邵玲軒，劉源，吳海云，閆師杰

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基于無線網絡的冷藏車遠程監(jiān)控系統

邵玲軒1a，劉源1a，通信作者，吳海云1a，閆師杰1b

（1. 天津農學院 a. 工程技術學院，b. 食品科學與生物工程學院，天津 300384）

為防止貨物在運輸過程中腐爛變質，確保冷藏車內的環(huán)境達到食品冷凍和保鮮的條件，設計了一種冷藏車遠程監(jiān)控系統。整個系統監(jiān)控部分由ZigBee采集網絡和GSM/GPRS數據傳輸兩部分構成。在單片機作用下，采集節(jié)點對冷藏車內的溫度、濕度、乙烯濃度和CO2濃度進行實時采集，多終端節(jié)點構成數據采集ZigBee網絡。系統通過GSM/GPRS將采集的信息傳送至遠程監(jiān)控中心，控制中心根據設定的環(huán)境閾值，通過單片機控制執(zhí)行機構對溫度、濕度進行調節(jié)。若有異常，系統啟動聲光報警。

冷藏車；GSM/GPRS；遠程監(jiān)控系統；ZigBee網

隨著我國經濟的迅速發(fā)展，人民生活水平日益提高，人們對于食品質量和安全方面的要求也隨之增加。在冷鏈流通領域中，冷藏車運輸因其方便、靈活，已成為冷鏈運輸的主要運輸方式。在冷藏車運送過程中，為確保食品的營養(yǎng)價值和食用價值，避免食品腐臭、過期以及數目上的缺失，提高食品運送的效率，降低環(huán)境污染，在達到最優(yōu)經濟運輸的前提下，需將食品置于合適的環(huán)境下。但在實際情況中，冷藏車在運輸過程中經常出現一些問題，一是制冷機組單組故障或保溫材料局部破損老化，使車廂內局部溫度過高，達不到冷藏要求，導致貨物變質引發(fā)物流損失[1]。二是冷藏車內貨物的種類、數量、位置和租賃客戶的數量等都在變化，整個調整冷藏車內節(jié)點的數目、位置需要可調[2]。三是冷藏車在不斷移動，其內部的環(huán)境參數需要實時控制，且控制難度較大。針對這一情況，文中設計了一套基于GSM技術和ZigBee采集網絡的冷藏車遠程監(jiān)控系統[3]。系統的ZigBee網絡實現了不同的客戶可通過租賃一個協調節(jié)點，通過遠程控制端對冷藏車內多參數進行精確監(jiān)測和控制。

1 系統的組成

系統由ZigBee采集網絡、GSM傳輸和單片機控制部件組成。單片機通過協調節(jié)點與終端節(jié)點進行數據和控制命令的交換，以及各參數閾值的設置。當終端節(jié)點檢測到參數不在設定范圍內時，系統會自動調整，使其維持在設定范圍內。同時，單片機通過GSM模塊完成與監(jiān)控中心的信息交換及控制命令的下達，控制執(zhí)行部件的工作。系統結構如圖1所示。

2 硬件系統的設計

2.1 ZigBee節(jié)點的設計

ZigBee網絡節(jié)點主要包含網關節(jié)點、協調節(jié)點和終端節(jié)點[4-7]。其中，網關節(jié)點由主控單片機和GSM通訊模塊組成，它通過定時接收各協調節(jié)點的數據信息，通過GSM模塊向監(jiān)控中心發(fā)送，同時還將接收監(jiān)控中心發(fā)布的溫濕度控制信息，控制執(zhí)行部件的工作。而協調節(jié)點主要負責給單片機反饋某些信息及向終端節(jié)點傳送命令；終端節(jié)點則負責溫度、濕度、乙烯濃度、CO2濃度等數據信息的采集[4]。

