基于ARM9的智能冷庫系統設計

吳 軍，傅 強，任華清，張卓妍

（河海大學機電工程學院，江蘇 常州213000）

0 引言

隨著食品工業的迅速發展，冷庫制冷系統的自動化已成為了當今冷庫生產管理的必備功能。目前國際上，歐美一些發達國家的冷庫管理系統幾乎全部進入智能化時代，而我國在這方面卻還處于起步階段，因此，先進的冷庫管理系統成了當前的迫切需求。在當前數字信息技術和網絡技術高速發展的后PC時代，嵌入式系統已廣泛滲入到工業控制等各個領域。隨著ARM微處理器和嵌入式技術的不斷發展，ARM9處理器已成為嵌入式開發的主流。系統采用嵌入式技術，以實現冷庫的自動化控制。

1 系統總體設計

冷庫管理系統主要由3部分組成：安裝在冷庫各個區域的溫度采集模塊、安裝在冷庫門上的主控系統和上位機。系統總體設計如圖1所示。

圖1 系統總體設計

溫度采集模塊的核心是AVR單片機，它連接著溫度傳感器，用來采集冷庫中各個區域的溫度。所有溫度采集模塊組成了基于ZigBee協議的傳感器網絡，它是一個網狀的構架，網絡里面的任意2個溫度采集模塊都能互相傳遞信息，這樣所有采集的數據就可以匯聚到主控系統，并且采用網狀構架具有快速愈合的能力，某一個模塊發生故障的時候，不會影響到整個系統的運行。主控系統主要是用來接收所有溫度采集模塊的數據，將這些數據通過3G網絡傳送到上位機，并根據這些數據控制壓縮機的運行。主控系統連著觸摸屏，工作人員可以直觀地看到冷庫的運行狀況，在特殊情況的時候，還可以手動調整冷庫的運行。此外，控制系統具有預警功能，如果冷庫溫度異常，蜂鳴器就會發出報警，這樣工作人員就能提前發現問題。上位機主要是將接收的數據自動記錄自動保存，這樣隨時可以查看歷史記錄，一旦有事情發生，就可以迅速找出緣由，提高客戶信心。上位機應用程序的編寫選用Visual Basic。

2 溫度采集模塊的設計

溫度采集模塊的主要功能是通過溫度傳感器采集數據，并將這些數據通過無線網絡傳輸到主控系統，其總體結構如圖2所示。它的核心是一塊ATTINY2313處理器，ATTINY2313是基于增強的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器，擁有18個通用的I／O口，可以通過SPI接口或非易失性儲存器編程器對程序儲存器進行系統內編程，因此，可以滿足系統要求。

溫度傳感器采用DS18B20，它與傳統熱敏電阻不同的是，采用集成芯片和單總線控制技術，在使用中不需要任何外圍的原件，能夠有效地減少外界的干擾，適用于惡劣環境的現場溫度測量。其內部結構主要由4部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、配置寄存器、溫度報警觸發器TH和TL［1］。工作時，系統初始化，進行ROM讀取，若指令成功地使DS18B20完成溫度測量，數據將存儲到存儲器，然后，單片機就可以通過單線接口讀到該數據，讀取時低位在前，高位在后。DS18B20在出廠時已配置為12位，讀取溫度時共讀取16位，所以把后11位的2進制轉化為10進制后，再乘以0．062 5便為所測的溫度。此外還需要判斷正負，當前5位為1時，讀取的溫度為負數；當前5位為0時，讀取的溫度為正數。其測量范圍為－55～＋125℃，在－10～＋85℃ 范圍內精度為±0．5℃［1］。

CC2420射頻收發器性能穩定，功耗極低。利用此芯片開發的無線通信設備，支持數據傳輸率高達250 Kb／s，可以實現多點對多點的快速組網［2］。此外，該芯片還具有硬件加密、安全可靠和抗毀性能強等特點，完全適用于系統。CC2420與處理器的連接十分方便，如圖2所示，通過SPI接口交換數據，接收來自處理器的命令，使用SFD，FIFO，FIFOP和CCA 4個引腳表示收發數據的狀態。

圖2 溫度采集模塊

3 主控系統設計

主控系統主要任務是接收溫度采集模塊的信號，并將這些數據通過3G網絡傳輸到上位機，此外將這些數據顯示到觸摸屏上，并根據冷庫內溫度和儲存要求控制壓縮機的運行。主控系統采用基于LPC3250的開發平臺［3］。

嵌入式操作系統用于負責嵌入式系統的全部軟、硬件資源的分配、任務調度，控制、協調并發活動。嵌入式操作系統提高了系統的可靠性能、充分發揮了處理器的多任務潛力，而且嵌入式操作系統的程序編寫采用模塊化設計，每個任務模塊的調試、修改幾乎不會影響其他模塊，因此，程序編寫相對簡單方便。嵌入式操作系統通常包括與硬件相關的底層驅動軟件、系統內核、設備驅動接口、通信協議、圖形界面和標準化瀏覽器等［4］。冷庫管理系統根據冷庫運行的實際需求和硬件結構，選用Linux嵌入式操作系統。Linux是目前最流行的一款開放源代碼的操作系統，它內核精簡，性能高、穩定，具有良好的多任務支持，并且外設接口統一，以設備驅動程序的方式為應用提供統一的外設接口。

