基于無線傳感網絡的冷庫液氨監控系統設計

【摘 要】本文利用無線傳感網絡，設計了一套基于CC2630和LPC4088FBD144的冷庫液氨無線監控系統，實現液氨壓力、溫度和氨氣濃度等數據的實時采集、傳輸和遠程監控。主要介紹了系統的現場采集節點和ARM主控節點的硬件設計以及ZigBee無線傳感網絡的軟件設計。

【關鍵詞】無線傳感網絡 冷庫 液氨 監控系統 設計

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2018）03C-0183-02

冷庫是易腐爛食品冷加工和存儲的主要場所，隨著人們對冷藏食品的需求日益增加，我國冷庫容量逐年遞增。在我國現有冷庫制冷系統中，絕大部分的冷庫采用液氨為制冷劑，液氨是一種無色但帶有刺激性氣味的氣體，易燃、易溶于水，濃度10%以上的氨氣即屬于毒品法規定范圍內，并被視為二級毒品。一旦發生泄漏事故，將對人體和周圍設施產生極大的影響，輕者造成人員傷害和設備損害，重者造成人員傷亡及生產停產事故，后果不堪設想。而冷庫制冷設備眾多、結構復雜、液氨儲量較大，使得冷庫一旦發生液氨泄漏事故，具有不同于普通液氨泄漏的特點，處置難度極大。因此，做好冷庫液氨的監控工作具有重要意義。經過實地調研發現，目前冷庫液氨監控系統十分簡陋，一般僅在現場使用氨氣濃度報警器，信息不能遠距離傳遞，無法進行遠程智能控制。針對傳統冷庫液氨監控系統的缺點和不足，本文設計了一種基于無線傳感網絡的冷庫液氨監控系統。

一、系統方案設計

冷庫液氨無線監控系統由若干個現場采集節點、一個ARM主控節點和一個遠程監控中心構成，系統框架圖如圖1所示。

現場采集節點主要負責冷庫液氨參數的采集和傳輸。由傳感器模塊和ZigBee無線收發模塊構成，傳感器模塊包括氨氣濃度傳感器、液位變送器、壓力變送器、溫度傳感器。傳感器模塊采集氨氣濃度、液氨液位、氨氣壓力和溫度參數，經過處理后，由ZigBee無線收發模塊發送至ARM主控節點。

ARM主控節點主要負責冷庫液氨參數的接收、參數實時顯示、報警、GPRS數據傳輸和安全聯動等。以ARM-Coretex M4控制器為核心，包括ZigBee無線收發模塊、GPRS無線通信模塊、觸摸屏顯示模塊、聲光報警模塊、安全聯動模塊。ARM-Coretex M4控制器通過ZigBee無線網絡從現場采集節點接收冷庫液氨參數后，對數據進行分析和顯示，并通過GPRS無線通信網絡將數據傳送至遠程監控中心。若分析判斷現場處于高危狀態，則啟動聲光報警模塊和安全聯動模塊，同時通過GPRS無線通信網絡向相關人員發送報警短信。

遠程監控中心主要負責接收冷庫現場的各個參數，包含上位監控主機和相關人員的手機兩部分，通過GPRS網絡與ARM主控節點通信，由上位機數據庫和監控軟件對數據進行存儲、管理、分析和顯示，相關人員手機在高危狀態時會接收到來自現場的報警短信。

二、系統硬件設計

（一）現場采集節點硬件設計。現場采集節點是整個冷庫液氨監控系統的最底層，它和ARM主控節點進行雙向ZigBee無線通信，周期采集冷庫液氨參數，并發送至主控節點。節點由ZigBee無線收發器CC2630、溫度傳感器TMP75B、氨氣濃度傳感器、壓力變送器和液位變送器構成，現場采集節點硬件電路圖如圖2所示。

CC2630器件是TI公司推出的一款面向ZigBee遠程控制應用的ARM Cortex-M3無線微控制器。具有128KB系統內可編程閃存，8KB緩存靜態RAM；包含豐富的外設功能集，所有數字外設引腳均可連接任意GPIO，四個通用定時器模塊，12位模數轉換器、200MSPS、8通道模擬多路復用器，UART，2個同步串行接口（SSI），I2C，I2S；具有2.4GHz RF收發器，符合低功耗（BLE）4.1規范及IEEE 802.15.4 PHY和MAC；還包括一個獨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，還適合用于在系統其余部分處于睡眠模式的情況下自主收集模擬和數字數據。

