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

【摘 要】本文針對廣西農(nóng)產(chǎn)品的冷庫存儲，設(shè)計了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的冷庫監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)硬件設(shè)計包括主控節(jié)點、無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點，軟件包括無線數(shù)據(jù)采集程序、主控節(jié)點程序和遠程監(jiān)控程序三大部分，實現(xiàn)了冷庫內(nèi)溫濕度、二氧化碳數(shù)據(jù)的實時采集、傳輸和遠程監(jiān)控。

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

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2017）08C-0189-03

廣西地處南亞熱帶，是我國亞熱帶農(nóng)產(chǎn)品重要的生產(chǎn)基地之一。近年來，隨著中國—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源。然而，由于廣西農(nóng)產(chǎn)品種植面積的不斷擴大，農(nóng)產(chǎn)品集中上市后，受到天氣、價格波動及常溫存儲等因素的影響，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行儲存，農(nóng)產(chǎn)品損耗率達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1094.4萬噸，年蔬菜產(chǎn)量2433萬噸，如按1元/千克的損耗計算，新鮮果蔬每年由于腐爛而造成的損失達100多億元。如果將冷庫的濕度、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，延長農(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)有冷庫技術(shù)等級較低，現(xiàn)代化控制技術(shù)落后?；诖耍疚牟捎梦锫?lián)網(wǎng)、計算機等信息化技術(shù)，開展有關(guān)廣西農(nóng)產(chǎn)品冷庫監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的研究。

一、系統(tǒng)方案設(shè)計

農(nóng)產(chǎn)品冷庫監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計如圖1所示。系統(tǒng)以ARM-Coretex M4控制器為核心，由無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點、環(huán)境設(shè)備控制節(jié)點和上位機監(jiān)控中心組成。無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點負責(zé)采集冷庫的實時溫度、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，控制器將實時數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)參數(shù)進行比較，根據(jù)結(jié)果向環(huán)境設(shè)備控制節(jié)點發(fā)送控制命令。上位機監(jiān)控中心通過以太網(wǎng)與控制器進行遠程通信，可以讀取現(xiàn)場環(huán)境、設(shè)備參數(shù)，控制現(xiàn)場設(shè)備動作，實現(xiàn)遠程系統(tǒng)監(jiān)控功能。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計

（一）主控節(jié)點設(shè)計。主控節(jié)點處于冷庫監(jiān)控系統(tǒng)的中間層，是連接上位機監(jiān)控中心、無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點和環(huán)境設(shè)備控制節(jié)點的橋梁。主控節(jié)點與無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點進行一對多無線ZigBee通信，進行現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)采集和指令的交互，同時與監(jiān)控中心通過以太網(wǎng)通信，將來自現(xiàn)場的數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控中心，并接收上位機發(fā)送的控制命令，對現(xiàn)場環(huán)境設(shè)備進行控制。

主控節(jié)點主要由ARM處理器、ZigBee無線傳輸模塊CC630、液晶顯示器、鍵盤、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，通過較少的硬件外圍電路就能夠滿足本系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)采集、數(shù)據(jù)處理和通信的需求。

（二）無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點設(shè)計。無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點是整個冷庫監(jiān)控系統(tǒng)的最底層，它和主控節(jié)點進行雙向無線通信，根據(jù)主控節(jié)點發(fā)出的控制指令，采集冷庫內(nèi)的濕度、溫度和二氧化碳參數(shù)，并發(fā)送至主控節(jié)點。節(jié)點由ZigBee無線傳輸模塊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)用的無線微控制器，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、通用定時器和實時時鐘（RTC），無縫集成CC2590和CC2592范圍擴展器，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(tǒng)其余部分處于睡眠模式的情況下自主收集模擬和數(shù)字數(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，溫度測量精度為±0.3℃，濕度測量精度為±1.8%RH，采樣數(shù)據(jù)通過I2C總線輸出。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）原理對空氣中存在的CO2進行探測，提供UART、模擬電壓信號、PWM波形等多種輸出方式。無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點硬件電路設(shè)計如圖2所示。

