近年來，該技術(shù)在國內(nèi)也得到了快速發(fā)展。黃成麗等[3]研究了ZigBee 技術(shù)在智能家居平臺的應(yīng)用方案；葉美松等[4]結(jié)合 ZigBee 技術(shù)，設(shè)計了溫室大棚系統(tǒng)；潘鶴立等[5]基于ZigBee和3G/4G技術(shù)，設(shè)計了分布式果園遠程環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。本文將ZigBee技術(shù)、4G技術(shù)與嵌入式技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建了一個低成本、低功耗的農(nóng)產(chǎn)品儲運監(jiān)控系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計

農(nóng)產(chǎn)品儲運監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)以CC2430芯片為核心，開發(fā)了無線傳感器節(jié)點[6]；利用S5PC110微處理器，開發(fā)了嵌入式網(wǎng)關(guān)管理平臺。無線通信網(wǎng)絡(luò)根據(jù)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)可分為星形、網(wǎng)狀、簇狀3種類型。本系統(tǒng)搭建星形網(wǎng)絡(luò)，即只有一個協(xié)調(diào)器節(jié)點，以及多個終端節(jié)點。

終端節(jié)點將采集到的環(huán)境溫度、濕度、二氧化碳濃度等信息通過路由器傳送至協(xié)調(diào)器節(jié)點。協(xié)調(diào)器對這些數(shù)據(jù)進行相關(guān)處理后，通過RS-485串口將數(shù)據(jù)送至本地的嵌入式網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)不僅要對接收到的數(shù)據(jù)進行分析、處理、保存，并將其傳至遠程監(jiān)控中心與用戶手機終端，還需作出相應(yīng)的控制措施。比如，當(dāng)溫度高于農(nóng)產(chǎn)品的適宜儲藏溫度，打開空調(diào)。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計

2.1.1ZigBee技術(shù)在儲運系統(tǒng)中的應(yīng)用

考慮到長距離、長周期的農(nóng)產(chǎn)品儲運，所用技術(shù)必須低功耗、低成本。而IEEE 802.15.4標準正是以低功耗、低成本為主要目標，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各個設(shè)備得以相互連通?；诖藰藴实腪igBee技術(shù)完全符合此要求。

2.1.2無線傳感器節(jié)點組成

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點由傳感器、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸和電源管理等模塊所構(gòu)成[7]。在本系統(tǒng)中，傳感器模塊負責(zé)采集車廂內(nèi)的環(huán)境信息；數(shù)據(jù)處理模塊主要控制節(jié)點，實現(xiàn)采集信息處理操作、路由通信協(xié)議、同步定位管理、功耗控制以及任務(wù)管理等功能[8]；數(shù)據(jù)傳輸模塊通過與其他節(jié)點建立連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的相互傳輸；電源管理模塊負責(zé)為系統(tǒng)供電。

2.1.3硬件選擇

①SoC芯片CC2430。

CC2430是系統(tǒng)級芯片(system on chip,SoC)CMOS解決方案的產(chǎn)物。它將2.4 GHz直接序列展頻(direct sequence spread spectrum,DSSS)射頻收發(fā)器和8051芯片控制器相結(jié)合，不僅能提高系統(tǒng)性能，可應(yīng)用于以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4 GHz ISM波段[9]，而且滿足低成本、低功耗的要求。CC2430的RAM為8 KB，且有3種不同版本的外圍模塊。它們按照不同的閃存空間(32 KB、64 KB和128 KB)來優(yōu)化復(fù)雜度與成本的組合[9]。

②傳感器。

根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)在農(nóng)產(chǎn)品儲運過程中的功能要求，選用SHT71溫濕度傳感器，對監(jiān)控范圍內(nèi)的溫度、濕度信息進行采集。SHT71是數(shù)字型溫濕度傳感器，具有功耗低、響應(yīng)應(yīng)時間短、穩(wěn)定性高等優(yōu)點，待機電流為0.3 μA[10]。系統(tǒng)采用GSS-COZIR二氧化碳傳感器。該傳感器的特點是超低功耗(3.5 mW)和高精度，適用于由電池供電的便攜式儀器和設(shè)備。

