基于STM32的生鮮監控系統設計

陳俊杰 鐘小華 沈靈威 馮毅烽 鐘廣澤

（廣東白云學院機電工程學院，廣東 廣州 510450）

0 引言

目前在快遞運輸行業中，生鮮、蔬果的運輸方案多以冷鏈運輸為主，而不同的食品所需要的冷凍條件不同，因此無法實現對小批量、多種類食品的獨立運輸。隨著經濟的發展，人們的生活水平不斷提高，人們對生鮮物品的需求量增大，對生鮮物品的種類也提出了更高的要求，而快遞行業的發展則為居民提供了一種選購不同時令蔬果的新方式。不同地方培育不同的時令素菜，為了能夠保證蔬菜從原產地到達消費者手中時仍能保持最佳的狀態，需要對產品保鮮的方式進行改進和優化[1]。

1 監控系統總框架設計

該生鮮冷鏈快遞運輸監控系統采用PC 機為主控系統，下位機采用STM32 為保鮮箱控制芯片。如圖1 所示，每個保鮮箱具有獨立的采集箱體內環境信息的溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器以及氧氣傳感器等傳感器，保鮮箱控制芯片接收環境信息后，用無線網絡發送至主控系統（PC 機）并進行數據比對，主控系統判斷并下發指令控制電磁閥組調節箱體內的環境條件。

圖1 生鮮冷鏈快遞運輸監控系統框圖

1.1 箱體結構設計

箱體由一次成型的材料制成，箱體內設計有夾層用來放置隔熱保溫的材料，可以有效防止環境條件的大幅度改變，同時也可以減輕因大幅度的碰撞而導致食品的損壞。如圖2所示，箱體內設計有通氣口與排氣口，能輸送與排出冷空氣，以保證箱體內部可以保持良好的保存環境。箱體底部設計有卡扣，能夠與車廂底部進行連接，防止箱體因剎車等車輛操作而導致出現箱體滑動的現象[2]。箱體內還設有無線充電接口，可以給STM32 模塊、傳感器模塊、電源模塊、人機交互模塊以及其所屬的電磁閥等元件供電。裝車時能夠即插即用，最大程度地實現無線化，以節約裝車以及卸貨時花費的時間成本。

圖2 箱體結構示意圖

1.1.1 RFID 射頻模塊

RFID 射頻標簽模塊由RFID 射頻標簽（如圖3 所示）和讀卡器（如圖4 所示）組成，讀卡器可以對RFID 標簽進行讀寫，并把箱體中所放置的產品信息以及儲藏條件寫入保鮮箱控制芯片并顯示出來，并且在產品裝車時將所有產品信息寫入并上傳至服務器。RFID 讀卡器分為有線部分與無線部分，有線部分使用RS485 接口和485 協議將數據傳輸至駕駛室。當產品運輸到驛站時，RFID 讀卡器切換至無線模式，在讀取了RFID 標簽的數據后通過TCP/IP、Wi-Fi 或4G 模塊將數據直接傳輸至服務器[3]。

圖3 RFID 射頻模塊

1.1.2 傳感器模塊

每個箱體內部都配備了相應的溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器和氧氣傳感器，溫濕度傳感器通過modbus 協議將數據傳輸給STM32 主控芯片，二氧化碳傳感器和氧氣傳感器通過串口協議將數據傳輸給STM32 主控芯片。

1.1.2.1 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器（如圖4 所示）采集箱體內的溫濕度信息，如果環境溫濕度低于數據庫錄入的標準值，就及時將警報信息發送至主控芯片，防止因溫濕度條件而導致產品的損壞。溫濕度傳感器使用modbus-RTU 協議將相關溫濕度數據傳送給STM32 主控板。modbus 中包括主機地址、從機地址、功能碼、數據地址、數據長度、數據以及CRC-16 冗余校驗碼。使用冗余校驗碼對數據進行校驗，以驗證數據是否正確，如果經過校驗發現數據有誤，就通知傳感器重新發送溫濕度數據。

圖4 溫濕度傳感器

1.1.2.2 二氧化碳傳感器

二氧化碳傳感器利用NDIR 紅外吸收的原理檢測箱體內的二氧化碳濃度信息，保證其精度維持在50 ppm±5% F.S（25 ℃），以防止因二氧化碳濃度過高而出現水果腐爛的現象。二氧化碳傳感器使用USART（串口）通信進行數據傳輸，USART 使用異步雙工，非阻塞模式，保證數據傳輸效率的最大化。同時數據末端設置有奇偶校驗位，以校驗數據是否準確。

