基于ARM9和ZigBee的生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流溫濕度實時監(jiān)管系統(tǒng)設計

秦寧寧

摘要：生鮮農(nóng)產(chǎn)品在運輸過程中會因溫度、相對濕度等原因而受到影響，造成農(nóng)產(chǎn)品腐爛，為了減少生鮮農(nóng)產(chǎn)品在運輸過程中的損耗，確保冷生鮮農(nóng)產(chǎn)品的保鮮，需要提高生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流信息化程度。基于冷生鮮農(nóng)產(chǎn)品對溫度、濕度的特殊要求，結合先進的傳感器和無線傳輸技術，設計了一種以ARM9與ZigBee網(wǎng)關為核心的生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流溫濕度實時監(jiān)管系統(tǒng)。

關鍵詞：ARM9；ZigBee；生鮮農(nóng)產(chǎn)品；冷鏈物流溫濕度；實時監(jiān)管系統(tǒng)

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2018）18-0098-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.18.025 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Design of Real-time Monitoring System for Cold Chain Logistics Temperature and Humidity of Fresh Agricultural Products Based on ARM9 and ZigBee

QIN Ning-ning

（Yulin Branch of Shaanxi Radio and Television University，Yulin 719000，Shaanxi，China）

Abstract： The fresh agricultural products are easily rotted in the course of transportation because of the temperature，relative humidity and other reasons. It is necessary to improve the information degree of cold chain logistics of fresh agricultural products，so as to reduce the loss of fresh agricultural products during transportation，ensure the freshness of cold fresh and fresh agricultural products. Based on the special requirements of cold raw and fresh agricultural products for temperature and humidity，combined with advanced sensors and wireless transmission technology，a real-time monitoring system for cold chain logistics temperature and humidity of fresh agricultural products with ARM9 and ZigBee gateway as the core is designed in this paper.

Key words： ARM9；ZigBee；fresh agricultural products；cold chain logistics temperature and humidity；real-time monitoring system

生鮮農(nóng)產(chǎn)品的保鮮是冷鏈物流運輸中最大的問題。水產(chǎn)、肉類、蔬菜和水果等生鮮農(nóng)產(chǎn)品屬于易腐爛商品，從采收到加工、貯藏、運輸和銷售的整個環(huán)節(jié)鏈中，都需要讓產(chǎn)品保持在一個低溫的生理環(huán)境下。長期以來，由于“重生產(chǎn)、輕流通”的思想意識，使得中國在冷鏈物流運輸過程中監(jiān)測技術不高，造成生鮮農(nóng)產(chǎn)品在冷鏈物流過程中保鮮不利，腐爛現(xiàn)象突出，導致巨大的經(jīng)濟損失。近年來，隨著中國農(nóng)業(yè)結構升級換代，居民的生活消費水平不斷提高，生鮮農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量與流通量在逐年遞增，人們對生鮮農(nóng)產(chǎn)品的消費觀念也產(chǎn)生了非常大的改變，“高品質、高新鮮”是當前人們對生鮮農(nóng)產(chǎn)品的主要訴求，這也是生鮮行業(yè)的未來發(fā)展方向[1]。

提高農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流實時監(jiān)控技術，確保冷生鮮農(nóng)產(chǎn)品的保鮮，是消費者和經(jīng)營者的迫切需求。本研究基于生鮮農(nóng)產(chǎn)品對溫度、濕度的特殊要求，結合先進的傳感器和無線傳輸技術，設計了一種以ARM9與ZigBee網(wǎng)關為核心的生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流溫濕度實時監(jiān)管系統(tǒng)。

1 無線傳感器網(wǎng)絡、ARM9與ZigBee技術簡介

1.1 無線傳感器網(wǎng)絡技術

無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Networks， WSN）的構成是“微塵（mote）”的微型計算機，由大量體積小，而且有感知與處理能力的無數(shù)傳感器節(jié)點組成，無線傳感器網(wǎng)絡中的傳感器通過無線方式通信，所以每個節(jié)點中微處理器可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線收發(fā)[2]。無線傳感器網(wǎng)絡作為一種分布式傳感網(wǎng)絡，結合了嵌入式計算機技術、分布式信息處理技術、無線通信技術和微電子技術等前沿技術，能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、有限的處理能力、存儲。

