基于演化硬件的海鲜物流保鲜系统设计

林 健，陈寿元

（山东师范大学 信息科学与工程学院，山东 济南 250014）

随着经济的发展，人们生活水平的不断提高，人们对于食物的要求越来越高。内陆地区由于距离大海比较远，不像沿海地区经常可以吃到新鲜的海产品。运往内陆地区的海产品主要是通过冷链物流运输[1]，但是在冷链物流运输过程中为了保鲜需要定时查看运输箱内的温度和湿度，对车厢内进行定时调温控制以及定时的洒水。这往往都是根据工作人员的经验进行判定，首先就是不够准确科学，其次就是需要工作人员定期检查很麻烦。科技的推动社会的发展，在各个方面都有很大方面的进步，这就引起我们在海鲜运输方面的思考，使得海鲜的物流运输能够更加科学化，智能化。基于演化硬件技术的传感器不但可以自适应环境的变化，同时可以根据可重构硬件的演化原理利用演化算法(Evolutionary Algorithm,EA)实现自组织，自修复可根据环境的变换来改变自身的结构来实现我们我们的需求。文中主要针对解决新鲜的海鲜在物流运输中科学准确保鲜的目的，设计了基于演化硬件技术的传感器网络和GPRS的温湿度控制系统，解决了工作人员通过观察来调控温湿度的问题[2-3]。本文主要是利用CC2530射频芯片，基于演化硬件技术改进的AM2301数字温湿度传感器及GPRS技术进行应用开发。

1 海鲜保鲜系统流程

本文的设计点主要是运用在物流运输车上，整体的流程如图1。在物流过程中，设置于物流车舱内的温湿度传感器采集终端对车厢内的温度，湿度变化进行实时的采集并通过无线射频模块CC2530进行信息发送，在物流车的司机驾驶处，配备一个带有小型液晶显示的，并带有声音提示功能的控制终端，在该控制终端通过无线接收模块接收车厢内发来的信息并传给控制终端，控制终端把接收到的信息呈现在液晶显示器上，通过与控制终端内部提前编写好的温湿度比较阈值门限进行比较，如果采集到的温湿度数据值超过设定的阈值，该控制端会根据超出阈值范围的大小发出不同的提示音，这时运送货物的人员可以根据该情况控制控制终端发出命令，命令通过无线发射模块进行发送，在车厢内部的调节控制终端接收到相应的命令进行，适当的温度调节或者是进行洒水操作，从而可以保证在运输途中实时的保持车厢内部温度和湿度适宜尽可能的保证海鲜的新鲜程度。与此同时，在控制终端还设有利用GPRS技术的GPRS模块，可以及时的把车厢内的温湿度情况通过GPRS网络上传给物流公司的数据库[4]，物流公司的上位机平台利用数据库中采集到的实时数据通过控制模式库进行模式处理匹配。控制模式库是根据不同海鲜的特性进行编写的数据库信息，在库内包含了各种海鲜的温湿度特性，根据GPRS上传的信息进行海鲜品种比对然后根据模式库中记录的海鲜特性和运输舱内的温湿度进行差分对比，然后根据差值幅值比较做出调节指令，通过GPRS网络发出命令到物流运输车，物流车根据命令类型做出调节。两种方式的结合可以最大程度的保证海鲜的保鲜。

图1 海鲜物流运输车Fig.1 Seafood logistics system

2 海鲜物流保鲜系统硬件设计

本文对于该系统的设计主要体现在硬件方面的设计，其中分为4大部分，第一部分是为控制器单片机周围电路的设计，第二部分为无线通信模块的设计，第三部分是 温湿度采集终端的设计，第四部分就是GPRS模块设计。系统硬件设计构成图如图2。本文采用的单片机是深圳宏晶科技公司生产的STC12LE5A60S2。对于无线通信模块的选择则是选用现在流行应用的CC2530模块，温湿度采集模块的选择采用的AM2301数字温湿度传感器。针对GPRS网络信息的传递本文主要采用的是SIM100模块。

