基于無線傳感網智能濕冷與臭氧保鮮系統的設計

成都理工大學　劉超英 王　科　周一峰　黃　虎　郭一鳴

基于無線傳感網智能濕冷與臭氧保鮮系統的設計

成都理工大學劉超英 王科周一峰黃虎郭一鳴

為優化普通濕冷保鮮系統的不足，提高果蔬產品保鮮品質。本文利用ZigBee技術網絡容量大、通信可靠、網絡自愈能力強、安全性高等性能，設計了一套以AVR系列ATmega16微處理器為核心，將ZigBee技術、GSM模塊與濕冷保鮮系統相結合的智能控制果蔬保鮮系統。實時監測保鮮系統工作狀態，及時將故障信息通過GSM模塊反饋給維護人員，提高了工作效率，降低了運維成本，達到最佳的果蔬保鮮效果。

ZigBee；GSM；智能控制

引言

“濕冷系統”最早源于英國，是基于機械制冰和蓄冷的理論基礎發展起來的新型技術。［1］其原理是利用機械制冰積累冷量，獲取0攝氏度左右的水，通過混合換熱器，經過強制通風，讓水和庫內空氣進行傳熱傳質，以取得接近冰點溫度的高濕（90%～96%）空氣。在加濕制冷的同時結合臭氧處理，最終達到良好的保鮮效果，延長貯存時間，保存產品原有風味。

智能無線傳感網絡的發展已經滲透到每個行業，如何利用智能無線傳感網絡技術節約能源、提高濕冷系統的工作效率，并對該系統進行自動化、智能化管理和應用，從而推動整個果蔬行業的發展，已經成為一個熱門話題［2-3］。

1.系統組成

該智能控制系統主要由主控制器、信號采集變送器、蓄電池、穩壓模塊、功放電路、故障檢測電路以及ZigBee無線模塊、GSM模塊等組成。系統的整體結構如圖1所示。

圖1　系統框圖

系統工作原理：

濕冷保鮮系統在結構上屬于完全封閉系統，其內部環境與外界隔離，形成特有的“小氣候”。因此信號采集系統主要針對溫、濕度參數以及臭氧濃度。系統采用模擬開關CD4051實現分時復用，輪流采集溫度、濕度、臭氧濃度傳感器的模擬信號，模擬信號經主控制器進行邏輯判斷、處理后，由功放電路控制相應的繼電器通斷，實現加濕設備，制冷設備等執行機構的控制。

主控制器同時將信號參數以及工作狀態通過ZigBee模塊傳送給系統監制中心，實現管理者對濕冷系統進行實時監控與智能控制。在故障檢測模塊，主控模塊將檢測到的信息通過GSM模塊，發送給手機，有利于管理者在任何時間，任何地點都能掌控保鮮系統的工作狀態，能夠及時地解決系統出現的故障問題，減少損失。

2.系統硬件設計

2.1主控制單元

主控制器采用的是AVR系列ATmega16微處理器為核心，該單片機具有32個8位通用工作寄存器，8路模數轉換器，8路單端通道，32路可編程的I/O口，40引腳PDIP 封裝。其工作電壓為4.5～5.5V，電流為1.1mA，具有高性能、低功耗等特點［4］。

2.2傳感器模塊的選用

溫度測量模塊采用DS18B20溫度傳感器［5］。DS18B20溫度傳感器計是美國DALLAS公司最新推出的一種改進型智能溫度傳感器，不用外加電路，能夠直接輸出數字量。可直接與單片機通信讀取測溫數據，具有線路簡單、性能穩定、體積小、溫度計分辨率能選擇為9～12位的特點。

濕度采集模塊采用HS1101濕度傳感器［6］。溫度工作范圍為 -60 ℃ ～140℃，響應時間小于5s，溫度常數為0.34PF /℃。具有測量精度高、響應時間快、可靠性好、使用壽命長、抗干擾能力強等特點。

濕冷保鮮庫的臭氧濃度取值范圍為0-20ppm，臭氧傳感模塊采用MS-2610 電阻式臭氧傳感器。該傳感器具有靈敏度高、熱響應快、高耐沖擊和振動、尺寸精小等優點［7］。

