基于ARM9的智能冷庫系統(tǒng)設(shè)計

吳 軍，傅 強，任華清，張卓妍

（河海大學(xué)機電工程學(xué)院，江蘇 常州213000）

0 引言

隨著食品工業(yè)的迅速發(fā)展，冷庫制冷系統(tǒng)的自動化已成為了當今冷庫生產(chǎn)管理的必備功能。目前國際上，歐美一些發(fā)達國家的冷庫管理系統(tǒng)幾乎全部進入智能化時代，而我國在這方面卻還處于起步階段，因此，先進的冷庫管理系統(tǒng)成了當前的迫切需求。在當前數(shù)字信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速發(fā)展的后PC時代，嵌入式系統(tǒng)已廣泛滲入到工業(yè)控制等各個領(lǐng)域。隨著ARM微處理器和嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展，ARM9處理器已成為嵌入式開發(fā)的主流。系統(tǒng)采用嵌入式技術(shù)，以實現(xiàn)冷庫的自動化控制。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

冷庫管理系統(tǒng)主要由3部分組成：安裝在冷庫各個區(qū)域的溫度采集模塊、安裝在冷庫門上的主控系統(tǒng)和上位機。系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計

溫度采集模塊的核心是AVR單片機，它連接著溫度傳感器，用來采集冷庫中各個區(qū)域的溫度。所有溫度采集模塊組成了基于ZigBee協(xié)議的傳感器網(wǎng)絡(luò)，它是一個網(wǎng)狀的構(gòu)架，網(wǎng)絡(luò)里面的任意2個溫度采集模塊都能互相傳遞信息，這樣所有采集的數(shù)據(jù)就可以匯聚到主控系統(tǒng)，并且采用網(wǎng)狀構(gòu)架具有快速愈合的能力，某一個模塊發(fā)生故障的時候，不會影響到整個系統(tǒng)的運行。主控系統(tǒng)主要是用來接收所有溫度采集模塊的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)通過3G網(wǎng)絡(luò)傳送到上位機，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)控制壓縮機的運行。主控系統(tǒng)連著觸摸屏，工作人員可以直觀地看到冷庫的運行狀況，在特殊情況的時候，還可以手動調(diào)整冷庫的運行。此外，控制系統(tǒng)具有預(yù)警功能，如果冷庫溫度異常，蜂鳴器就會發(fā)出報警，這樣工作人員就能提前發(fā)現(xiàn)問題。上位機主要是將接收的數(shù)據(jù)自動記錄自動保存，這樣隨時可以查看歷史記錄，一旦有事情發(fā)生，就可以迅速找出緣由，提高客戶信心。上位機應(yīng)用程序的編寫選用Visual Basic。

2 溫度采集模塊的設(shè)計

溫度采集模塊的主要功能是通過溫度傳感器采集數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街骺叵到y(tǒng)，其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。它的核心是一塊ATTINY2313處理器，ATTINY2313是基于增強的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器，擁有18個通用的I／O口，可以通過SPI接口或非易失性儲存器編程器對程序儲存器進行系統(tǒng)內(nèi)編程，因此，可以滿足系統(tǒng)要求。

溫度傳感器采用DS18B20，它與傳統(tǒng)熱敏電阻不同的是，采用集成芯片和單總線控制技術(shù)，在使用中不需要任何外圍的原件，能夠有效地減少外界的干擾，適用于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由4部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、配置寄存器、溫度報警觸發(fā)器TH和TL［1］。工作時，系統(tǒng)初始化，進行ROM讀取，若指令成功地使DS18B20完成溫度測量，數(shù)據(jù)將存儲到存儲器，然后，單片機就可以通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時低位在前，高位在后。DS18B20在出廠時已配置為12位，讀取溫度時共讀取16位，所以把后11位的2進制轉(zhuǎn)化為10進制后，再乘以0．062 5便為所測的溫度。此外還需要判斷正負，當前5位為1時，讀取的溫度為負數(shù)；當前5位為0時，讀取的溫度為正數(shù)。其測量范圍為－55～＋125℃，在－10～＋85℃ 范圍內(nèi)精度為±0．5℃［1］。