图2 系统功能模块Fig.2 System function module

2.1 STC12LE5A60S2周围电路设计

作为控制舱内的控制单元核心，该单元的设计只至关重要的。STC2C5A60S2/AD/PWM系列单片机是STC生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机是高速/低功耗/超抗干扰的新一代8051单片机。指令代码完全兼容传统8051,但速度快8～12倍。内部集成MAX80专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换。

主要的特点有：与MCS-51单片机完全兼容；高保密性：无法读出，因此无法解密，保护知识产权的首选；超强抗干扰能力；宽温度范围：-40oC~85oC、高可靠性、低电磁辐射，工程应用的首选；超低功耗；高速度：0~80 MHz，最高达90 MHz;该单片机还内置了ISP在线下载单元，用户仅需通过普通的RS232接口即可实现软件的编程下载，节约了编程器，仿真器的硬件投资，同时也使用户系统的升级维护更加方便快捷。

该STC12LE5A60S2周围电路设计主要是起到整个系统的统筹规划作用，首先是处理无线接收模块接受到的车厢内的温湿度参数信息，并把处理好的参数信息进行一个变换以及编码，通过对12864 LCD液晶显示屏的写操作，把采集接受到的海鲜温湿度信息进行一个可视化的显示操作，便于控制人员的可读性，方便接下来的操作。同时可根据在控制单元核心内部预编写的阈值进行比较，得出采集值与内部阈值差距的范围，发出不同的音调和音色的提示音，来通知控制人员目前正在运送的海鲜的温湿度状况，提醒控制人员对海鲜的保鲜措施调节。控制核心单元对调节控制终端发送命令，调节控制终端根据命令做出温度、湿度的调节。在该控制核心单元中预留了一部分端口，为以后的改进或者添加更多的保鲜措施预留接口。

2.2 无线射频模块CC2530

CC2530是用 2.4-GHzIEEE 802.15.4、ZigBee和 RF4CE应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM和许多其他强大的功能。CC2530具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。CC2530的外围电路如下图所示。

CC2530是低功耗的无线射频模块，该模块的周围电路设计主要是为了实现AM2301数字温湿度传感器采集到的运送海鲜的温湿度数据参数进行一个无线模式的信息发送，发送给由STC12LE5A60S2构成的控制核心单元。选用该无线射频模块主要是因为该模块已经成熟的运用在家庭/楼宇的自动化和低功耗的传感器网络中，技术成熟可很好的移植到本文设计的系统中。

2.3 AM2301数字温湿度传感器

AM2301(也叫DHT21)数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。AM2301与CPU控制端连接图如图3所示。每个AM2301传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20 m以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。

图3 AM2301连接示意图Fig.3 AM2301 connection diagram

3 基于EHW技术改进的AM2301传感器设计

3.1 演化硬件

演化硬件（Evolvable Hardware）,简称 EHW，它是根据达尔文的生物进化论的概念提出来的一种新型的可进化的硬件设计方式，该种模式的硬件设计最大的特点就是硬件的“进化性”，所以又有人称之为“进化硬件”。在侠义的概念来讲，该硬件设计技术的目的是指能像生物一样具有自适应性、自组织、自修复特性从而可根据环境的变化而改变自身的结构以适应生存环境。广义上讲只要是将演化功能设计和演化算法相结合的工作都可以纳入演化硬件的概念范畴。演化硬件的公式定义：

EHW=PLDs+EAs

即 演化硬件=可编程逻辑器件+演化算法

上面的公式描述可以明显的表现出演化硬件的结构重组是通过可编程器件的结构可配置性实现的。由于演化硬件具有较好的适应性和自修复性，所以在很多环境比较恶劣的情况下得到青睐，例如深海探测和太空检测等，不利于人工进行修复，需要硬件器件只能得自我重修复功能，可实现设备器件的寿命延长和可持续探测的目的。