2.3故障檢測與報修

本系統是主控制器通過傳感器模塊，檢測保鮮系統工作狀態來控制各執行器工作，因此對系統的監測較為復雜。要實現遠程故障監測，需要可正常工作的無線模塊，若保鮮系統出現故障時，主控制系統將監測到無線模塊傳回的數據，向主控平臺發送。主控平臺對收到的數據通過計算和判斷就可知道信息來源與信息數據以及信息的正確性，大大的提高數據的可靠性與穩定性。

系統使用主控制模塊通過UART接口與GTM900C（一款兩頻段GSM/GPRS 無線模塊）無線通信模塊來反饋故障信息。使用標準的AT命令（一種調制解調器命令語言）來控制GSM模塊，以實現控制模塊與手機之間的無線通信功能。管理者通過電腦可知道當前系統的工作狀態。若出現故障，主控模塊將分析處理反饋回來的信息，并向指定的手機號碼發送短信，告知維護人員系統故障信息。系統維護人員通過短信，能夠及時地解決系統出現的故障問題，提高維修效率，降低了損失。

2.4ZigBee模塊

本系統ZigBee模塊采用的是德州儀器（TI）公司的CC2530，是TI推出的符合IEEE802.15.4標準的2.4G射頻收發器。CC2530具有多種運行模式，其電源模式2（睡眠定時器運行）應用最廣泛，功耗僅為1μA，運行模式之間轉換時間快，成本低、短延時性能符合超低功耗要求的系統［8］。

PC上有專門的X-CTU配置工具，采用串口的方式和用戶產品進行通訊，同時對模塊進行發射功率，信道等網絡拓撲參數的配置，使用起來方便快捷。CC2530模塊通過UART 接口直接與ATmega16 控制器的串口0 相應管腳交叉相連。CC2530 模塊的通信系統原理結構如圖2所示。

圖2　CC2530模塊的通信系統原理結構

圖3　系統上位機軟件功能圖

圖4　系統下位機軟件流程圖

3.系統軟件設計

3.1上位機軟件結構

上位機程序是基于由微軟公司開發的集成開發環境（IDE）Visual C++ 6.0編寫的程序，其移植性高，便于人機交互。上位機軟件系統如圖3所示，能夠實時顯示濕冷保鮮系統的溫度、濕度、臭氧濃度、以及各執行器的工作狀態，同時也能反映系統是否出現故障。

3.2下位機軟件設計結構

濕冷保鮮系統控制系統中的ZigeBee通訊模塊CC2530與監控中心保持實時信息交流。當系統通過傳感器模塊檢測到系統的溫度、濕度以及臭氧濃度不符合保鮮條件時，會打開相應的執行器，使得保鮮系統工作條件保持在最佳條件。當系統出現故障時，控制單元會通過GSM模塊，將具體的工作狀態和故障信息發送給管理者，及時地了解和解決系統問題。系統下位機軟件流程圖如圖4所示。

4.總結

本文以AVR系列ATmega16微處理器為核心，利用ZigBee模塊與GSM移動通信相結合，實現了濕冷果蔬保鮮系統的監控與智能控制。本文設計的保險管理系統具有良好的應用前景，希望能給新型的保鮮系統以及果蔬行業帶來良好的發展。

［1］王群.濕冷系統的特點及其在果蔬保鮮方面的應用前景.包裝與食品機械［J］，1995（3）：12-16.

［2］周鑫.ZigBee 遠程無線抄表系統的設計［D］.

［3］張錦濤.基于低功耗自組傳感網智能路燈監控系統的設計實現［J］.電子測試，2013（10）：13-14.

［4］岑康華.基于AVR的果蔬保鮮陳列柜控制系統［J］.2015（5）.

［5］王禹，王飛.一種基于DS18B20的熱網溫度檢測系統［J］.自動化技術與應用，2008（10）：118-121.

［6］林敏，侯秉濤.HS1100 /HS1101電容式濕度傳感器及其應用［J］.儀表技術與傳感器，2001（10）：43-44.

［7］馮賓.濕冷與臭氧保鮮庫自動測控系統設計［J］.2009.

［8］Lamine E L.嵌入式實時操作系統的多線程計算：基于Threa ARM［M］.張炯，譯.北京：北京航空航天大學出版社，2005.

劉超英（1992－），女，四川宜賓人，碩士，現就讀于成都理工大學，研究方向：自動控制。