1.1.2.3 氧氣傳感器

氧氣傳感器通過探頭檢測箱體中的氧氣濃度，如果濃度與標準濃度不符，就及時將信息傳遞至主控板，讓電磁閥運作調整合適的氧氣濃度條件，從而使產品能夠保存更長的時間。氧氣傳感器模塊也可以使用4G 模塊或TCP/IP 與STM32主控板、服務器進行通信。運輸過程中氧氣傳感器也處于有線模式，通過USART（串口）與STM32 主控板進行數據傳輸。在到達了驛站時可切換為無線模式，并將數據上傳至服務器。

1.1.2.4 電源模塊

電源模塊在裝車時也會接入無線充電模塊進行充電。當卸車或其他意外情況導致箱體內設備斷電時則會啟動給STM32 模塊、傳感器模塊、電源模塊、人機交互模塊以及其所屬的電磁閥等元件供電，避免因斷電而出現食品、產品損壞的現象。電源模塊的主要參數為輸出電壓12 V/5 V，輸出電流5 V/2 A 和12 V/3 A。該文使用的是容量為9 800 MAh 的電池，可以同時保證蓄電能力與供電能力。并且在發生意外情況（例如車輛蓄電池電量不足、進入加油站加油）時還可以臨時地給箱體供電，以免因車輛電量不夠熄車，使箱體內無法及時提供冷凍介質等條件而出現食品、產品損壞的現象。

1.1.2.5 人機交互模塊

人機交互模塊（如圖5 所示）觸摸屏主頁面會顯示箱體的ID 號、箱體內的溫濕度、二氧化碳濃度和氧氣濃度信息，以監測箱體內的環境條件，同時按下觸摸屏的按鈕后就會進入服務器數據頁面，顯示服務器發送的查詢信息指令以及發送給服務器的具體數據信息。LCD 屏幕分為駕駛室部分與箱體部分，駕駛室LCD 屏幕上顯示某一箱體的環境信息，還設計有按鈕，可以切換顯示其他箱體的環境信息，并且可以在觸摸屏上手動調整箱體中電磁閥等元件的啟動與關閉，從而改變環境條件。箱體部分的LCD 觸摸屏只顯示當前箱體內的環境信息，同樣也可以在箱體的觸摸屏上手動調整箱體內相關元件的啟動與關閉，從而改變環境信息。箱體觸摸屏與駕駛室觸摸屏設定有改變條件的優先級，無法同時調整。如果在運輸過程中，那么設定駕駛室觸摸屏為最高優先級，如果送達驛站進行分發時，那么設定箱體觸摸屏為最高優先級。

圖5 LCD 觸摸屏

2 系統的控制設計

2.1 控制程序設計

系統（如圖6 所示）開始工作時，傳感器開始采集環境數據信息，并通過485 接口與串口將信息傳遞至STM32 主控芯片，然后主控芯片打開接口接受傳感器發送的環境信息數據，并把相關數據信息傳遞至服務器模塊，在服務器的數據庫中對數據進行比較，并獲取當前批次產品的環境信息下發回本地端的主控芯片，主控芯片接收信息后，將服務器中接收的信息與傳感器傳遞的信息進行比較，如果傳感器傳遞的信息與服務器的數據有差異，就會開啟電磁閥的進氣口與排氣口進行換氣操作；如果溫度高于規定溫度，那么進氣口通入冷凍介質，排氣口不進行操作，直至達到規定溫度；如果溫度低于規定溫度，那么進氣口與排氣口同時打開，通入空氣進行換氣操作，直至達到規定溫度。如果二氧化碳濃度低于規定閾值，就會打開二氧化碳氣罐向進氣口通入二氧化碳。主控芯片也可以接受外部人員的直接控制，駕駛室中安裝有手動操作模塊，如果客戶發現箱體環境與標準儲藏環境有差異，就可以通知駕駛室中的人員使用手動操作模塊進行操作，手動改變儲藏條件。

圖6 控制程序流程圖

3 結語

該文設計了一個基于STM32 的生鮮冷鏈快遞運輸監控系統，分別介紹了監控系統總框架設計和系統的控制設計。該系統以下4 個優點：1）能夠解決當前市面上無法小批量運輸有條件要求的生鮮冷凍食品的困難。2）把信息傳遞到客戶終端，可以讓客戶更為直觀地觀測到食品的情況，滿足客戶對于健康的需求。3）運用智能運輸系統的設計，節省了運輸成本，具有較高的經濟效應。4）設計有隔溫夾層，使箱體在取出車廂后的一定時間內仍然具有儲藏功能。

綜上所述，該系統符合生鮮冷鏈運輸的環境并且有很高的效率和經濟效應，具有良好的應用前景。