TMP75B是一款集成數字溫度傳感器，此傳感器具有一個可由1.8V電源供電運行的12 位模數轉換器，不需要外部元件便可測溫，以12位分辨率讀取溫度，可在-55℃至+125℃溫度范圍內額定運行，具有標準兩線制串行接口的數字輸出。

壓力變送器選用-龍瑞斯7011隔爆型壓力變送器，輸出信號為4～20mA兩線制模擬輸出。液位變送器采用龍瑞斯8033超聲波液位變送器，采用非接觸式測量，安裝方便，在測量中脈沖超聲波由傳感器發出，聲波經液體表面反射后被傳感器接收，轉換成4～20mA電信號。

由于冷庫溫度較低，普通的電化學型氨氣濃度傳感器不能正常使用，本文選用TGS826型氨氣傳感器，該傳感器采用24V電壓供電，測量范圍從30至300ppm，靈敏度為0.4-0.7，能在-40℃至+80℃溫度范圍內正常工作，是較理想的冷媒臨界安全檢測傳感器。

（二）ARM主控節點硬件設計。ARM主控節點以ARM控制器為中心，擴展了聲光報警、GPRS通信、觸摸屏顯示、ZigBee無線收發、安全聯動等外部功能設備。ARM控制器選用NXP公司基于ARM Cortex-M4的數字信號控制器LPC4088FBD144，該控制器包含有512 kB的flash存儲器、96 kB的RAM存儲器、4kB的EEPROM存儲器、LCD、以太網、USB、CAN、5個UART、3個SPI閃存接口、3個I2C總線接口、4個通用定時器、2個通用PWM和165個GPIO等豐富的外設。

GPRS通信模塊裝載SIM卡后與LPC4088FBD144的串口UART1連接，LPC4088FBD144發送相關指令就可以通過GPRS無線通信網絡與上位主機通信或發送短信到相關人員的手機。

安全聯動模塊主要由繼電器和電磁閥構成，由LPC4088FBD144的GPIO引腳控制繼電器啟停電磁閥。當有液氨泄漏或溫度升高時，可以打開噴淋系統的電磁閥吸收氨氣或降低溫度；當液氨管道壓力過大時，可以打開泄壓電磁閥，將液氨泄壓到備用罐。

三、ZigBee無線傳感網絡軟件設計

現場采集節點與ARM主控節點之間通過ZigBee網絡傳輸數據及指令。每個現場采集節點都包含有一個ZigBee無線收發器，作為網絡的終端設備，對現場的溫度、氨氣濃度和壓力等參數進行采樣并發送給主控節點。與LPC4088FBD144連接的ZigBee無線收發器，作為網絡的協調器，負責啟動和配置ZigBee無線網絡，并監聽現場所有的采集節點。

ARM主控節點上電自檢初始化后，搜索可用信道并基于最優信道能量選擇最好的組網信道，生成唯一的PINID，設置主控節點的網絡地址為0x0000，至此網絡建立成功。網絡啟動后，主控節點監聽現場采集節點的入網請求信息，若收到有效的入網請求信息，先查詢是否還有空閑網絡地址，如有空閑地址且同意該節點加入網絡，主控節點則分配一個16位的地址給請求節點，主控節點和現場采集節點組網成功，主控節點組網程序流程圖如圖3所示。

圖3 主控節點組網程序流程圖

四、結論

本文利用無線傳感網絡，設計了一套基于CC2630和LPC4088FBD144的冷庫液氨無線監控系統。本系統完成了冷庫液氨參數的自動采集和遠程傳輸，提高了工作效率；改變了傳統冷庫液氨落后的管理方式，實現無人值守，節省了人工成本；系統運行可靠，保障了冷庫財產和工作人員的安全。

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【基金項目】2015廣西教育廳高等學校科研項目“大型冷庫系統的綜合控制技術研究”（KY2015YB398）

【作者簡介】陽明霞（1984— ），女，廣西靈川人，柳州職業技術學院電子與信息工程學院講師，研究方向：物聯網技術應用。

（責編 蘇 洋）