农产品储运监控系统设计与实现

2018-04-11刘雪雪刘笑笑符凯娟

自动化仪表 2018年2期

刘雪雪，刘笑笑，符凯娟，王　强，王　钧

(甘肃农业大学信息科学技术学院，甘肃兰州 730070)

0　引言

随着我国经济的发展以及人们生活水平的不断提高，人们消费观念发生了很大的转变，对果蔬等农产品的需求趋向绿色、新鲜、安全。据统计，从摘取、运送到储存等物流环节，果蔬损失率约为25%～30%，每年亏损数千亿元[1]。由于在农产品储运过程中存在诸多问题，设计一个完善、可靠的储运监控系统至关重要[2]。

以往的农产品运输系统大多为有线通信，虽具有抗干扰、运行可靠等优点,但存在布线繁琐、不利于布局改动以及后期维护等诸多问题[2]。近年来兴起的无线传感器网络能够较好地解决这些问题。其具有节点体积小、成本低、可自组网络等特点。无线传感器网络的目的是感应、采集和处理分析环境信息并发送给监测者。该技术已在国外得到了广泛应用。近年来，该技术在国内也得到了快速发展。黄成丽等[3]研究了ZigBee 技术在智能家居平台的应用方案；叶美松等[4]结合 ZigBee 技术，设计了温室大棚系统；潘鹤立等[5]基于ZigBee和3G/4G技术，设计了分布式果园远程环境监控系统。本文将ZigBee技术、4G技术与嵌入式技术相结合，构建了一个低成本、低功耗的农产品储运监控系统。

1　系统总体设计

农产品储运监控系统结构框图如图1所示。

图1　系统结构框图

本系统以CC2430芯片为核心，开发了无线传感器节点[6]；利用S5PC110微处理器，开发了嵌入式网关管理平台。无线通信网络根据组网结构可分为星形、网状、簇状3种类型。本系统搭建星形网络，即只有一个协调器节点，以及多个终端节点。

终端节点将采集到的环境温度、湿度、二氧化碳浓度等信息通过路由器传送至协调器节点。协调器对这些数据进行相关处理后，通过RS-485串口将数据送至本地的嵌入式网关。网关不仅要对接收到的数据进行分析、处理、保存，并将其传至远程监控中心与用户手机终端，还需作出相应的控制措施。比如，当温度高于农产品的适宜储藏温度，打开空调。

2　系统硬件设计

2.1　无线传感器网络硬件设计

2.1.1ZigBee技术在储运系统中的应用

考虑到长距离、长周期的农产品储运，所用技术必须低功耗、低成本。而IEEE 802.15.4标准正是以低功耗、低成本为主要目标，使得无线传感器网络中的各个设备得以相互连通。基于此标准的ZigBee技术完全符合此要求。

2.1.2无线传感器节点组成

无线传感器网络中的各节点由传感器、数据处理、数据传输和电源管理等模块所构成[7]。在本系统中，传感器模块负责采集车厢内的环境信息；数据处理模块主要控制节点，实现采集信息处理操作、路由通信协议、同步定位管理、功耗控制以及任务管理等功能[8]；数据传输模块通过与其他节点建立连接，实现数据的相互传输；电源管理模块负责为系统供电。

2.1.3硬件选择

①SoC芯片CC2430。

CC2430是系统级芯片(system on chip,SoC)CMOS解决方案的产物。它将2.4 GHz直接序列展频(direct sequence spread spectrum,DSSS)射频收发器和8051芯片控制器相结合，不仅能提高系统性能，可应用于以ZigBee为基础的2.4 GHz ISM波段[9]，而且满足低成本、低功耗的要求。CC2430的RAM为8 KB，且有3种不同版本的外围模块。它们按照不同的闪存空间(32 KB、64 KB和128 KB)来优化复杂度与成本的组合[9]。

②传感器。

根据监控系统在农产品储运过程中的功能要求，选用SHT71温湿度传感器，对监控范围内的温度、湿度信息进行采集。SHT71是数字型温湿度传感器，具有功耗低、响应应时间短、稳定性高等优点，待机电流为0.3 μA[10]。系统采用GSS-COZIR二氧化碳传感器。该传感器的特点是超低功耗(3.5 mW)和高精度，适用于由电池供电的便携式仪器和设备。

