基于無線網(wǎng)絡(luò)的冷藏車遠(yuǎn)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(luò)的冷藏車遠(yuǎn)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(xué)院 a. 工程技術(shù)學(xué)院，b. 食品科學(xué)與生物工程學(xué)院，天津 300384）

為防止貨物在運(yùn)輸過程中腐爛變質(zhì)，確保冷藏車內(nèi)的環(huán)境達(dá)到食品冷凍和保鮮的條件，設(shè)計(jì)了一種冷藏車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)監(jiān)控部分由ZigBee采集網(wǎng)絡(luò)和GSM/GPRS數(shù)據(jù)傳輸兩部分構(gòu)成。在單片機(jī)作用下，采集節(jié)點(diǎn)對冷藏車內(nèi)的溫度、濕度、乙烯濃度和CO2濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，多終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成數(shù)據(jù)采集ZigBee網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)通過GSM/GPRS將采集的信息傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，控制中心根據(jù)設(shè)定的環(huán)境閾值，通過單片機(jī)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)對溫度、濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)。若有異常，系統(tǒng)啟動(dòng)聲光報(bào)警。

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

隨著我國經(jīng)濟(jì)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(lǐng)域中，冷藏車運(yùn)輸因其方便、靈活，已成為冷鏈運(yùn)輸?shù)闹饕\(yùn)輸方式。在冷藏車運(yùn)送過程中，為確保食品的營養(yǎng)價(jià)值和食用價(jià)值，避免食品腐臭、過期以及數(shù)目上的缺失，提高食品運(yùn)送的效率，降低環(huán)境污染，在達(dá)到最優(yōu)經(jīng)濟(jì)運(yùn)輸?shù)那疤嵯?，需將食品置于合適的環(huán)境下。但在實(shí)際情況中，冷藏車在運(yùn)輸過程中經(jīng)常出現(xiàn)一些問題，一是制冷機(jī)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(dá)不到冷藏要求，導(dǎo)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(gè)調(diào)整冷藏車內(nèi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目、位置需要可調(diào)[2]。三是冷藏車在不斷移動(dòng)，其內(nèi)部的環(huán)境參數(shù)需要實(shí)時(shí)控制，且控制難度較大。針對這一情況，文中設(shè)計(jì)了一套基于GSM技術(shù)和ZigBee采集網(wǎng)絡(luò)的冷藏車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[3]。系統(tǒng)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了不同的客戶可通過租賃一個(gè)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，通過遠(yuǎn)程控制端對冷藏車內(nèi)多參數(shù)進(jìn)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(luò)、GSM傳輸和單片機(jī)控制部件組成。單片機(jī)通過協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)和控制命令的交換，以及各參數(shù)閾值的設(shè)置。當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)檢測到參數(shù)不在設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)整，使其維持在設(shè)定范圍內(nèi)。同時(shí)，單片機(jī)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(dá)，控制執(zhí)行部件的工作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要包含網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)[4-7]。其中，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)由主控單片機(jī)和GSM通訊模塊組成，它通過定時(shí)接收各協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，通過GSM模塊向監(jiān)控中心發(fā)送，同時(shí)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(diǎn)主要負(fù)責(zé)給單片機(jī)反饋某些信息及向終端節(jié)點(diǎn)傳送命令；終端節(jié)點(diǎn)則負(fù)責(zé)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(diǎn)組成及工作原理

終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)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(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)終端數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)由單片機(jī)在不同時(shí)段通過傳感器對各個(gè)參數(shù)進(jìn)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(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字電壓，再送單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)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(zhuǎn)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(diǎn)傳輸。

2.1.2 終端節(jié)點(diǎn)各模塊設(shè)計(jì)

（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(yùn)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(dāng)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(jìn)行監(jiān)控和測量，是通過軟件對其進(jìn)行控制的溫度檢測裝置。DS18B20的數(shù)據(jù)輸出端與單片機(jī)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(shí)，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(jìn)行必要的數(shù)據(jù)處理。

（2）濕度檢測模塊

在食品冷藏運(yùn)送過程中，濕度也是影響其存儲(chǔ)壽命的重要因素。DHT11是已校準(zhǔn)過的數(shù)字信號(hào)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(gè)8位的單片機(jī)，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(gè)數(shù)據(jù)引腳完成數(shù)據(jù)的輸入輸出。由于冷藏車?yán)锩娴臏y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(dǎo)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(dá)到延長食品存儲(chǔ)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(chǔ)進(jìn)行構(gòu)建。MG811輸出30～50 mV的模擬電壓，因此在其信號(hào)輸出端接阻抗變換電路。模擬電壓信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換變成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，根據(jù)對應(yīng)的關(guān)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(yùn)輸過程中會(huì)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(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測的目的。C2H4/ C-100傳感器操作方便、測量準(zhǔn)確、工作可靠，適用于工業(yè)現(xiàn)場或?qū)嶒?yàn)室測量等不同的需求，該傳感器具有電壓和串口同時(shí)輸出的特點(diǎn)，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(hào)為0.4～2.0 V。

2.1.3 協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)

協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，之后通過它發(fā)送到單片機(jī)，是單片機(jī)與終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(yuǎn)程控制并及時(shí)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(jī)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(shè)計(jì)采取SMF05C對其進(jìn)行靜電保護(hù)，其外圈電路的元器件應(yīng)靠近SIM卡槽?？ú蹫?個(gè)引腳的SIM卡座，輸出電流大概為10 mA；SIMCLK為時(shí)鐘；VPP不連接。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 終端數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

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(jī)系統(tǒng)進(jìn)行操作運(yùn)行的程序，它負(fù)責(zé)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(yùn)行過程為：系統(tǒng)開始工作后，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時(shí)對各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，通過A/D轉(zhuǎn)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(jìn)行顯示。

3.2 GSM數(shù)據(jù)傳輸軟件設(shè)計(jì)

SIM900A模塊采用串口（UART）通信，支持移動(dòng)和聯(lián)通的GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)信號(hào)[8]。使用標(biāo)準(zhǔn)的AT指令控制SIM900A模塊。當(dāng)使用GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送時(shí)，首先要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，建立網(wǎng)絡(luò)連接成功后進(jìn)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(jié)論

系統(tǒng)采用GSM/GPRS技術(shù)和ZigBee采集網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)冷藏車的大小、貨物的種類數(shù)量和位置，靈活設(shè)置終端節(jié)點(diǎn)的位置和數(shù)目，實(shí)現(xiàn)了冷藏車多參數(shù)多點(diǎn)遠(yuǎn)程采集顯示、報(bào)警以及冷藏車內(nèi)溫濕度的控制。設(shè)計(jì)成本較低，穩(wěn)定性高。

參考文獻(xiàn)：

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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(xiàng)“西北特色水果貯運(yùn)保鮮技術(shù)集成與示范——西北特色梨和葡萄貯運(yùn)保鮮特色及技術(shù)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。