3.2 改进AM2301传感器

在本设计中AM2301作为在物流车箱体内部的信息参数采集终端模块，数据采集的正确性、数据采集频率的自我调节都会成为整个活海鲜物流保鲜的重要环节。为了实现传感器能够根据物流车内的温湿度变化采集分析自适应的进行调节数据采集频率和以确保在特殊情况下能够正确反映车厢内的温湿度情况。同时，如果发生AM2301电路损坏的情况为了实现自修复性产生一个条新的可实现原有功能的电路。为了实现多方面的要求，本设计采用演化硬件（EHW）技术进行对AM2301的改进以实现自适应性和自修复行等要求[5]。

将演化硬件机制引入到本系统设计中的传感器部分将会使AM2301温湿度传感器发生一些变化，如图4所示，AM2301传感器结构主要由敏感元件、模拟电路——信号调理电路、A/D转换电路和传输单元组成，如果引入了演化硬件机制到传感器的信号调理电路中去，就可以利用可重构模拟电路在演化处理器的控制下实现信号的放大、滤波等功能，这样使得该部分电路具有潜在的自适应能力。当环境变化导致系统电路功能需求变化或者是电路故障时就可根据EA算法自主的利用可重构模拟器件重的电路资源，寻找到符合要求的可行解：一条新的电路。

3.3 改进AM2301的优势

通过引入演化硬件（EHW）机制，AM2301温湿度数字传感器可实现自适应、自修复的智能化功能。自适应的能力主要体现在当物流保鲜车内的温湿度采集之后，经过数据对比分析如果数据出现异常例如温度超出预设的阈值，湿度过低等现象时，利用EA算法对“0”，“1”的结构串进行操作生成新的结构串然后下载到可重构模拟电路内部达到新的电路，实现在超过阈值时进行比较频繁的信息参数采集达到实时监控真实情况的目的，通过密集数据的采集过程反映出车厢内部变化情况，如图4所示。通过控制舱和调节控制终端的联动操作可实现温度降低湿度上高的操作，保持海鲜的鲜活性。当车厢内部实现了适合活海鲜的温湿度状况时，再次通过EA算法对结构串的操作行程新的结构串模式产生适当的电路，适应当前环境下的温湿度采集频率，减少采集数据和上传数据的频率，实现设备能源的优化和减小数据冗余等情况的产生。

图4 基于演化硬件技术改进AM2301Fig.4 AM2301 based on evolvable hardware technology improvement

自修复性为了延续设备的使用寿命和检测质量的保证，当传感器出现故障时,可重构电路就根据EA算法产生的结构串内容进行相应的结构重组，产生一条新的电路，从而保证了传感器能够继续进行数据采集。

血脂异常是心脑血管疾病的独立而重要的危险因素，它所引起的各种严重疾病已经成为很多国家的重要致死和致残原因，因此积极调脂治疗对减少心脑血管疾病的发生有着非常重要的意义。

4 控制算法

活海鲜保鲜运输存在多种因素的影响例如充氧量、温度、湿度等在本系统中着重介绍对于运输舱内的温湿度的控制。根据控制模式库中匹配对比结果调节运输舱内温湿度的过程中主要是通过降温、加温、增湿和除湿等操作，但是在这些操作过程中存在耦合作用即温度的升高会引起相对湿度的降低，相对湿度的变化也会引起温度的波动，温湿度耦合框图如图5。所以在进行温湿度调节之前要对温湿度之间的耦合现象进行解耦分析[6]，解耦分析在温湿度调节中是十分重要的，被控量之间存在耦合，在调节过程中就会降低系统调节的控制精度和可靠性。本文采用解耦方案为设计前馈补偿器，前馈补偿器解耦是多变量解耦控制的常用方法[7]。该方法原理和结构简单，易于实现，温湿度解耦框图如图6。

图5 温湿度耦合示意图Fig.5 Temperature and humidity coupling schematic diagram

图6 温湿度前馈解耦控制框图Fig.6 Temperture and humidity feedforward decoupling control block diagram

