基于STM32的生鲜监控系统设计

陈俊杰 钟小华 沈灵威 冯毅烽 钟广泽

（广东白云学院机电工程学院，广东 广州 510450）

0 引言

目前在快递运输行业中，生鲜、蔬果的运输方案多以冷链运输为主，而不同的食品所需要的冷冻条件不同，因此无法实现对小批量、多种类食品的独立运输。随着经济的发展，人们的生活水平不断提高，人们对生鲜物品的需求量增大，对生鲜物品的种类也提出了更高的要求，而快递行业的发展则为居民提供了一种选购不同时令蔬果的新方式。不同地方培育不同的时令素菜，为了能够保证蔬菜从原产地到达消费者手中时仍能保持最佳的状态，需要对产品保鲜的方式进行改进和优化[1]。

1 监控系统总框架设计

该生鲜冷链快递运输监控系统采用PC 机为主控系统，下位机采用STM32 为保鲜箱控制芯片。如图1 所示，每个保鲜箱具有独立的采集箱体内环境信息的温湿度传感器、二氧化碳传感器以及氧气传感器等传感器，保鲜箱控制芯片接收环境信息后，用无线网络发送至主控系统（PC 机）并进行数据比对，主控系统判断并下发指令控制电磁阀组调节箱体内的环境条件。

图1 生鲜冷链快递运输监控系统框图

1.1 箱体结构设计

箱体由一次成型的材料制成，箱体内设计有夹层用来放置隔热保温的材料，可以有效防止环境条件的大幅度改变，同时也可以减轻因大幅度的碰撞而导致食品的损坏。如图2所示，箱体内设计有通气口与排气口，能输送与排出冷空气，以保证箱体内部可以保持良好的保存环境。箱体底部设计有卡扣，能够与车厢底部进行连接，防止箱体因刹车等车辆操作而导致出现箱体滑动的现象[2]。箱体内还设有无线充电接口，可以给STM32 模块、传感器模块、电源模块、人机交互模块以及其所属的电磁阀等元件供电。装车时能够即插即用，最大程度地实现无线化，以节约装车以及卸货时花费的时间成本。

图2 箱体结构示意图

1.1.1 RFID 射频模块

RFID 射频标签模块由RFID 射频标签（如图3 所示）和读卡器（如图4 所示）组成，读卡器可以对RFID 标签进行读写，并把箱体中所放置的产品信息以及储藏条件写入保鲜箱控制芯片并显示出来，并且在产品装车时将所有产品信息写入并上传至服务器。RFID 读卡器分为有线部分与无线部分，有线部分使用RS485 接口和485 协议将数据传输至驾驶室。当产品运输到驿站时，RFID 读卡器切换至无线模式，在读取了RFID 标签的数据后通过TCP/IP、Wi-Fi 或4G 模块将数据直接传输至服务器[3]。

图3 RFID 射频模块

1.1.2 传感器模块

每个箱体内部都配备了相应的温湿度传感器、二氧化碳传感器和氧气传感器，温湿度传感器通过modbus 协议将数据传输给STM32 主控芯片，二氧化碳传感器和氧气传感器通过串口协议将数据传输给STM32 主控芯片。

1.1.2.1 温湿度传感器

温湿度传感器（如图4 所示）采集箱体内的温湿度信息，如果环境温湿度低于数据库录入的标准值，就及时将警报信息发送至主控芯片，防止因温湿度条件而导致产品的损坏。温湿度传感器使用modbus-RTU 协议将相关温湿度数据传送给STM32 主控板。modbus 中包括主机地址、从机地址、功能码、数据地址、数据长度、数据以及CRC-16 冗余校验码。使用冗余校验码对数据进行校验，以验证数据是否正确，如果经过校验发现数据有误，就通知传感器重新发送温湿度数据。

图4 温湿度传感器

1.1.2.2 二氧化碳传感器

二氧化碳传感器利用NDIR 红外吸收的原理检测箱体内的二氧化碳浓度信息，保证其精度维持在50 ppm±5% F.S（25 ℃），以防止因二氧化碳浓度过高而出现水果腐烂的现象。二氧化碳传感器使用USART（串口）通信进行数据传输，USART 使用异步双工，非阻塞模式，保证数据传输效率的最大化。同时数据末端设置有奇偶校验位，以校验数据是否准确。

