基于无线网络的冷藏车远程监控系统

邵玲轩，刘源，吴海云，闫师杰



基于无线网络的冷藏车远程监控系统

邵玲轩1a，刘源1a，通信作者，吴海云1a，闫师杰1b

（1. 天津农学院 a. 工程技术学院，b. 食品科学与生物工程学院，天津 300384）

为防止货物在运输过程中腐烂变质，确保冷藏车内的环境达到食品冷冻和保鲜的条件，设计了一种冷藏车远程监控系统。整个系统监控部分由ZigBee采集网络和GSM/GPRS数据传输两部分构成。在单片机作用下，采集节点对冷藏车内的温度、湿度、乙烯浓度和CO2浓度进行实时采集，多终端节点构成数据采集ZigBee网络。系统通过GSM/GPRS将采集的信息传送至远程监控中心，控制中心根据设定的环境阈值，通过单片机控制执行机构对温度、湿度进行调节。若有异常，系统启动声光报警。

冷藏车；GSM/GPRS；远程监控系统；ZigBee网

随着我国经济的迅速发展，人民生活水平日益提高，人们对于食品质量和安全方面的要求也随之增加。在冷链流通领域中，冷藏车运输因其方便、灵活，已成为冷链运输的主要运输方式。在冷藏车运送过程中，为确保食品的营养价值和食用价值，避免食品腐臭、过期以及数目上的缺失，提高食品运送的效率，降低环境污染，在达到最优经济运输的前提下，需将食品置于合适的环境下。但在实际情况中，冷藏车在运输过程中经常出现一些问题，一是制冷机组单组故障或保温材料局部破损老化，使车厢内局部温度过高，达不到冷藏要求，导致货物变质引发物流损失[1]。二是冷藏车内货物的种类、数量、位置和租赁客户的数量等都在变化，整个调整冷藏车内节点的数目、位置需要可调[2]。三是冷藏车在不断移动，其内部的环境参数需要实时控制，且控制难度较大。针对这一情况，文中设计了一套基于GSM技术和ZigBee采集网络的冷藏车远程监控系统[3]。系统的ZigBee网络实现了不同的客户可通过租赁一个协调节点，通过远程控制端对冷藏车内多参数进行精确监测和控制。

1 系统的组成

系统由ZigBee采集网络、GSM传输和单片机控制部件组成。单片机通过协调节点与终端节点进行数据和控制命令的交换，以及各参数阈值的设置。当终端节点检测到参数不在设定范围内时，系统会自动调整，使其维持在设定范围内。同时，单片机通过GSM模块完成与监控中心的信息交换及控制命令的下达，控制执行部件的工作。系统结构如图1所示。

2 硬件系统的设计

2.1 ZigBee节点的设计

ZigBee网络节点主要包含网关节点、协调节点和终端节点[4-7]。其中，网关节点由主控单片机和GSM通讯模块组成，它通过定时接收各协调节点的数据信息，通过GSM模块向监控中心发送，同时还将接收监控中心发布的温湿度控制信息，控制执行部件的工作。而协调节点主要负责给单片机反馈某些信息及向终端节点传送命令；终端节点则负责温度、湿度、乙烯浓度、CO2浓度等数据信息的采集[4]。

2.1.1 终端节点组成及工作原理

终端节点结构图如图2所示。

系统采用湿度传感器DHT11、温度温度传感器DS18B20、乙烯传感器、CO2传感器MG811、液晶显示器LCD1602及单片机最小系统设计终端数据采集节点，数据采集节点由单片机在不同时段通过传感器对各个参数进行测量。首先，将CO2和乙烯的传感器输出后的模拟电压放大，然后通过A/D转换器变为数字电压，再送单片机系统进行数据处理。温度传感器和湿度传感器都是数字式传感器，因此不需要A/D转换，处理后的数据通过无线传输模块向协调节点传输。

2.1.2 终端节点各模块设计

（1）温度检测模块

温度是最基本的环境参数，在冷藏车运输过程中，对温度的测量及控制占据着极其重要的地位。DS18B20是常用的温度传感器，它的体积相对更小，成本相对更低，性能更稳定，测量的精度相当高。其温度测量范围为-55～125 ℃，符合食品保鲜的温度区间。

温度检测模块采用单总线数字式温度传感器对冷藏车内的环境温度进行监控和测量，是通过软件对其进行控制的温度检测装置。DS18B20的数据输出端与单片机的I/O口相互连接，且为了保证电平的平稳性需要连接10 kW上拉电阻。工作时，传感器所测得的数据信息由程序控制先读取，然后再进行必要的数据处理。

（2）湿度检测模块

在食品冷藏运送过程中，湿度也是影响其存储寿命的重要因素。DHT11是已校准过的数字信号输出传感器。量程湿度是20%～90% RH，温度是0～50 ℃。由于其测温范围较小，不能满足食品冷藏的需求，因此只用其测量湿度。该系统采用DHT11数字温湿度传感器，连接了一个8位的单片机，有很高的可靠性与稳定性，且使系统体积小、功耗低，在普通场合满足需要。湿度采集电路如图3所示。DHT11采用单总线通讯，只占用一个数据引脚完成数据的输入输出。由于冷藏车里面的测量范围一般都小于20 m，所以在此需加10 kW的上拉电阻。

