基于无线传感网智能湿冷与臭氧保鲜系统的设计

2016-09-16成都理工大学刘超英周一峰郭一鸣

电子世界 2016年12期

成都理工大学　刘超英王　科　周一峰　黄　虎　郭一鸣

成都理工大学刘超英王科周一峰黄虎郭一鸣

为优化普通湿冷保鲜系统的不足，提高果蔬产品保鲜品质。本文利用ZigBee技术网络容量大、通信可靠、网络自愈能力强、安全性高等性能，设计了一套以AVR系列ATmega16微处理器为核心，将ZigBee技术、GSM模块与湿冷保鲜系统相结合的智能控制果蔬保鲜系统。实时监测保鲜系统工作状态，及时将故障信息通过GSM模块反馈给维护人员，提高了工作效率，降低了运维成本，达到最佳的果蔬保鲜效果。

ZigBee；GSM；智能控制

引言

“湿冷系统”最早源于英国，是基于机械制冰和蓄冷的理论基础发展起来的新型技术。［1］其原理是利用机械制冰积累冷量，获取0摄氏度左右的水，通过混合换热器，经过强制通风，让水和库内空气进行传热传质，以取得接近冰点温度的高湿（90%～96%）空气。在加湿制冷的同时结合臭氧处理，最终达到良好的保鲜效果，延长贮存时间，保存产品原有风味。

智能无线传感网络的发展已经渗透到每个行业，如何利用智能无线传感网络技术节约能源、提高湿冷系统的工作效率，并对该系统进行自动化、智能化管理和应用，从而推动整个果蔬行业的发展，已经成为一个热门话题［2-3］。

1.系统组成

该智能控制系统主要由主控制器、信号采集变送器、蓄电池、稳压模块、功放电路、故障检测电路以及ZigBee无线模块、GSM模块等组成。系统的整体结构如图1所示。

图1　系统框图

系统工作原理：

湿冷保鲜系统在结构上属于完全封闭系统，其内部环境与外界隔离，形成特有的“小气候”。因此信号采集系统主要针对温、湿度参数以及臭氧浓度。系统采用模拟开关CD4051实现分时复用，轮流采集温度、湿度、臭氧浓度传感器的模拟信号，模拟信号经主控制器进行逻辑判断、处理后，由功放电路控制相应的继电器通断，实现加湿设备，制冷设备等执行机构的控制。

主控制器同时将信号参数以及工作状态通过ZigBee模块传送给系统监制中心，实现管理者对湿冷系统进行实时监控与智能控制。在故障检测模块，主控模块将检测到的信息通过GSM模块，发送给手机，有利于管理者在任何时间，任何地点都能掌控保鲜系统的工作状态，能够及时地解决系统出现的故障问题，减少损失。

2.系统硬件设计

2.1主控制单元

主控制器采用的是AVR系列ATmega16微处理器为核心，该单片机具有32个8位通用工作寄存器，8路模数转换器，8路单端通道，32路可编程的I/O口，40引脚PDIP 封装。其工作电压为4.5～5.5V，电流为1.1mA，具有高性能、低功耗等特点［4］。

2.2传感器模块的选用

温度测量模块采用DS18B20温度传感器［5］。DS18B20温度传感器计是美国DALLAS公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，不用外加电路，能够直接输出数字量。可直接与单片机通信读取测温数据，具有线路简单、性能稳定、体积小、温度计分辨率能选择为9～12位的特点。

湿度采集模块采用HS1101湿度传感器［6］。温度工作范围为 -60 ℃ ～140℃，响应时间小于5s，温度常数为0.34PF /℃。具有测量精度高、响应时间快、可靠性好、使用寿命长、抗干扰能力强等特点。

湿冷保鲜库的臭氧浓度取值范围为0-20ppm，臭氧传感模块采用MS-2610 电阻式臭氧传感器。该传感器具有灵敏度高、热响应快、高耐冲击和振动、尺寸精小等优点［7］。

2.3故障检测与报修

本系统是主控制器通过传感器模块，检测保鲜系统工作状态来控制各执行器工作，因此对系统的监测较为复杂。要实现远程故障监测，需要可正常工作的无线模块，若保鲜系统出现故障时，主控制系统将监测到无线模块传回的数据，向主控平台发送。主控平台对收到的数据通过计算和判断就可知道信息来源与信息数据以及信息的正确性，大大的提高数据的可靠性与稳定性。

系统使用主控制模块通过UART接口与GTM900C（一款两频段GSM/GPRS 无线模块）无线通信模块来反馈故障信息。使用标准的AT命令（一种调制解调器命令语言）来控制GSM模块，以实现控制模块与手机之间的无线通信功能。管理者通过电脑可知道当前系统的工作状态。若出现故障，主控模块将分析处理反馈回来的信息，并向指定的手机号码发送短信，告知维护人员系统故障信息。系统维护人员通过短信，能够及时地解决系统出现的故障问题，提高维修效率，降低了损失。

2.4ZigBee模块

本系统ZigBee模块采用的是德州仪器（TI）公司的CC2530，是TI推出的符合IEEE802.15.4标准的2.4G射频收发器。CC2530具有多种运行模式，其电源模式2（睡眠定时器运行）应用最广泛，功耗仅为1μA，运行模式之间转换时间快，成本低、短延时性能符合超低功耗要求的系统［8］。

PC上有专门的X-CTU配置工具，采用串口的方式和用户产品进行通讯，同时对模块进行发射功率，信道等网络拓扑参数的配置，使用起来方便快捷。CC2530模块通过UART 接口直接与ATmega16 控制器的串口0 相应管脚交叉相连。CC2530 模块的通信系统原理结构如图2所示。

图2　CC2530模块的通信系统原理结构

图3　系统上位机软件功能图

图4　系统下位机软件流程图

3.系统软件设计

3.1上位机软件结构

上位机程序是基于由微软公司开发的集成开发环境（IDE）Visual C++ 6.0编写的程序，其移植性高，便于人机交互。上位机软件系统如图3所示，能够实时显示湿冷保鲜系统的温度、湿度、臭氧浓度、以及各执行器的工作状态，同时也能反映系统是否出现故障。

3.2下位机软件设计结构

湿冷保鲜系统控制系统中的ZigeBee通讯模块CC2530与监控中心保持实时信息交流。当系统通过传感器模块检测到系统的温度、湿度以及臭氧浓度不符合保鲜条件时，会打开相应的执行器，使得保鲜系统工作条件保持在最佳条件。当系统出现故障时，控制单元会通过GSM模块，将具体的工作状态和故障信息发送给管理者，及时地了解和解决系统问题。系统下位机软件流程图如图4所示。