CC2420射頻收發(fā)器性能穩(wěn)定，功耗極低。利用此芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備，支持數(shù)據(jù)傳輸率高達250 Kb／s，可以實現(xiàn)多點對多點的快速組網(wǎng)［2］。此外，該芯片還具有硬件加密、安全可靠和抗毀性能強等特點，完全適用于系統(tǒng)。CC2420與處理器的連接十分方便，如圖2所示，通過SPI接口交換數(shù)據(jù)，接收來自處理器的命令，使用SFD，F(xiàn)IFO，F(xiàn)IFOP和CCA 4個引腳表示收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài)。

圖2 溫度采集模塊

3 主控系統(tǒng)設(shè)計

主控系統(tǒng)主要任務(wù)是接收溫度采集模塊的信號，并將這些數(shù)據(jù)通過3G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴衔粰C，此外將這些數(shù)據(jù)顯示到觸摸屏上，并根據(jù)冷庫內(nèi)溫度和儲存要求控制壓縮機的運行。主控系統(tǒng)采用基于LPC3250的開發(fā)平臺［3］。

嵌入式操作系統(tǒng)用于負責(zé)嵌入式系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、任務(wù)調(diào)度，控制、協(xié)調(diào)并發(fā)活動。嵌入式操作系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的可靠性能、充分發(fā)揮了處理器的多任務(wù)潛力，而且嵌入式操作系統(tǒng)的程序編寫采用模塊化設(shè)計，每個任務(wù)模塊的調(diào)試、修改幾乎不會影響其他模塊，因此，程序編寫相對簡單方便。嵌入式操作系統(tǒng)通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動接口、通信協(xié)議、圖形界面和標準化瀏覽器等［4］。冷庫管理系統(tǒng)根據(jù)冷庫運行的實際需求和硬件結(jié)構(gòu)，選用Linux嵌入式操作系統(tǒng)。Linux是目前最流行的一款開放源代碼的操作系統(tǒng)，它內(nèi)核精簡，性能高、穩(wěn)定，具有良好的多任務(wù)支持，并且外設(shè)接口統(tǒng)一，以設(shè)備驅(qū)動程序的方式為應(yīng)用提供統(tǒng)一的外設(shè)接口。

壓縮機機組由機組自帶的控制系統(tǒng)（一般為PLC）控制，由于壓縮機組自帶的是歐姆龍控制系統(tǒng)，因此，它與主控系統(tǒng)之間采用RS232－DB9的串口連接。

主控系統(tǒng)集成了觸摸屏，單片機采集的數(shù)據(jù)直接通過數(shù)據(jù)庫的連接由圖形界面顯示。觸摸屏還可以直接控制壓縮機的開關(guān)，這樣工作人員可以直接在現(xiàn)場操作系統(tǒng)，節(jié)省了去監(jiān)控室操作的時間。系統(tǒng)的應(yīng)用程序窗口界面采用Qt Creator編寫實現(xiàn)，它是一款跨平臺的C＋＋圖形用戶界面應(yīng)用程序框架，給應(yīng)用程序開發(fā)者提供所需要的所有功能，而且是完全面向?qū)ο蟮模苋菀讛U展，允許真正的組件編程［5］。采用輕量級跨平臺集成開發(fā)環(huán)境Qt Creator所編輯的界面如圖3所示。

圖3 顯示屏菜單界面

4 關(guān)鍵技術(shù)

4．1 無線傳輸

傳統(tǒng)的冷庫系統(tǒng)采用布線的方式，一旦冷庫很大、或者有多個大的冷庫，那么開挖墻面布線就非常難，而且線頭很多，監(jiān)控室看上去非常雜亂，甚至滋生安全事故。而使用無線傳輸技術(shù)，安裝工作非常簡單快捷，不需要花費大量的勞動力成本，因為全是模塊化設(shè)計，如果冷庫需要擴建，或者拆除，會非常方便。因此，系統(tǒng)選擇使用無線網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)架。