2.1.1 終端節(jié)點組成及工作原理

終端節(jié)點結構圖如圖2所示。

系統采用濕度傳感器DHT11、溫度溫度傳感器DS18B20、乙烯傳感器、CO2傳感器MG811、液晶顯示器LCD1602及單片機最小系統設計終端數據采集節(jié)點，數據采集節(jié)點由單片機在不同時段通過傳感器對各個參數進行測量。首先，將CO2和乙烯的傳感器輸出后的模擬電壓放大，然后通過A/D轉換器變?yōu)閿底蛛妷?，再送單片機系統進行數據處理。溫度傳感器和濕度傳感器都是數字式傳感器，因此不需要A/D轉換，處理后的數據通過無線傳輸模塊向協調節(jié)點傳輸。

2.1.2 終端節(jié)點各模塊設計

（1）溫度檢測模塊

溫度是最基本的環(huán)境參數，在冷藏車運輸過程中，對溫度的測量及控制占據著極其重要的地位。DS18B20是常用的溫度傳感器，它的體積相對更小，成本相對更低，性能更穩(wěn)定，測量的精度相當高。其溫度測量范圍為-55～125 ℃，符合食品保鮮的溫度區(qū)間。

溫度檢測模塊采用單總線數字式溫度傳感器對冷藏車內的環(huán)境溫度進行監(jiān)控和測量，是通過軟件對其進行控制的溫度檢測裝置。DS18B20的數據輸出端與單片機的I/O口相互連接，且為了保證電平的平穩(wěn)性需要連接10 kW上拉電阻。工作時，傳感器所測得的數據信息由程序控制先讀取，然后再進行必要的數據處理。

（2）濕度檢測模塊

在食品冷藏運送過程中，濕度也是影響其存儲壽命的重要因素。DHT11是已校準過的數字信號輸出傳感器。量程濕度是20%～90% RH，溫度是0～50 ℃。由于其測溫范圍較小，不能滿足食品冷藏的需求，因此只用其測量濕度。該系統采用DHT11數字溫濕度傳感器，連接了一個8位的單片機，有很高的可靠性與穩(wěn)定性，且使系統體積小、功耗低，在普通場合滿足需要。濕度采集電路如圖3所示。DHT11采用單總線通訊，只占用一個數據引腳完成數據的輸入輸出。由于冷藏車里面的測量范圍一般都小于20 m，所以在此需加10 kW的上拉電阻。

圖3 濕度采集電路圖

（3）CO2檢測模塊

食品的呼吸作用、水分的蒸發(fā)等都可能導致食品變質，而這些因素與食品貯藏的環(huán)境有著緊密的聯系，除水分、溫度外，空氣中CO2的比例也是影響食品變質的因素，適宜的CO2濃度可達到延長食品存儲期限的目的。MG811對CO2有良好的靈活度和敏感性，且該傳感器受其他外界因素的變化而產生的影響相對較小，具有很高的穩(wěn)定性。

CO2檢測模塊以MG811傳感器為基礎進行構建。MG811輸出30～50 mV的模擬電壓，因此在其信號輸出端接阻抗變換電路。模擬電壓信號通過A/D轉換變成相應的數字信號，根據對應的關系得出CO2測量濃度值。CO2檢測電路如圖4所示。

（4）乙烯檢測模塊

接線示意圖如圖5所示。

C2H4/C-100引腳

由于水果在運輸過程中會產生乙烯氣體，因此可根據冷藏車內乙烯氣體的濃度來判斷水果的成熟程度，從而達到實時監(jiān)測的目的。C2H4/ C-100傳感器操作方便、測量準確、工作可靠，適用于工業(yè)現場或實驗室測量等不同的需求，該傳感器具有電壓和串口同時輸出的特點，方便客戶調試及使用。乙烯檢測模塊采用7NE系列的C2H4/C-100，其測量范圍為0～100 ppm，輸出信號為0.4～2.0 V。