由图得到Y2(s)输出入公式（1）所示（耦合通道视为扰动通道）：

要实现系统解耦，即使Y2(s)不受X1(s)作用的影响，从上式得到前馈补偿器如式（2）。

利用该式可实现系统完全解耦，解耦后的系统成为独立的单回路控制系统，为达到温湿度精确控制的目的，出对系统进行解耦外，还需要采用控制算法进行系统温湿度控制。

通过对温度湿度两者之间的解耦分析，两者之间形成独立的单回路系统提高对温度、湿度的精确控制和可靠性，经过分析本文采用PID控制算法进行温湿度的控制。该算有原理简单、使用方便、适应性广和鲁棒性强的特点，是连续控制系统理论中技术成熟、应用广泛的一种控制方法。

其中，KP为比例系数，积分系数KI=KPT/TI，微分系数KD=KPTD/T。上式表示第k次输出的增量，等于第k次 第k-1次调节器输出的差值[11]。增量式PID控制算法的流程框图如图7所示。

图7 增量式PID控制算法流程Fig.7 Process incremental PID control algorrithm

开始通过演化硬件技术改进的AM2301温湿度传感器间隔固定时间 T将现场温度和湿度与控制模式库中设定的温湿度的差值带入增量式PID算法公式，由公式输出量决定PWM方波的占空比，后续调节终端根据此PWM方波的占空比决定温度和湿度调节时候的调节功率。现场温湿度与目标温度的偏差大则占空比大，调节终端对于温湿度调节功率大，使温湿度的实测值与设定值的偏差迅速减少；反之，二者的偏差小则占空比减小，调节终端对于温湿度调节功率减小，直至目标值与实测值相等，达到自动控制的目的。同时在调节控制的过程中为了实时的监控调节效果，根据演化硬件技术改进后的AM2301就会根据PWM方波的占空比调整可重构电路，可以改变监控传输数据时间间隔，从而在数据调整的过程中更好的实时性更强的监控作用。

5 控制模式

人工控制车载硬件系统编程流程：首先对硬件进行上电初始化，AM2301数字温湿度传感器上电后开始检测运输车厢内的温度湿度等数据参数，并与提前设定的阈值进行比较，如果采集到的温湿度数据参数与阈值差距较大就会通过CC2530无线传输模块发送指令到海鲜运输车的控制舱内，控制显示器接收到数据后，显示到LCD中，根据得到的运输车箱内的温湿度参数信息进行判断，通过控制舱内的控制终端下发调节命令发送给车厢内的调节控制终端，调节控制终端会根据接收到的命令来控制运输车厢内的调节设备进行洒水或者是调节车厢内的温度。该模式的好处在于能够快速的调节运输车箱内的温湿度，可达到及时改变的效果。

自动控制模式：开始的进行模式与人工控制的模式基本相同，不同之处主要体现在，温湿度参数通过GPRS上传到物流控制监控中心，监控中心的监控软件会实时的监控上传的来的温湿度参数，把采集来的温湿度参数存入数据库，并与控制模式库中对应海鲜特性参数进行比对，通过比对模拟绘制出温湿度参数调节对比图。通过温湿度参数调节曲线图中各点的数据分析，做出相应的温湿度参数调节，并通过GPRS网络下传到运输途中的海鲜物流车中的调节控制终端，调节控制终端会根据接收到的命令来控制运输车厢内的调节设备进行洒水或者是调节车厢内的温度。该模式的好处在于可实现自动化的分析，无需人工操作，可实现智能化与自动化的结合。

6 结论

文中主要是针对海鲜运输途中的保鲜问题提供了智能化的支持，利用无线传感器技术和无线射频模块进行信息的采集和发送，达到了智能化的目的，节省人力的同时使海鲜保鲜变得更加科学化，避免了因人为因素而造成的损失。引入演化硬件机制的传感器改进可以更好的延长设备的使用寿命以及信息采集的实时正确性，可针对不同情况做出不同频率的信息采集电路调整，达到节能和真实数据监控的良好效果。自修复性可以更好的保证检测的正确性。对于自动控制模式中存在的数据传输延时问题，会在今后的研究中不断地完善，尽量使得海鲜物流可以更好的实现科学化、智能化。

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