系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示，一共分為3層。第1層為使用ZigBee協(xié)議的溫度采集模塊網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)采用帶有快速鄰居發(fā)現(xiàn)與更新的自組織網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，當某一個溫度采集模塊無法運行的時候，不會影響到整個系統(tǒng)的運行。第2層為匯聚網(wǎng)關(guān)層，就是將所有的溫度傳感器的數(shù)據(jù)，根據(jù)要求傳送到各個匯聚網(wǎng)關(guān)，也就是主控系統(tǒng)中，主控系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)的要求，控制制冷系統(tǒng)的運行。第3層為主控系統(tǒng)與監(jiān)測控制中心站。3G網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)傳輸率高的特點。使用3G網(wǎng)絡(luò)可以基本滿足冷庫很大或者有很多冷庫的要求，并可以降低研發(fā)和部署成本。系統(tǒng)通過采用3層的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，不僅條理分明，便于軟件的設(shè)計，而且各個網(wǎng)絡(luò)頻段不一樣，不會互相干擾，提高了數(shù)據(jù)傳送的穩(wěn)定性。

圖4 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

4．2 風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)

風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)，就是根據(jù)所研究對象的特點，通過收集相關(guān)的資料信息，監(jiān)控風(fēng)險因素的變動趨勢，并評價各種風(fēng)險狀態(tài)偏離預(yù)警線的強弱程度，向決策層發(fā)出預(yù)警信號并提前采取預(yù)控對策的系統(tǒng)。因此，要構(gòu)建預(yù)警系統(tǒng)，首先，構(gòu)建評價指標體系，并對指標類別加以分析處理；其次，依據(jù)預(yù)警模型，對評價指標體系進行綜合評判；最后，依據(jù)評判結(jié)果設(shè)置預(yù)警區(qū)間，并采取相應(yīng)對策。由于管理系統(tǒng)會自動記錄自動保存歷史數(shù)據(jù)到上位機，所以可以構(gòu)建冷庫運行評價指標體系，使管理系統(tǒng)實時監(jiān)控冷庫的運行狀態(tài)。一旦有發(fā)生事故風(fēng)險的時候，蜂鳴器就會發(fā)出聲音，從而提前做出預(yù)警，而不是像傳統(tǒng)的冷庫系統(tǒng)那樣，只能等到事故發(fā)生了，才去解決。這樣從源頭解決問題，不僅減少了損失，而且降低了勞動強度。

5 結(jié)束語

冷庫管理系統(tǒng)采用基于LPC3250的嵌入式開發(fā)平臺，不僅可靠性高、抗干擾能力強，而且結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便。此外，采用模塊化設(shè)計，不僅方便系統(tǒng)的維修，而且擴展能力強，可以加入其他模塊，提高系統(tǒng)性能。相對于傳統(tǒng)的冷庫管理系統(tǒng)，智能冷庫系統(tǒng)有著以下幾點優(yōu)勢：制冷系統(tǒng)全部是自動監(jiān)控運行，基本上不需要人值守，節(jié)省了人工成本；冷庫的溫度數(shù)據(jù)是自動記錄、自動保存的，可以查詢歷史記錄，方便找出故障的原因，增強了客戶的信心；具有多重安全預(yù)警和防護系統(tǒng)，一旦發(fā)生事故，可以有效降低損失。因此，智能冷庫系統(tǒng)具有較高的市場應(yīng)用價值。

［1］ 李 鋼，趙彥峰．1－Wire總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20原理及應(yīng)用［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2005，（21）：77－79．

［2］ 徐勇軍，安竹林，蔣文豐，等．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗教程［M］．北京：北京理工大學(xué)出版社，2008．

［3］ 桂電－豐寶聯(lián)合實驗室．基于LPC3250的嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2010．

［4］ 王洪輝．嵌入式系統(tǒng)Linux內(nèi)核開發(fā)實戰(zhàn)指南（ARM平臺）［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2009．

［5］ 宋寶華．Linux設(shè)備驅(qū)動開發(fā)詳解［M］．北京：人民郵電出版社，2009．