1.1.2.3 氧气传感器

氧气传感器通过探头检测箱体中的氧气浓度，如果浓度与标准浓度不符，就及时将信息传递至主控板，让电磁阀运作调整合适的氧气浓度条件，从而使产品能够保存更长的时间。氧气传感器模块也可以使用4G 模块或TCP/IP 与STM32主控板、服务器进行通信。运输过程中氧气传感器也处于有线模式，通过USART（串口）与STM32 主控板进行数据传输。在到达了驿站时可切换为无线模式，并将数据上传至服务器。

1.1.2.4 电源模块

电源模块在装车时也会接入无线充电模块进行充电。当卸车或其他意外情况导致箱体内设备断电时则会启动给STM32 模块、传感器模块、电源模块、人机交互模块以及其所属的电磁阀等元件供电，避免因断电而出现食品、产品损坏的现象。电源模块的主要参数为输出电压12 V/5 V，输出电流5 V/2 A 和12 V/3 A。该文使用的是容量为9 800 MAh 的电池，可以同时保证蓄电能力与供电能力。并且在发生意外情况（例如车辆蓄电池电量不足、进入加油站加油）时还可以临时地给箱体供电，以免因车辆电量不够熄车，使箱体内无法及时提供冷冻介质等条件而出现食品、产品损坏的现象。

1.1.2.5 人机交互模块

人机交互模块（如图5 所示）触摸屏主页面会显示箱体的ID 号、箱体内的温湿度、二氧化碳浓度和氧气浓度信息，以监测箱体内的环境条件，同时按下触摸屏的按钮后就会进入服务器数据页面，显示服务器发送的查询信息指令以及发送给服务器的具体数据信息。LCD 屏幕分为驾驶室部分与箱体部分，驾驶室LCD 屏幕上显示某一箱体的环境信息，还设计有按钮，可以切换显示其他箱体的环境信息，并且可以在触摸屏上手动调整箱体中电磁阀等元件的启动与关闭，从而改变环境条件。箱体部分的LCD 触摸屏只显示当前箱体内的环境信息，同样也可以在箱体的触摸屏上手动调整箱体内相关元件的启动与关闭，从而改变环境信息。箱体触摸屏与驾驶室触摸屏设定有改变条件的优先级，无法同时调整。如果在运输过程中，那么设定驾驶室触摸屏为最高优先级，如果送达驿站进行分发时，那么设定箱体触摸屏为最高优先级。

图5 LCD 触摸屏

2 系统的控制设计

2.1 控制程序设计

系统（如图6 所示）开始工作时，传感器开始采集环境数据信息，并通过485 接口与串口将信息传递至STM32 主控芯片，然后主控芯片打开接口接受传感器发送的环境信息数据，并把相关数据信息传递至服务器模块，在服务器的数据库中对数据进行比较，并获取当前批次产品的环境信息下发回本地端的主控芯片，主控芯片接收信息后，将服务器中接收的信息与传感器传递的信息进行比较，如果传感器传递的信息与服务器的数据有差异，就会开启电磁阀的进气口与排气口进行换气操作；如果温度高于规定温度，那么进气口通入冷冻介质，排气口不进行操作，直至达到规定温度；如果温度低于规定温度，那么进气口与排气口同时打开，通入空气进行换气操作，直至达到规定温度。如果二氧化碳浓度低于规定阈值，就会打开二氧化碳气罐向进气口通入二氧化碳。主控芯片也可以接受外部人员的直接控制，驾驶室中安装有手动操作模块，如果客户发现箱体环境与标准储藏环境有差异，就可以通知驾驶室中的人员使用手动操作模块进行操作，手动改变储藏条件。

图6 控制程序流程图

3 结语

该文设计了一个基于STM32 的生鲜冷链快递运输监控系统，分别介绍了监控系统总框架设计和系统的控制设计。该系统以下4 个优点：1）能够解决当前市面上无法小批量运输有条件要求的生鲜冷冻食品的困难。2）把信息传递到客户终端，可以让客户更为直观地观测到食品的情况，满足客户对于健康的需求。3）运用智能运输系统的设计，节省了运输成本，具有较高的经济效应。4）设计有隔温夹层，使箱体在取出车厢后的一定时间内仍然具有储藏功能。

综上所述，该系统符合生鲜冷链运输的环境并且有很高的效率和经济效应，具有良好的应用前景。