2.1.3 協調節(jié)點

協調節(jié)點負責接收終端節(jié)點發(fā)送過來的數據并進行處理，之后通過它發(fā)送到單片機，是單片機與終端節(jié)點進行通信的媒介。

2.2 GSM通訊

為方便管理人員對冷藏車內參數的遠程控制并及時了解故障信息，系統采用SIM900A完成它與監(jiān)控PC的數據傳送。SIM900A模塊是一款尺寸較小，內置TCP/IP協議棧的 GSM/GPRS模塊[6]。SIM900A模塊提供了TTL接口，為5 V的TTL電平，可以與5 V單片機直接連接。短信模塊里面的電壓穩(wěn)壓器用來給SIM卡的電源供電，正常的電壓幅值為2.8 V或1.8 V。為使SIM卡不受損害，本設計采取SMF05C對其進行靜電保護，其外圈電路的元器件應靠近SIM卡槽?？ú蹫?個引腳的SIM卡座，輸出電流大概為10 mA；SIMCLK為時鐘；VPP不連接。

3 系統軟件設計

3.1 終端數據采集節(jié)點的軟件設計

數據采集模塊如圖6所示。

在終端數據采集系統中，主程序是控制單片機系統進行操作運行的程序，它負責組織調用各子程序模塊，完成系統的初始化、顯示數據等功能。它的運行過程為：系統開始工作后，首先進行數據采集，同時對各個模塊進行初始化，通過A/D轉換完成數據的巡回檢測，并將最終產生的數據通過LCD1602進行顯示。

3.2 GSM數據傳輸軟件設計

SIM900A模塊采用串口（UART）通信，支持移動和聯通的GSM/GPRS網絡信號[8]。使用標準的AT指令控制SIM900A模塊。當使用GPRS網絡進行傳送時，首先要進行網絡設置，建立網絡連接成功后進行數據傳送。圖7為其數據傳輸的程序流程圖。

4 結論

系統采用GSM/GPRS技術和ZigBee采集網絡，根據冷藏車的大小、貨物的種類數量和位置，靈活設置終端節(jié)點的位置和數目，實現了冷藏車多參數多點遠程采集顯示、報警以及冷藏車內溫濕度的控制。設計成本較低，穩(wěn)定性高。

參考文獻：

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[2] 劉喜峰. 基于ZigBee的嵌入式冷藏車環(huán)境遠程監(jiān)測系統設計[D]. 蘭州：甘肅農業(yè)大學，2013.

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[7] 陶平. 基于ZigBee的溫室大棚智能監(jiān)控系統的研究[D]. 四川：西華大學，2012.

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A Remote Monitoring System for Refrigerated Vehicle Based on Wireless Network

SHAO Ling-xuan1a, LIU Yuan1a,Corresponding Author, WU Hai-yun1a, YAN Shi-jie1b

（1. Tianjin Agricultural University, a. College of Engineering and Technology, b. College of Food Science and Biological Engineering, Tianjin 300384, China）

To avoid the goods getting rot and decay, and ensure the environmental condition to meet the requirement for freezing and preservation of goods during transportation, a remote monitoring system for refrigerated vehicle was designed. The system was composed of a ZigBee network acquisition system and a GSM/GPRS data transmission system. Under the control of single chip MCU,some environmental parameters such as temperature, humidity, ethylene concentration and carbon dioxide concentration of the refrigerated truck were real-time collected by the acquisition nodes. ZigBee wireless network for data acquisition was constructed by the multi-terminal nodes. The collected data was transferred to the remote monitoring center by applying GSM/GPRS, and then temperature and humidity adjustment were implemented in line with the environmental threshold of system setting through the MCU. If there was any problem, sound and light alarm was activated by the control enter.

refrigerated vehicle; GSM/GPRS; remote monitoring system; ZigBee network

TP277

A

1008-5394（2016）03-0039-04

2016-03-14

農業(yè)部公益性行業(yè)科研專項“西北特色水果貯運保鮮技術集成與示范——西北特色梨和葡萄貯運保鮮特色及技術集成研究”（201303075）

邵玲軒（1993-），女，內蒙古赤峰人，本科在讀，主要從事檢測與控制方向研究。E-mail：1776188665@qq.com。

劉源（1964-），女，廣東興寧人，教授，碩士，主要從事檢測與控制方向研究。E-mail：lywzwzly@126.com。