壓縮機機組由機組自帶的控制系統（一般為PLC）控制，由于壓縮機組自帶的是歐姆龍控制系統，因此，它與主控系統之間采用RS232－DB9的串口連接。

主控系統集成了觸摸屏，單片機采集的數據直接通過數據庫的連接由圖形界面顯示。觸摸屏還可以直接控制壓縮機的開關，這樣工作人員可以直接在現場操作系統，節省了去監控室操作的時間。系統的應用程序窗口界面采用Qt Creator編寫實現，它是一款跨平臺的C＋＋圖形用戶界面應用程序框架，給應用程序開發者提供所需要的所有功能，而且是完全面向對象的，很容易擴展，允許真正的組件編程［5］。采用輕量級跨平臺集成開發環境Qt Creator所編輯的界面如圖3所示。

圖3 顯示屏菜單界面

4 關鍵技術

4．1 無線傳輸

傳統的冷庫系統采用布線的方式，一旦冷庫很大、或者有多個大的冷庫，那么開挖墻面布線就非常難，而且線頭很多，監控室看上去非常雜亂，甚至滋生安全事故。而使用無線傳輸技術，安裝工作非常簡單快捷，不需要花費大量的勞動力成本，因為全是模塊化設計，如果冷庫需要擴建，或者拆除，會非常方便。因此，系統選擇使用無線網絡體系構架。

系統的網絡結構如圖4所示，一共分為3層。第1層為使用ZigBee協議的溫度采集模塊網絡。網絡采用帶有快速鄰居發現與更新的自組織網絡協議，當某一個溫度采集模塊無法運行的時候，不會影響到整個系統的運行。第2層為匯聚網關層，就是將所有的溫度傳感器的數據，根據要求傳送到各個匯聚網關，也就是主控系統中，主控系統根據系統預設的要求，控制制冷系統的運行。第3層為主控系統與監測控制中心站。3G網絡具有覆蓋范圍廣、數據傳輸率高的特點。使用3G網絡可以基本滿足冷庫很大或者有很多冷庫的要求，并可以降低研發和部署成本。系統通過采用3層的網絡構架，不僅條理分明，便于軟件的設計，而且各個網絡頻段不一樣，不會互相干擾，提高了數據傳送的穩定性。

圖4 網絡體系結構

4．2 風險預警系統

風險預警系統，就是根據所研究對象的特點，通過收集相關的資料信息，監控風險因素的變動趨勢，并評價各種風險狀態偏離預警線的強弱程度，向決策層發出預警信號并提前采取預控對策的系統。因此，要構建預警系統，首先，構建評價指標體系，并對指標類別加以分析處理；其次，依據預警模型，對評價指標體系進行綜合評判；最后，依據評判結果設置預警區間，并采取相應對策。由于管理系統會自動記錄自動保存歷史數據到上位機，所以可以構建冷庫運行評價指標體系，使管理系統實時監控冷庫的運行狀態。一旦有發生事故風險的時候，蜂鳴器就會發出聲音，從而提前做出預警，而不是像傳統的冷庫系統那樣，只能等到事故發生了，才去解決。這樣從源頭解決問題，不僅減少了損失，而且降低了勞動強度。

5 結束語

冷庫管理系統采用基于LPC3250的嵌入式開發平臺，不僅可靠性高、抗干擾能力強，而且結構緊湊、操作方便。此外，采用模塊化設計，不僅方便系統的維修，而且擴展能力強，可以加入其他模塊，提高系統性能。相對于傳統的冷庫管理系統，智能冷庫系統有著以下幾點優勢：制冷系統全部是自動監控運行，基本上不需要人值守，節省了人工成本；冷庫的溫度數據是自動記錄、自動保存的，可以查詢歷史記錄，方便找出故障的原因，增強了客戶的信心；具有多重安全預警和防護系統，一旦發生事故，可以有效降低損失。因此，智能冷庫系統具有較高的市場應用價值。

［1］ 李 鋼，趙彥峰．1－Wire總線數字溫度傳感器DS18B20原理及應用［J］．現代電子技術，2005，（21）：77－79．

［2］ 徐勇軍，安竹林，蔣文豐，等．無線傳感器網絡實驗教程［M］．北京：北京理工大學出版社，2008．

［3］ 桂電－豐寶聯合實驗室．基于LPC3250的嵌入式Linux系統開發［M］．北京：電子工業出版社，2010．

［4］ 王洪輝．嵌入式系統Linux內核開發實戰指南（ARM平臺）［M］．北京：電子工業出版社，2009．

［5］ 宋寶華．Linux設備驅動開發詳解［M］．北京：人民郵電出版社，2009．