图3 湿度采集电路图

（3）CO2检测模块

食品的呼吸作用、水分的蒸发等都可能导致食品变质，而这些因素与食品贮藏的环境有着紧密的联系，除水分、温度外，空气中CO2的比例也是影响食品变质的因素，适宜的CO2浓度可达到延长食品存储期限的目的。MG811对CO2有良好的灵活度和敏感性，且该传感器受其他外界因素的变化而产生的影响相对较小，具有很高的稳定性。

CO2检测模块以MG811传感器为基础进行构建。MG811输出30～50 mV的模拟电压，因此在其信号输出端接阻抗变换电路。模拟电压信号通过A/D转换变成相应的数字信号，根据对应的关系得出CO2测量浓度值。CO2检测电路如图4所示。

（4）乙烯检测模块

接线示意图如图5所示。

C2H4/C-100引脚

由于水果在运输过程中会产生乙烯气体，因此可根据冷藏车内乙烯气体的浓度来判断水果的成熟程度，从而达到实时监测的目的。C2H4/ C-100传感器操作方便、测量准确、工作可靠，适用于工业现场或实验室测量等不同的需求，该传感器具有电压和串口同时输出的特点，方便客户调试及使用。乙烯检测模块采用7NE系列的C2H4/C-100，其测量范围为0～100 ppm，输出信号为0.4～2.0 V。

2.1.3 协调节点

协调节点负责接收终端节点发送过来的数据并进行处理，之后通过它发送到单片机，是单片机与终端节点进行通信的媒介。

2.2 GSM通讯

为方便管理人员对冷藏车内参数的远程控制并及时了解故障信息，系统采用SIM900A完成它与监控PC的数据传送。SIM900A模块是一款尺寸较小，内置TCP/IP协议栈的 GSM/GPRS模块[6]。SIM900A模块提供了TTL接口，为5 V的TTL电平，可以与5 V单片机直接连接。短信模块里面的电压稳压器用来给SIM卡的电源供电，正常的电压幅值为2.8 V或1.8 V。为使SIM卡不受损害，本设计采取SMF05C对其进行静电保护，其外圈电路的元器件应靠近SIM卡槽。卡槽为6个引脚的SIM卡座，输出电流大概为10 mA；SIMCLK为时钟；VPP不连接。

3 系统软件设计

3.1 终端数据采集节点的软件设计

数据采集模块如图6所示。

在终端数据采集系统中，主程序是控制单片机系统进行操作运行的程序，它负责组织调用各子程序模块，完成系统的初始化、显示数据等功能。它的运行过程为：系统开始工作后，首先进行数据采集，同时对各个模块进行初始化，通过A/D转换完成数据的巡回检测，并将最终产生的数据通过LCD1602进行显示。

3.2 GSM数据传输软件设计

SIM900A模块采用串口（UART）通信，支持移动和联通的GSM/GPRS网络信号[8]。使用标准的AT指令控制SIM900A模块。当使用GPRS网络进行传送时，首先要进行网络设置，建立网络连接成功后进行数据传送。图7为其数据传输的程序流程图。

4 结论

系统采用GSM/GPRS技术和ZigBee采集网络，根据冷藏车的大小、货物的种类数量和位置，灵活设置终端节点的位置和数目，实现了冷藏车多参数多点远程采集显示、报警以及冷藏车内温湿度的控制。设计成本较低，稳定性高。

参考文献：

[1] 齐馨. 我国低温冷藏车研究综述[J]. 企业技术开发，2015，34（30）：3-4.

[2] 刘喜峰. 基于ZigBee的嵌入式冷藏车环境远程监测系统设计[D]. 兰州：甘肃农业大学，2013.

[3] 万军. 基于单片机大棚温湿度远程监控系统的设计与实现[D]. 成都：四川电子科技大学，2012

[4 ]吴龚飞. 基于GPRS和ZigBee的粮库智能监控系统的设计与实现[J]. 电子技术与软件工程，2015（6）：70-72.

[5] 张玉英，马睿，刘继超. 基于无线传感器网络的公共设施防盗监测系统的设计[J]. IT技术，2013（34）：41-41.

[6] 甘志伟，闫凯. 基于SIM900A的无线数据采集卡设计与实现[J]. 通信技术，2013（1）：56-58.

[7] 陶平. 基于ZigBee的温室大棚智能监控系统的研究[D]. 四川：西华大学，2012.

[8] 王明新. 基于SIM900A的GSM远程监控系统设计[J]. 电脑知识与技术，2014，10（15）：3500-3508.

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

农业部公益性行业科研专项“西北特色水果贮运保鲜技术集成与示范——西北特色梨和葡萄贮运保鲜特色及技术集成研究”（201303075）

邵玲轩（1993-），女，内蒙古赤峰人，本科在读，主要从事检测与控制方向研究。E-mail：1776188665@qq.com。

刘源（1964-），女，广东兴宁人，教授，硕士，主要从事检测与控制方向研究。E-mail：lywzwzly@126.com。