基于物联网的广西农产品冷库监控系统设计

【摘 要】本文针对广西农产品的冷库存储，设计了一套基于物联网的冷库监控系统，该系统硬件设计包括主控节点、无线数据采集节点，软件包括无线数据采集程序、主控节点程序和远程监控程序三大部分，实现了冷库内温湿度、二氧化碳数据的实时采集、传输和远程监控。

【关键词】物联网 农产品 冷库 监控系统 设计

【中图分类号】G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2017）08C-0189-03

广西地处南亚热带，是我国亚热带农产品重要的生产基地之一。近年来，随着中国—东盟自由贸易区的建立，广西特色农业得到了迅速发展，农林牧渔业总产值逐年增加，农产品贸易量明显上升，农产品产业已成为广西的支柱产业和农民家庭收入的重要来源。然而，由于广西农产品种植面积的不断扩大，农产品集中上市后，受到天气、价格波动及常温存储等因素的影响，农产品腐烂变质损失巨大。广西由于经济条件落后，农产品冷藏覆盖率很低，大部分仍在常温下进行储存，农产品损耗率达20%-30%，水果蔬菜尤甚，腐烂变质平均数为35%。广西2015年水果产量1094.4万吨，年蔬菜产量2433万吨，如按1元/千克的损耗计算，新鲜果蔬每年由于腐烂而造成的损失达100多亿元。如果将冷库的湿度、温度和二氧化碳等环境参数控制在合理的范围，可以降低果蔬的腐烂损耗率。因此，建设现代化冷库，延长农产品保质期、降低农民损失迫在眉睫。然而，广西现有冷库技术等级较低，现代化控制技术落后。基于此，本文采用物联网、计算机等信息化技术，开展有关广西农产品冷库监控系统设计的研究。

一、系统方案设计

农产品冷库监控系统总体方案设计如图1所示。系统以ARM-Coretex M4控制器为核心，由无线数据采集节点、环境设备控制节点和上位机监控中心组成。无线数据采集节点负责采集冷库的实时温度、湿度和二氧化碳浓度数据，并将数据处理后传送给控制器，控制器将实时数据与预设参数进行比较，根据结果向环境设备控制节点发送控制命令。上位机监控中心通过以太网与控制器进行远程通信，可以读取现场环境、设备参数，控制现场设备动作，实现远程系统监控功能。

二、系统硬件设计

（一）主控节点设计。主控节点处于冷库监控系统的中间层，是连接上位机监控中心、无线数据采集节点和环境设备控制节点的桥梁。主控节点与无线数据采集节点进行一对多无线ZigBee通信，进行现场环境数据采集和指令的交互，同时与监控中心通过以太网通信，将来自现场的数据传送至监控中心，并接收上位机发送的控制命令，对现场环境设备进行控制。

主控节点主要由ARM处理器、ZigBee无线传输模块CC630、液晶显示器、键盘、RJ45接口电路等构成。系统选取NXP公司推出的基于ARM? Cortex?-M4内核的低功耗微控制器LPC54102为控制核心。该控制器最大工作速度可达100MHz，GPIO资源丰富，各种功能接口齐全，包括RJ45网络接口、I2C、USB、SPI、USART等，通过较少的硬件外围电路就能够满足本系统环境参数采集、数据处理和通信的需求。

（二）无线数据采集节点设计。无线数据采集节点是整个冷库监控系统的最底层，它和主控节点进行双向无线通信，根据主控节点发出的控制指令，采集冷库内的湿度、温度和二氧化碳参数，并发送至主控节点。节点由ZigBee无线传输模块CC2630、温湿度传感器SHT75、二氧化碳传感器等构成。