③電源模塊。

電源為整個系統(tǒng)的運行提供所需的穩(wěn)定電壓。該系統(tǒng)采用容量為1 500 mAh的單節(jié)鋰電池，并采用AP5056型電池充電管理芯片。它是一款采用恒定電流/電壓(4.2 V)的鋰離子電池。

2.2　嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計

2.2.1S5PC110微處理器特點

系統(tǒng)采用S5PC110微處理器，其主頻可達1 GHz，具有功耗低、尺寸小、穩(wěn)定性和可靠性高的特點。此外，S5PC110擁有多種外圍接口，可供多種驅(qū)動設(shè)備和軟件使用，適用于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)和設(shè)計。

2.2.2嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)

S5PC110的主板由核心板和底板構(gòu)成。這兩板的接口采用Molex公司生產(chǎn)的0.635 mm表貼接插件，支持HDMI、VGA等顯示，板上可以搭載無線WiFi、GPS導(dǎo)航、藍牙、攝像頭等模塊。搭建的嵌入式網(wǎng)關(guān)以S5PC110為核心，硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖

①nRF24L01是新型單片射頻收發(fā)器件，工作于2.4～2.5 GHz ISM頻段，數(shù)據(jù)傳輸率為1 Mb/s或2 Mb/s。其功耗低、節(jié)能性好，滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

②ME906V型4G模塊支持WCDMA(HSDPA/HSUPA)通信標準，可以實現(xiàn)語音、短信、高速數(shù)據(jù)交換等業(yè)務(wù)。其上行速度可達5.76 Mb/s，下行速度可達7.2 Mb/s。

③CCD傳感器在靈敏度、分辨率以及抑制噪聲方面有顯著優(yōu)點，完全滿足監(jiān)控系統(tǒng)對圖像采集的需求。

④GPS模塊采用GR-85模塊。該模塊主要負責(zé)對GPS定位信息的讀取和解析[11]。

⑤通用外圍接口。嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)具有豐富的外圍接口資源。其中，LCD液晶屏可顯示用戶所需的實時信息和可觸摸型系統(tǒng)操作界面，便于用戶對系統(tǒng)的操作。USB接口用于外接標準鍵盤。以太網(wǎng)接口選用Realtek公司的RTL8201RT網(wǎng)卡芯片，是一種單接口收發(fā)器，可實現(xiàn)10/100 MB以太網(wǎng)物理層的全部功能[12]。串行接口采用RS-485型。

⑥該系統(tǒng)的存儲模塊拓展了256 MB SDRAM的內(nèi)存和1 024 MB SLC NAND Flash的外圍存儲器。

⑦電源電路。該系統(tǒng)采用5 V穩(wěn)壓電源作為系統(tǒng)電壓輸入，通過低壓線性穩(wěn)壓電源芯片LDO穩(wěn)壓輸出3.3 V和2.5 V[13]。電源芯片采用LT1086CM-33芯片和LT1761芯片。

3　系統(tǒng)軟件開發(fā)

3.1　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計

3.1.1ZigBee協(xié)議棧

ZigBee技術(shù)具有傳輸距離短(5～10 m)、速度慢(250 Kb/s、20 Kb/s、40 Kb/s)、時延短、網(wǎng)絡(luò)容量大等通信特點，適合無線連接。它具有相應(yīng)的ZigBee協(xié)議標準，可協(xié)調(diào)多個微小的傳感器，從而實現(xiàn)通信功能。

ZigBee的底層協(xié)議是基于IEEE 802.15.4標準制定的，且滿足無線傳感器的低成本、低功耗、高容錯性等要求。底層協(xié)議僅含有低級介質(zhì)訪問控制(media access control,MAC)層和物理(physical,PHY)層的協(xié)議，因而ZigBee聯(lián)盟制定了其他層的協(xié)議[14]。