1.2 ARM處理器技術

ARM處理器全稱是Advanced RISC Machine，由英國Acorn有限公司推出的低功耗成本、處理能力極強的一款RISC微處理器。ARM處理器總共有37個寄存器，其中有31個是通用寄存器，包含程序計數(shù)器（PC指針），都是32位的寄存器。其余6個是狀態(tài)寄存器，用以標識CPU的工作狀態(tài)和程序的運行狀態(tài)，也是32位，當前只運用了里面的一部分[3]。ARM處理器具有體積小、低功耗、低成本和高性能的優(yōu)點，由于利用的是Jazelle技術，可以使Java加速獲得比基于Java虛擬機（JVM）強很多的性能，與相同的非Java加速核比較，功耗減小80%。ARM處理器增加Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，可以友好地兼具8位/16位器件，提高了性能與靈活性。

1.3 ZigBee技術

ZigBee是關于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，是一種高可靠、近距離的無線數(shù)傳網(wǎng)絡通信技術。支持250 kb/s的數(shù)據(jù)傳送速率，以2.4 GHz為主要頻段，能夠實現(xiàn)一點對多點的快速組網(wǎng)。ZigBee技術有顯著的特點，具有功耗低、速率低、成本低、組網(wǎng)方式靈活、自配置、網(wǎng)絡容量大等特點。功耗低是由于工作模式下，ZigBee技術能實現(xiàn)傳輸速率低，傳輸數(shù)據(jù)量小，所以信號的收發(fā)時間也變少。而在非工作模式下，ZigBee節(jié)點不工作，處于休眠狀態(tài)[4]。成本低是由于ZigBee協(xié)議簡單，降低了對控制器的標準，可以適用8位單片機與規(guī)模更小的存儲器，加之ZigBee協(xié)議不收專利費，在一定程度上大大減小了系統(tǒng)開發(fā)成本。ZigBee技術特征，使得在自動控制與遠程控制領域非常適用，還可以在其中嵌入不同類型的設備。

2 系統(tǒng)總體設計方案

生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流中實現(xiàn)溫濕度的監(jiān)管至關重要，基于ARM9和ZigBee的生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流溫濕度實時監(jiān)管系統(tǒng)主要功能上是對生鮮農(nóng)產(chǎn)品在冷藏車里面環(huán)境溫濕度信息的獲取和處理。在監(jiān)測車廂里安裝監(jiān)測傳感器節(jié)點，各傳感器節(jié)點與節(jié)點之間自行協(xié)調(diào)，并構成通信網(wǎng)絡，以獲取相應信息匯聚到匯聚節(jié)點，經(jīng)過匯聚節(jié)點的簡單處理再發(fā)送到處理節(jié)點，匯聚節(jié)點連接ZigBee網(wǎng)絡，再由ZigBee無線網(wǎng)絡上傳到ARM9處理器，處理完畢完成對應控制之后，將信息上傳到Internet網(wǎng)絡，在電腦或手機終端等終端設備上供管理員管理和控制。系統(tǒng)設計的總體框架如圖1所示。

系統(tǒng)采用的是Windows CE操作系統(tǒng)，屬于嵌入式控制系統(tǒng)，是目前嵌入式用得最為廣泛的控制系統(tǒng)之一，具有資源豐富、網(wǎng)絡功能超強、圖形化界面清晰全面、開發(fā)移植性強等特點。Windows CE操作系統(tǒng)以ARM為核心處理，同時與ZigBee具有良好的技術吻合性，使得在冷鏈物流中實現(xiàn)溫濕度的實時監(jiān)管穩(wěn)定性好、效率高。

在程序編譯環(huán)境方面，以嵌入式系統(tǒng)Windows CE6.0為開發(fā)平臺，開發(fā)者利用Windows CE6.0提供充分的源代碼，編譯、設計自己的代碼與個性的操作系統(tǒng)。并用USB線與PC機連接開發(fā)板，開啟同步工具，可以在PC機上的VS2005實施C++程序的編寫，編寫完成后進行在線調(diào)試，并生成解決辦法，然后下載到開發(fā)板。