CC2630是TI公司推出的一款面向 ZigBee应用的无线微控制器，内部集成了32位ARM Cortex-M3处理器和2.4GHzRF收发器，符合IEEE 802.15.4PHY和MAC。CC2630具有丰富的外设功能集，含GPIO、ADC、UART、SSI、I2C、I2S、通用定时器和实时时钟（RTC），无缝集成CC2590和CC2592范围扩展器，还包括一个独特的超低功耗传感器控制器，此传感器控制器非常适合连接外部传感器，还适合用于在系统其余部分处于睡眠模式的情况下自主收集模拟和数字数据。SHT75一款数字式插针型温湿度传感器，温度工作范围为-40至+125℃，湿度工作范围为0-100%相对湿度，温度值输出分辨率为12位，湿度值输出分辨率为14位，温度测量精度为±0.3℃，湿度测量精度为±1.8%RH，采样数据通过I2C总线输出。二氧化碳传感器采用MH-Z14NDIR红外气体小模组，利用非色散红外（NDIR）原理对空气中存在的CO2进行探测，提供UART、模拟电压信号、PWM波形等多种输出方式。无线数据采集节点硬件电路设计如图2所示。

图2 无线数据采集节点硬件电路图

三、系统软件设计

本监控系统软件包括三大部分：无线数据采集程序、主控节点程序和远程监控程序。其中无线数据采集程序主要包括对SHT75初始化、CC2630初始化、数据采集、发送等；主控节点程序包括数据处理、环境设备控制、远程通信等；远程监控程序包括以太网通信接口配置和人机界面设计等。

（一）无线数据采集程序。这部分程序主要是对无线数据采集节点的CC2630模块进行编程。CC2630（RSM封装）有10个GPIO，它们都可以通过IOC寄存器编程设置为普通IO、I2C接口、UART接口，因此在程序中，先进行初始化，配置好各通信接口。初始化完成后，无线数据采集节点会依据Zigbee搜索网络，并请求加入网络，请求得到确认后，本节点会将自身的MAC地址发送给主控节点，并自动与主控节点建立绑定。在接受到主控节点的数据传送指令后，首先判断接收到的MAC地址是否和本身地址匹配，如果匹配，采集节点就会将环境参数发送给主控节点。无线数据采集程序流程图如图3所示。

图3 无线数据采集程序流程图

（二）主控节点程序。主控节点程序主要实现网络建立、数据收集和现场环境设备控制等功能。主控节点首先进行初始化并设置好冷库理想环境参数，再通过ZigBee无线通信模块想无线数据采集节点发送网络信号建立无线通信网络，然后在发送读取指令接受现场环境数据，数据接收成功后与设定值进行比较，判断是否需要更改现场环境设备状态，将处理后的数据通过以太网传送给上位机监控中心。主控节点程序如图4所示。

图4 主控节点程序流程图

（三）远程监控程序。远程监控软件平台由OPC数据库和ForceControl组态软件组成，可以实现数据存储、数据显示、数据设定、数据分析、数据查询等功能。数据显示可以采用曲线、柱形、表格等形式实时显示在人机交互界面，也可以对历史数据进行显示；可通过动作按钮或者图文动画对不同存储类型冷库的环境参数阈值进行设置；将采集的数据与阈值比较，若超出阈值范围则实现报警并远程调节现场环境设备的状态。远程监控人机交互界面如图5所示。

图5 远程监控人机交互界面

四、結论

本文所设计的冷库监控系统采用基于LPC54102的物联网开发平台进行模块化设计，相对于传统的冷库监控系统，具有下几点优势：实现全自动监控，降低了人工成本；系统布局灵活，扩展能力强；数据处理能力提升，系统可靠性提高；工作界面直观，操作简单。系统测试运行结果表明，系统控制精度高、响应速度快且运行稳定，能够充分满足农产品冷库运行条件的要求。

【参考文献】

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[5]陈高峰，熊刚.基于物联网的冷库管理系统研究与应用[J].自动化技术与应用，2015（9）

【基金项目】2015年广西教育厅高等学校科研一般项目“大型冷库系统的综合控制技术研究”（KY2015YB398）

【作者简介】阳明霞（1984— ），女，广西灵川人，硕士，柳州职业技术学院讲师，研究方向：物联网技术应用。

（责编 黎 原）