基于ARM9的智能冷库系统设计

吴 军，傅 强，任华清，张卓妍

（河海大学机电工程学院，江苏 常州213000）

0 引言

随着食品工业的迅速发展，冷库制冷系统的自动化已成为了当今冷库生产管理的必备功能。目前国际上，欧美一些发达国家的冷库管理系统几乎全部进入智能化时代，而我国在这方面却还处于起步阶段，因此，先进的冷库管理系统成了当前的迫切需求。在当前数字信息技术和网络技术高速发展的后PC时代，嵌入式系统已广泛渗入到工业控制等各个领域。随着ARM微处理器和嵌入式技术的不断发展，ARM9处理器已成为嵌入式开发的主流。系统采用嵌入式技术，以实现冷库的自动化控制。

1 系统总体设计

冷库管理系统主要由3部分组成：安装在冷库各个区域的温度采集模块、安装在冷库门上的主控系统和上位机。系统总体设计如图1所示。

图1 系统总体设计

温度采集模块的核心是AVR单片机，它连接着温度传感器，用来采集冷库中各个区域的温度。所有温度采集模块组成了基于ZigBee协议的传感器网络，它是一个网状的构架，网络里面的任意2个温度采集模块都能互相传递信息，这样所有采集的数据就可以汇聚到主控系统，并且采用网状构架具有快速愈合的能力，某一个模块发生故障的时候，不会影响到整个系统的运行。主控系统主要是用来接收所有温度采集模块的数据，将这些数据通过3G网络传送到上位机，并根据这些数据控制压缩机的运行。主控系统连着触摸屏，工作人员可以直观地看到冷库的运行状况，在特殊情况的时候，还可以手动调整冷库的运行。此外，控制系统具有预警功能，如果冷库温度异常，蜂鸣器就会发出报警，这样工作人员就能提前发现问题。上位机主要是将接收的数据自动记录自动保存，这样随时可以查看历史记录，一旦有事情发生，就可以迅速找出缘由，提高客户信心。上位机应用程序的编写选用Visual Basic。

2 温度采集模块的设计

温度采集模块的主要功能是通过温度传感器采集数据，并将这些数据通过无线网络传输到主控系统，其总体结构如图2所示。它的核心是一块ATTINY2313处理器，ATTINY2313是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器，拥有18个通用的I／O口，可以通过SPI接口或非易失性储存器编程器对程序储存器进行系统内编程，因此，可以满足系统要求。

温度传感器采用DS18B20，它与传统热敏电阻不同的是，采用集成芯片和单总线控制技术，在使用中不需要任何外围的原件，能够有效地减少外界的干扰，适用于恶劣环境的现场温度测量。其内部结构主要由4部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、配置寄存器、温度报警触发器TH和TL［1］。工作时，系统初始化，进行ROM读取，若指令成功地使DS18B20完成温度测量，数据将存储到存储器，然后，单片机就可以通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后。DS18B20在出厂时已配置为12位，读取温度时共读取16位，所以把后11位的2进制转化为10进制后，再乘以0．062 5便为所测的温度。此外还需要判断正负，当前5位为1时，读取的温度为负数；当前5位为0时，读取的温度为正数。其测量范围为－55～＋125℃，在－10～＋85℃ 范围内精度为±0．5℃［1］。

CC2420射频收发器性能稳定，功耗极低。利用此芯片开发的无线通信设备，支持数据传输率高达250 Kb／s，可以实现多点对多点的快速组网［2］。此外，该芯片还具有硬件加密、安全可靠和抗毁性能强等特点，完全适用于系统。CC2420与处理器的连接十分方便，如图2所示，通过SPI接口交换数据，接收来自处理器的命令，使用SFD，FIFO，FIFOP和CCA 4个引脚表示收发数据的状态。

图2 温度采集模块

3 主控系统设计

主控系统主要任务是接收温度采集模块的信号，并将这些数据通过3G网络传输到上位机，此外将这些数据显示到触摸屏上，并根据冷库内温度和储存要求控制压缩机的运行。主控系统采用基于LPC3250的开发平台［3］。

嵌入式操作系统用于负责嵌入式系统的全部软、硬件资源的分配、任务调度，控制、协调并发活动。嵌入式操作系统提高了系统的可靠性能、充分发挥了处理器的多任务潜力，而且嵌入式操作系统的程序编写采用模块化设计，每个任务模块的调试、修改几乎不会影响其他模块，因此，程序编写相对简单方便。嵌入式操作系统通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面和标准化浏览器等［4］。冷库管理系统根据冷库运行的实际需求和硬件结构，选用Linux嵌入式操作系统。Linux是目前最流行的一款开放源代码的操作系统，它内核精简，性能高、稳定，具有良好的多任务支持，并且外设接口统一，以设备驱动程序的方式为应用提供统一的外设接口。