③电源模块。

电源为整个系统的运行提供所需的稳定电压。该系统采用容量为1 500 mAh的单节锂电池，并采用AP5056型电池充电管理芯片。它是一款采用恒定电流/电压(4.2 V)的锂离子电池。

2.2　嵌入式网关硬件设计

2.2.1S5PC110微处理器特点

系统采用S5PC110微处理器，其主频可达1 GHz，具有功耗低、尺寸小、稳定性和可靠性高的特点。此外，S5PC110拥有多种外围接口，可供多种驱动设备和软件使用，适用于嵌入式系统的开发和设计。

2.2.2嵌入式网关硬件结构

S5PC110的主板由核心板和底板构成。这两板的接口采用Molex公司生产的0.635 mm表贴接插件，支持HDMI、VGA等显示，板上可以搭载无线WiFi、GPS导航、蓝牙、摄像头等模块。搭建的嵌入式网关以S5PC110为核心，硬件结构如图2所示。

图2　嵌入式网关硬件结构图

①nRF24L01是新型单片射频收发器件，工作于2.4～2.5 GHz ISM频段，数据传输率为1 Mb/s或2 Mb/s。其功耗低、节能性好，满足系统设计要求。

②ME906V型4G模块支持WCDMA(HSDPA/HSUPA)通信标准，可以实现语音、短信、高速数据交换等业务。其上行速度可达5.76 Mb/s，下行速度可达7.2 Mb/s。

③CCD传感器在灵敏度、分辨率以及抑制噪声方面有显著优点，完全满足监控系统对图像采集的需求。

④GPS模块采用GR-85模块。该模块主要负责对GPS定位信息的读取和解析[11]。

⑤通用外围接口。嵌入式网关系统具有丰富的外围接口资源。其中，LCD液晶屏可显示用户所需的实时信息和可触摸型系统操作界面，便于用户对系统的操作。USB接口用于外接标准键盘。以太网接口选用Realtek公司的RTL8201RT网卡芯片，是一种单接口收发器，可实现10/100 MB以太网物理层的全部功能[12]。串行接口采用RS-485型。

⑥该系统的存储模块拓展了256 MB SDRAM的内存和1 024 MB SLC NAND Flash的外围存储器。

⑦电源电路。该系统采用5 V稳压电源作为系统电压输入，通过低压线性稳压电源芯片LDO稳压输出3.3 V和2.5 V[13]。电源芯片采用LT1086CM-33芯片和LT1761芯片。

3　系统软件开发

3.1　无线传感器网络软件设计

3.1.1ZigBee协议栈

ZigBee技术具有传输距离短(5～10 m)、速度慢(250 Kb/s、20 Kb/s、40 Kb/s)、时延短、网络容量大等通信特点，适合无线连接。它具有相应的ZigBee协议标准，可协调多个微小的传感器，从而实现通信功能。

ZigBee的底层协议是基于IEEE 802.15.4标准制定的，且满足无线传感器的低成本、低功耗、高容错性等要求。底层协议仅含有低级介质访问控制(media access control,MAC)层和物理(physical,PHY)层的协议，因而ZigBee联盟制定了其他层的协议[14]。

ZigBee设备应该包括IEEE 802.15.4标准的MAC层、PHY层和ZigBee堆栈层。

3.1.2应用层软件设计

应用层开发主要是编写各个传感器和控制节点的驱动程序。

①温湿度传感器驱动。

运用ZigBee协议框架，对SHT71数字传感器节点编程。编写的.c文件主要实现将数字传感器采集的温湿度信息传至显示器。

②二氧化碳浓度传感器驱动。

本文采用GSS-COZIR二氧化碳传感器。该传感器是基于IR LED、探测器技术和专利设计的光学检测腔体。在本系统中，该传感器主要通过探测头对环境气体进行调整处理[15]。

③控制节点驱动。

控制节点与传感器节点都属于终端节点，预设有温湿度、二氧化碳浓度等环境参数值。将传感器等采集到的实时信息与预设值相比较，若有差距则控制空调、加湿器、除湿器等设备的开闭，使得农产品存储在较为良好的环境条件中，延长其保质期。