圖2 無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點硬件電路圖

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計

本監(jiān)控系統(tǒng)軟件包括三大部分：無線數(shù)據(jù)采集程序、主控節(jié)點程序和遠程監(jiān)控程序。其中無線數(shù)據(jù)采集程序主要包括對SHT75初始化、CC2630初始化、數(shù)據(jù)采集、發(fā)送等；主控節(jié)點程序包括數(shù)據(jù)處理、環(huán)境設(shè)備控制、遠程通信等；遠程監(jiān)控程序包括以太網(wǎng)通信接口配置和人機界面設(shè)計等。

（一）無線數(shù)據(jù)采集程序。這部分程序主要是對無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點的CC2630模塊進行編程。CC2630（RSM封裝）有10個GPIO，它們都可以通過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，先進行初始化，配置好各通信接口。初始化完成后，無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點會依據(jù)Zigbee搜索網(wǎng)絡(luò)，并請求加入網(wǎng)絡(luò)，請求得到確認后，本節(jié)點會將自身的MAC地址發(fā)送給主控節(jié)點，并自動與主控節(jié)點建立綁定。在接受到主控節(jié)點的數(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)點就會將環(huán)境參數(shù)發(fā)送給主控節(jié)點。無線數(shù)據(jù)采集程序流程圖如圖3所示。

圖3 無線數(shù)據(jù)采集程序流程圖

（二）主控節(jié)點程序。主控節(jié)點程序主要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)建立、數(shù)據(jù)收集和現(xiàn)場環(huán)境設(shè)備控制等功能。主控節(jié)點首先進行初始化并設(shè)置好冷庫理想環(huán)境參數(shù)，再通過ZigBee無線通信模塊想無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信號建立無線通信網(wǎng)絡(luò)，然后在發(fā)送讀取指令接受現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接收成功后與設(shè)定值進行比較，判斷是否需要更改現(xiàn)場環(huán)境設(shè)備狀態(tài)，將處理后的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳送給上位機監(jiān)控中心。主控節(jié)點程序如圖4所示。

圖4 主控節(jié)點程序流程圖

（三）遠程監(jiān)控程序。遠程監(jiān)控軟件平臺由OPC數(shù)據(jù)庫和ForceControl組態(tài)軟件組成，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)設(shè)定、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)查詢等功能。數(shù)據(jù)顯示可以采用曲線、柱形、表格等形式實時顯示在人機交互界面，也可以對歷史數(shù)據(jù)進行顯示；可通過動作按鈕或者圖文動畫對不同存儲類型冷庫的環(huán)境參數(shù)閾值進行設(shè)置；將采集的數(shù)據(jù)與閾值比較，若超出閾值范圍則實現(xiàn)報警并遠程調(diào)節(jié)現(xiàn)場環(huán)境設(shè)備的狀態(tài)。遠程監(jiān)控人機交互界面如圖5所示。

圖5 遠程監(jiān)控人機交互界面

四、結(jié)論

本文所設(shè)計的冷庫監(jiān)控系統(tǒng)采用基于LPC54102的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺進行模塊化設(shè)計，相對于傳統(tǒng)的冷庫監(jiān)控系統(tǒng)，具有下幾點優(yōu)勢：實現(xiàn)全自動監(jiān)控，降低了人工成本；系統(tǒng)布局靈活，擴展能力強；數(shù)據(jù)處理能力提升，系統(tǒng)可靠性提高；工作界面直觀，操作簡單。系統(tǒng)測試運行結(jié)果表明，系統(tǒng)控制精度高、響應(yīng)速度快且運行穩(wěn)定，能夠充分滿足農(nóng)產(chǎn)品冷庫運行條件的要求。

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【基金項目】2015年廣西教育廳高等學(xué)?？蒲幸话沩椖俊按笮屠鋷煜到y(tǒng)的綜合控制技術(shù)研究”（KY2015YB398）

【作者簡介】陽明霞（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）