在接口驅動程序開發(fā)方面，應用程序設計者利用嵌入式內(nèi)核函數(shù)與硬件層實現(xiàn)交互作用。嵌入式系統(tǒng)Windows CE6.0的流動式驅動面向不同的外設，最后dll文件能夠導出不同標準流式接口函數(shù)，應用程序利用文件API實現(xiàn)對設備訪問。

3 系統(tǒng)的硬件設計

該系統(tǒng)硬件結構中主要分為溫濕度采集、 數(shù)據(jù)傳輸、 數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳播模塊。系統(tǒng)的實現(xiàn)原理是通過溫濕度采集模塊對冷藏車的溫度、濕度進行采集，采集到的數(shù)據(jù)信息由傳輸模塊組裝成幀，然后通過無線傳輸?shù)紸RM9處理器，數(shù)據(jù)處理模塊ARM9處理器對數(shù)據(jù)進行分析處理，然后接入Internet。客戶端軟件通過添加遠程監(jiān)控機的IP與網(wǎng)絡端口號能夠實現(xiàn)網(wǎng)絡通信連接，用戶利用電腦或者手機終端等設備可以隨時讀取生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流溫濕度實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了對ZigBee終端節(jié)點的傳感器數(shù)據(jù)的顯示，同時可以進行管理和控制。圖2為系統(tǒng)整體硬件結構。

3.1 ARM主控模塊選擇

ARM處理器系統(tǒng)芯片選擇的是ARM920T—16/32位微處理，是嵌入式系統(tǒng)主控硬件平臺的關鍵，ARM接口的骨干是AC"97規(guī)格的AC鏈路，ARM接口支持的其他信號包括I/O分離，如聲音解碼芯片置于主板上，MODEM芯片置于ARM插卡上，也就是Codec能夠做在各種的組件上。支持PC及時供電管理信號以及可選/保留。ARM處理器具有體積小、低功耗、低成本和高性能等優(yōu)點，成為處理大量數(shù)據(jù)的首選。圖3為ARM主控模塊系統(tǒng)。

3.2 ZigBee無線模塊硬件設計

為實現(xiàn)無線組網(wǎng)、數(shù)據(jù)包尋找終端達到數(shù)據(jù)交換的目的，把ZigBee無線數(shù)據(jù)傳輸模塊設計分成無線收發(fā)電路、電源電路、JTAG電路與串口轉換電路四部分，其中串口轉換電路能夠實現(xiàn)RS232串口數(shù)據(jù)轉換，JTAG電路可以實現(xiàn)對CC2430的編程與測試。該系統(tǒng)中節(jié)點非常多，因此ZigBee無線模塊硬件設計上也需要大量的節(jié)點，需要增加電源、晶振和天線等。在與其他模塊進行聯(lián)通時，采取串行通信方式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的相互傳送，還可以容納一定的信息量。

3.3 傳感節(jié)點設計

節(jié)點可以分為主節(jié)點和子節(jié)點。主節(jié)點使用的是CC2430-F128（128 kb Flash存儲器）芯片，芯片里面包括A/D轉換器、定時器和看門狗AES128協(xié)處理器，并且還包括2個UART接口與21個可編程I/O控制口。主節(jié)點是全網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器，其功能是實現(xiàn)網(wǎng)絡組網(wǎng)、維護、數(shù)據(jù)的無線接收以及與上位機的通信等作用[5]。子節(jié)點的組成包括CC2430 ZigBee通信模塊、DHT11數(shù)字溫濕度傳感器、89C51單片機、電源模塊構成。主要是對數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)的發(fā)送工作。在生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流溫濕度實時監(jiān)管系統(tǒng)中，傳感節(jié)點用于檢測水溫，同時將檢測到的數(shù)據(jù)無線傳輸給處理端。而電路設計則是測溫模塊、LED指示模塊、復位模塊和電源模塊。圖4為傳感節(jié)點結構。

3.4 GPS模塊硬件設計

GPS作為一個定位系統(tǒng)，具有精度高、全天候、效率高、功能多、操作簡便、應用廣泛等優(yōu)點，在很多領域都有大量應用，在生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流中進行應用，可以實現(xiàn)全天候、全面的監(jiān)控，這樣可以減小信息流通不透明，冷鏈食品組織化程度差，流通設施不足的局面[6]。因此在GPS型號選用上，選取的是WF-NEO-6M型的GPS。WF-NEO-6M具有高性能、低功耗等優(yōu)點。使用u-blox企業(yè)的NEO-6M模組方式，可以采取串口、USB接口連接，把GPS定位得到的信息傳輸至ARM處理器和計算機。圖5為GPS程序流程。