ZigBee設(shè)備應(yīng)該包括IEEE 802.15.4標準的MAC層、PHY層和ZigBee堆棧層。

3.1.2應(yīng)用層軟件設(shè)計

應(yīng)用層開發(fā)主要是編寫各個傳感器和控制節(jié)點的驅(qū)動程序。

①溫濕度傳感器驅(qū)動。

運用ZigBee協(xié)議框架，對SHT71數(shù)字傳感器節(jié)點編程。編寫的.c文件主要實現(xiàn)將數(shù)字傳感器采集的溫濕度信息傳至顯示器。

②二氧化碳濃度傳感器驅(qū)動。

本文采用GSS-COZIR二氧化碳傳感器。該傳感器是基于IR LED、探測器技術(shù)和專利設(shè)計的光學(xué)檢測腔體。在本系統(tǒng)中，該傳感器主要通過探測頭對環(huán)境氣體進行調(diào)整處理[15]。

③控制節(jié)點驅(qū)動。

控制節(jié)點與傳感器節(jié)點都屬于終端節(jié)點，預(yù)設(shè)有溫濕度、二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù)值。將傳感器等采集到的實時信息與預(yù)設(shè)值相比較，若有差距則控制空調(diào)、加濕器、除濕器等設(shè)備的開閉，使得農(nóng)產(chǎn)品存儲在較為良好的環(huán)境條件中，延長其保質(zhì)期。

3.2　嵌入式網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計

隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的逐漸成熟，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了快速發(fā)展，并被廣泛應(yīng)用于人們的生產(chǎn)和生活中，如精準農(nóng)業(yè)、智能家居等。由于ZigBee協(xié)議與TCP/IP協(xié)議不兼容，所以采用網(wǎng)關(guān)來搭橋。網(wǎng)關(guān)可以實現(xiàn)兩個異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)(例如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和移動4G網(wǎng)絡(luò))之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，因而用戶可以在計算機端或手機終端觀測車廂內(nèi)的環(huán)境信息。當(dāng)某些參數(shù)超過設(shè)置值時，還可以直接發(fā)送命令，比如打開空調(diào)、除濕器等設(shè)備。由此可見，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對農(nóng)產(chǎn)品儲運的遠程監(jiān)控。

網(wǎng)關(guān)是整個儲運監(jiān)控系統(tǒng)的核心，它將ZigBee協(xié)調(diào)器與標準串口相連，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中包含協(xié)調(diào)器節(jié)點和終端節(jié)點。協(xié)調(diào)器節(jié)點的功能是：接收終端節(jié)點所收集到的數(shù)據(jù)信息；對數(shù)據(jù)進行相關(guān)處理后，通過串口傳至計算機遠程監(jiān)控端或通過無線網(wǎng)絡(luò)傳至手機終端。終端節(jié)點的主要功能是：收集車廂內(nèi)的溫濕度、二氧化碳濃度等信息，再將信息處理后傳至協(xié)調(diào)器節(jié)點[16]。

系統(tǒng)中，終端采集節(jié)點主要包含視頻監(jiān)控模塊、4G模塊、GPS定位模塊。攝像頭的主要任務(wù)就是將獲取的監(jiān)控畫面實時傳輸?shù)角度胧骄W(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，以便用戶隨時查看所監(jiān)控的環(huán)境畫面。4G模塊是手機終端與整個嵌入式系統(tǒng)建立聯(lián)系的橋梁。GPS模塊可以為系統(tǒng)提供地理位置信息，以保證農(nóng)產(chǎn)品來源的可靠性，同時也可起到導(dǎo)航的作用。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