压缩机机组由机组自带的控制系统（一般为PLC）控制，由于压缩机组自带的是欧姆龙控制系统，因此，它与主控系统之间采用RS232－DB9的串口连接。

主控系统集成了触摸屏，单片机采集的数据直接通过数据库的连接由图形界面显示。触摸屏还可以直接控制压缩机的开关，这样工作人员可以直接在现场操作系统，节省了去监控室操作的时间。系统的应用程序窗口界面采用Qt Creator编写实现，它是一款跨平台的C＋＋图形用户界面应用程序框架，给应用程序开发者提供所需要的所有功能，而且是完全面向对象的，很容易扩展，允许真正的组件编程［5］。采用轻量级跨平台集成开发环境Qt Creator所编辑的界面如图3所示。

图3 显示屏菜单界面

4 关键技术

4．1 无线传输

传统的冷库系统采用布线的方式，一旦冷库很大、或者有多个大的冷库，那么开挖墙面布线就非常难，而且线头很多，监控室看上去非常杂乱，甚至滋生安全事故。而使用无线传输技术，安装工作非常简单快捷，不需要花费大量的劳动力成本，因为全是模块化设计，如果冷库需要扩建，或者拆除，会非常方便。因此，系统选择使用无线网络体系构架。

系统的网络结构如图4所示，一共分为3层。第1层为使用ZigBee协议的温度采集模块网络。网络采用带有快速邻居发现与更新的自组织网络协议，当某一个温度采集模块无法运行的时候，不会影响到整个系统的运行。第2层为汇聚网关层，就是将所有的温度传感器的数据，根据要求传送到各个汇聚网关，也就是主控系统中，主控系统根据系统预设的要求，控制制冷系统的运行。第3层为主控系统与监测控制中心站。3G网络具有覆盖范围广、数据传输率高的特点。使用3G网络可以基本满足冷库很大或者有很多冷库的要求，并可以降低研发和部署成本。系统通过采用3层的网络构架，不仅条理分明，便于软件的设计，而且各个网络频段不一样，不会互相干扰，提高了数据传送的稳定性。

图4 网络体系结构

4．2 风险预警系统

风险预警系统，就是根据所研究对象的特点，通过收集相关的资料信息，监控风险因素的变动趋势，并评价各种风险状态偏离预警线的强弱程度，向决策层发出预警信号并提前采取预控对策的系统。因此，要构建预警系统，首先，构建评价指标体系，并对指标类别加以分析处理；其次，依据预警模型，对评价指标体系进行综合评判；最后，依据评判结果设置预警区间，并采取相应对策。由于管理系统会自动记录自动保存历史数据到上位机，所以可以构建冷库运行评价指标体系，使管理系统实时监控冷库的运行状态。一旦有发生事故风险的时候，蜂鸣器就会发出声音，从而提前做出预警，而不是像传统的冷库系统那样，只能等到事故发生了，才去解决。这样从源头解决问题，不仅减少了损失，而且降低了劳动强度。

5 结束语

冷库管理系统采用基于LPC3250的嵌入式开发平台，不仅可靠性高、抗干扰能力强，而且结构紧凑、操作方便。此外，采用模块化设计，不仅方便系统的维修，而且扩展能力强，可以加入其他模块，提高系统性能。相对于传统的冷库管理系统，智能冷库系统有着以下几点优势：制冷系统全部是自动监控运行，基本上不需要人值守，节省了人工成本；冷库的温度数据是自动记录、自动保存的，可以查询历史记录，方便找出故障的原因，增强了客户的信心；具有多重安全预警和防护系统，一旦发生事故，可以有效降低损失。因此，智能冷库系统具有较高的市场应用价值。

［1］ 李 钢，赵彦峰．1－Wire总线数字温度传感器DS18B20原理及应用［J］．现代电子技术，2005，（21）：77－79．

［2］ 徐勇军，安竹林，蒋文丰，等．无线传感器网络实验教程［M］．北京：北京理工大学出版社，2008．

［3］ 桂电－丰宝联合实验室．基于LPC3250的嵌入式Linux系统开发［M］．北京：电子工业出版社，2010．

［4］ 王洪辉．嵌入式系统Linux内核开发实战指南（ARM平台）［M］．北京：电子工业出版社，2009．

［5］ 宋宝华．Linux设备驱动开发详解［M］．北京：人民邮电出版社，2009．