3.5 溫濕度采集模塊設計

在生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流中，溫濕度過高或者過低都會造成生鮮農(nóng)產(chǎn)品的口感、味道發(fā)生變化，使得其產(chǎn)品品質降低或者變質。因此需要實現(xiàn)對冷藏車內(nèi)溫度、濕度等數(shù)據(jù)的精確采集。溫濕度采集模塊應采用DHT11作為核心芯片。DHT11溫濕度傳感器是使用專用的數(shù)字模塊采集技術與溫濕度傳感技術，能夠保證使用的可靠性和穩(wěn)定性[7]。在該系統(tǒng)中，利用C2530的P0_7來連接DHT11的信號線PIN2進達到數(shù)據(jù)傳輸目的。溫濕度采集模塊的實現(xiàn)過程：先是ARM微處理器發(fā)出1組“啟動傳輸”時序，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送的初始化，開啟時序是一個變化的過程，當SCK時鐘處在一個高電平階段，DATA變成低電平，SCK也會隨著變成低電平；當SCK時鐘高電平階段，DATA就會變成高電平。當開啟完成過后，ARM微處理器向SHT10型溫濕度傳感器發(fā)送包含3個地址位、5個命令位的指令，并等待測量完成。當SHT10型溫濕度傳感器測量結尾以后，下拉DATA到低電平處，測量結束。控制器就會觸發(fā)SCK時鐘獲取溫濕度數(shù)據(jù)信息。圖6為溫濕度采集流程。

3.6 嵌入式web服務器

48*

CPHCON=0xa00；

ULCON1=0x03；//數(shù)據(jù)格式是8位，一停止位，無校驗位

UCON1=0x05；//時鐘源是pclk，查詢方式

UBRDIV1=（PCLK/（115200×16）-1）；//設置波特率115200

4 系統(tǒng)測試

在系統(tǒng)測試時，生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流模擬的環(huán)境是用一個冰柜來模擬冷藏車的運輸環(huán)境，把3個終端節(jié)點放置在冰柜的中間位置和兩頭位置，溫濕度傳感器相隔15 min讀取一次數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器節(jié)點將匯總溫濕度傳感器讀取到的數(shù)據(jù)，在PC機上打開頁面主頁，就可以看見測試數(shù)據(jù)，表1為溫濕傳感器采集的數(shù)據(jù)。

頁面上有溫濕度開啟、降溫等選項，測試時首先選擇開啟選項，將命令發(fā)送到CGI程序，經(jīng)由CGI程序對應用程序進行調(diào)用，使2個字節(jié)控制命令能順利地經(jīng)由串口被ARM9微處理器傳送給ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，而這2個字節(jié)其中一個裝載著ZigBee終端節(jié)點的網(wǎng)絡地址，另一個則裝載著控制命令數(shù)據(jù)。命令需經(jīng)由網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，被下發(fā)到ZigBee的終端節(jié)點，該節(jié)點接到命令數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)實時譯成對P2.1口輸出低電平，溫濕度遙控器的開關按鍵一旦被按下，就能打開對應的溫濕度。選擇“降溫”選項進行溫度調(diào)節(jié)，然后點擊“提交”按鈕，這一命令也經(jīng)由網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，被下發(fā)到ZigBee的終端節(jié)點，該節(jié)點接到命令數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)實時譯成對P2.1口輸出低電平，如此以來，溫濕度遙控器的降溫按鍵一旦被按下，溫度隨即降低。

5 小結

基于ARM9和ZigBee的生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流溫濕度實時監(jiān)管系統(tǒng)的設計，給出了系統(tǒng)的設計構架，并探討了系統(tǒng)的硬件與軟件實現(xiàn)方案。設計的溫濕度采集系統(tǒng)適用于生鮮農(nóng)產(chǎn)品在冷藏車環(huán)境里面溫濕度檢測系統(tǒng)的需求。

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