嵌入式系統(tǒng)是整個網(wǎng)關(guān)平臺的核心，它起到協(xié)調(diào)各個設(shè)備正常工作的作用。嵌入式網(wǎng)關(guān)平臺應(yīng)用程序主要分為人機交互界面、數(shù)據(jù)通信和網(wǎng)絡(luò)等的開發(fā)[2]。對比其他技術(shù)，QT技術(shù)便于用戶開發(fā)人機交互界面，以及進行一些相對容易的額外擴展，真正地實現(xiàn)組件編程。操作系統(tǒng)使用的是紅旗Linux(Red-flag Linux)，采用TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)。嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.3　上位機系統(tǒng)軟件設(shè)計

上位機系統(tǒng)軟件是基于Windows 7操作系統(tǒng)開發(fā)的，采用圖形化設(shè)計顯示器界面，便于用戶使用。顯示內(nèi)容包括溫度、濕度以及一些控制設(shè)置。采集到的各類實時數(shù)據(jù)被保存到數(shù)據(jù)庫中，以便用戶對相關(guān)設(shè)備(空調(diào)、加濕器、除濕器等)進行操控，對歷史數(shù)據(jù)進行查詢。上位機系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　上位機系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

4　系統(tǒng)性能測試

4.1　測試方案

系統(tǒng)性能測試在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)一個封閉性的實驗室中進行。測試器材為4個終端節(jié)點、1個路由器、1個協(xié)調(diào)器、嵌入式網(wǎng)關(guān)平臺、上位機。將路由器、協(xié)調(diào)器、網(wǎng)關(guān)、上位機都放置在靠近實驗室門的位置。4個終端節(jié)點分別實現(xiàn)實驗室內(nèi)溫濕度、二氧化碳濃度的采集和對空調(diào)、加濕器、除濕器的控制。這4個節(jié)點被兩兩交叉，通過掛鉤分別置于距離地面1 m、2.5 m、1 m、2.5 m的高度。數(shù)據(jù)采樣間隔設(shè)置為5 min，實驗室內(nèi)溫度設(shè)置為18 ℃和26 ℃，相對濕度設(shè)置為40%。

4.2　測試結(jié)果

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在30 s內(nèi)完成搭建，且在整個測試中系統(tǒng)性能表現(xiàn)良好。隨后，協(xié)調(diào)器節(jié)點將終端節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)通過RS-485串口發(fā)送至嵌入式網(wǎng)關(guān)。溫度為18 ℃和26 ℃時的節(jié)點包接收率曲線如圖6所示。

圖6　節(jié)點包接收率曲線

從圖6可以看出，整個系統(tǒng)性能較好，可以正常使用。該系統(tǒng)采用溫濕度、氣體濃度傳感器采集數(shù)據(jù)，并通過WiFi傳至上位機，由LCD液晶屏顯示數(shù)據(jù)。

以下對顯示結(jié)果進行分析。開始測試時，實驗室的溫度高于設(shè)定值26 ℃，且濕度不足設(shè)定值的40%。此時，空調(diào)、加濕器、除濕器等設(shè)備自動開啟。經(jīng)過數(shù)分鐘后，環(huán)境參數(shù)達到設(shè)定值，相關(guān)設(shè)備停止工作。通過對數(shù)據(jù)采樣時間間隔的合理控制，同時考慮到節(jié)點的休眠喚醒特點，容量為1 500 mAh的單節(jié)鋰電池可使無線傳感器節(jié)點正常工作長達半年之久。

5　結(jié)束語

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、4G技術(shù)和嵌入式技術(shù)，對農(nóng)產(chǎn)品的儲運監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件進行了設(shè)計。

通過傳感器端節(jié)點對車廂溫濕度、二氧化碳濃度進行采集，由協(xié)調(diào)器節(jié)點將數(shù)據(jù)通過串口RS-485傳至嵌入式網(wǎng)關(guān)，再顯示到上機位中，實現(xiàn)了對農(nóng)產(chǎn)品儲運鏈的實時監(jiān)控。在某學(xué)校實驗室的測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以運用到實際的農(nóng)產(chǎn)品儲運鏈路中。

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