3.2　嵌入式网关软件设计

随着无线传感器网络技术的逐渐成熟，物联网技术得到了快速发展，并被广泛应用于人们的生产和生活中，如精准农业、智能家居等。由于ZigBee协议与TCP/IP协议不兼容，所以采用网关来搭桥。网关可以实现两个异构网络(例如无线传感器网络与局域网、互联网和移动4G网络)之间的数据转发，因而用户可以在计算机端或手机终端观测车厢内的环境信息。当某些参数超过设置值时，还可以直接发送命令，比如打开空调、除湿器等设备。由此可见，该系统可以实现对农产品储运的远程监控。

网关是整个储运监控系统的核心，它将ZigBee协调器与标准串口相连，以实现数据传输。无线传感器网络中包含协调器节点和终端节点。协调器节点的功能是：接收终端节点所收集到的数据信息；对数据进行相关处理后，通过串口传至计算机远程监控端或通过无线网络传至手机终端。终端节点的主要功能是：收集车厢内的温湿度、二氧化碳浓度等信息，再将信息处理后传至协调器节点[16]。

系统中，终端采集节点主要包含视频监控模块、4G模块、GPS定位模块。摄像头的主要任务就是将获取的监控画面实时传输到嵌入式网关系统，以便用户随时查看所监控的环境画面。4G模块是手机终端与整个嵌入式系统建立联系的桥梁。GPS模块可以为系统提供地理位置信息，以保证农产品来源的可靠性，同时也可起到导航的作用。系统软件结构如图3所示。

图3　系统软件结构图

嵌入式系统是整个网关平台的核心，它起到协调各个设备正常工作的作用。嵌入式网关平台应用程序主要分为人机交互界面、数据通信和网络等的开发[2]。对比其他技术，QT技术便于用户开发人机交互界面，以及进行一些相对容易的额外扩展，真正地实现组件编程。操作系统使用的是红旗Linux(Red-flag Linux)，采用TCP/IP协议实现网络开发。嵌入式系统结构如图4所示。

图4　嵌入式系统结构图

3.3　上位机系统软件设计

上位机系统软件是基于Windows 7操作系统开发的，采用图形化设计显示器界面，便于用户使用。显示内容包括温度、湿度以及一些控制设置。采集到的各类实时数据被保存到数据库中，以便用户对相关设备(空调、加湿器、除湿器等)进行操控，对历史数据进行查询。上位机系统软件结构如图5所示。

图5　上位机系统软件结构图

4　系统性能测试

4.1　测试方案

系统性能测试在甘肃农业大学一个封闭性的实验室中进行。测试器材为4个终端节点、1个路由器、1个协调器、嵌入式网关平台、上位机。将路由器、协调器、网关、上位机都放置在靠近实验室门的位置。4个终端节点分别实现实验室内温湿度、二氧化碳浓度的采集和对空调、加湿器、除湿器的控制。这4个节点被两两交叉，通过挂钩分别置于距离地面1 m、2.5 m、1 m、2.5 m的高度。数据采样间隔设置为5 min，实验室内温度设置为18 ℃和26 ℃，相对湿度设置为40%。

4.2　测试结果

无线传感器网络在30 s内完成搭建，且在整个测试中系统性能表现良好。随后，协调器节点将终端节点采集到的数据通过RS-485串口发送至嵌入式网关。温度为18 ℃和26 ℃时的节点包接收率曲线如图6所示。

图6　节点包接收率曲线

从图6可以看出，整个系统性能较好，可以正常使用。该系统采用温湿度、气体浓度传感器采集数据，并通过WiFi传至上位机，由LCD液晶屏显示数据。

以下对显示结果进行分析。开始测试时，实验室的温度高于设定值26 ℃，且湿度不足设定值的40%。此时，空调、加湿器、除湿器等设备自动开启。经过数分钟后，环境参数达到设定值，相关设备停止工作。通过对数据采样时间间隔的合理控制，同时考虑到节点的休眠唤醒特点，容量为1 500 mAh的单节锂电池可使无线传感器节点正常工作长达半年之久。