肉制品精深加工车间智能环境监测系统

梁知非 赵士勇 钱亮亮 金玫秀 邱豪杰

（1.江苏师范大学科文学院 江苏省徐州市 221116 2.连云港福润食品有限公司 江苏省连云港市 222300）（3.连云港市质量技术综合检验检测中心 江苏省连云港市 222006 4.江苏师范大学物理与电子工程学院 江苏省徐州市 221116）

针对当前肉制品精深加工过程中环境监测范围小、监测参数单一、监测方法少等问题，设计了针对肉制品加工环境的监测系统，保证食品加工行业的安全。

1 硬件系统设计

1.1 温湿度测量电路设计

本系统使用SHT20 温湿度传感器检测温度，Sensirion 公司的SHT20 温湿度传感器在一片CMOSens 芯片上集成了一个电容式湿度传感器、一个带隙温度传感器和专门的模拟与数字集成电路，此外，传感器还内置了A/D 转换器、放大器等信号处理电路。传感器内部默认的检测分辨率为相对湿度12bit、相对温度14bit，可通过输入指令将温度、湿度检测分辨率分别改变为8bit、12bit、14bit，其测温误差为0.3℃、测湿温差为3.0%RH。SHT20 温湿度检测芯片包括一个用于测量湿度的电容式湿度传感器元件、一个用于测量温度的带隙温度传感器元件以及一个CMOSens 芯片，CMOSens 芯片将传感器采集到的模拟信号转化为相应的数字信号，并通过I2C串行总线通信方式输出。

1.2 粉尘浓度检测电路设计

粉尘检测采用了夏普公司开发的GP2Y1010AU0F 传感器，它可用于感应空气中的尘埃粒子。传感器内部有一检测狭缝，狭缝两侧分别内置一个红外发光二极管和光电晶体管，红外二极管在狭缝内定向发射红外光，同时光电晶体管检测经过空气中灰尘折射过后的光线并输出相应的电信号，通过输出电压值来判断灰尘的含量。GP2Y1010AU0F 传感器的功耗很低，用11mA 左右的电流就可驱动，电源电压为5-7V。传感器输出与空气中粉尘浓度成正比的模拟电压信号。

1.3 控制通信系统设计

本系统使用STM32 系列中的STM32F407ZGT6 单片机作为微处理器，该单片机性能优越，拥有192KB SRAM、1M FLASH、2个32 位定时器、12 个16 位定时器等丰富的单片机资源，最大工作频率可达168MHz。乐鑫公司开发的ESP8266EX 模块拥有完整且强大的无线通信网络功能，并且具有集成度高、稳定性强、功耗低等优势，可以满足大部分场合的应用。

2 软件设计

2.1 粉尘浓度检测

根据GP2Y1010AU0F 检测粉尘浓度的原理，在系统程序中，首先是对GP2Y1010AU0F 模块的初始化，然后用MCU 的I/O 口驱动传感器内部的红外发光二极管，再通过ADC 采样来检测输出电压值。将GP2Y1010AU0F 粉尘浓度检测传感器的初始化和浓度检测分别设计成以下两个函数：

void GP2Y_Init(void)；u16 Get_GP2Y_SingleValue(void)；

其中GP2Y_Init()是传感器的初始化函数，Get_GP2Y_SingleValue(void)函数实现GP2Y1010AU0F 传感器检测粉尘浓度的功能，在主程序中调用一次可进行一次粉尘浓度检测，并得到经转换后的粉尘浓度值。传感器输出电压值与粉尘浓度的关系比例图可以得出输出电压值与粉尘浓度的关系为：DustDensity=0.17*OutputV oltage-0.1，并根据此关系函数将AD 采样得到的电压值转换为最终的粉尘浓度值。

2.2 温湿度采集

SHT20 温湿度传感器是通过单片机的I2C 总线与MCU 进行数据的传输。II2C 总线由数据线SDA 和时钟线SCL 两条线构成通信线路，既可以发送数据，也可以接收数据。2C 总线是目前广泛运用于微电子通信控制领域的一种总线标准，也是同步通信的一种形式，具有传输速率高、使用简单、接口线少等主要优点。MCU 发出的控制信号分为地址码和数据码，地址码用于选址，接通需要控制的设备；数据码为传输内容且各IC 设备彼此独立。

为了实现系统的温湿度采集功能，本系统遵循程序设计“接口化、模块化”的原则，将SHT20 温湿度传感器的初始化、温度采集及湿度采集分别设计成了如下三个函数：

void SHT20_Init(void)；

float SHT20_CalTemp(void)；

float SHT20_CalHumi(void)；

其中SHT20_Init()是STH20 温湿度传感器的初始化函数；float SHT20_CalTemp(void)函数实现了SHT20 温湿度传感器的温度测量功能，并得到转换后的温度数据；float SHT20_CalHumi(void)函数实现了SHT20 传感器的湿度测量功能，得到转换后的湿度数据。

2.3 数据云平台处理

在系统中，前端的传感器采集到车间环境中的粉尘浓度与温湿度信息后，还需要进一步通过无线通信模块将数据上传到云端，进行后续的远程人员监控及数据可视化处理，本系统使用的无线通信模块是乐鑫公司的ESP-01S 模块，只需要通过AT 指令即可完成对ESP8266 模块的控制。AT 指令是用于终端设备与计算机客户端通信的指令，可以通过终端设备发送AT 指令来控制移动设备，达到与GSM 网络业务交互的目的。

本系统遵循程序设计“接口化、模块化”的原则，将EXP8266无线通信模块的初始化、发送AT 指令及数据上传分别设计成了如下三个函数：

voidESP_Init(void);

boolESP_Cmd(char * cmd, char * reply1, char * reply2, u32 waittime );

boolESP_SendString ( FunctionalStateenumEnUnvarnishTx, char *pStr, u32 ulStrLength, ENUM_ID_NO_TypeDefucId );

2.4 环境监测定位系统

为了多方位检测加工车间的整体环境质量，通过轨道机器人搭载多个传感器，配合室内定位，可以得到加工车间整个二维空间的环境参数，从而多肉食品深加工车间进行多方位监控。本系统采用DW1000 模块完成本系统中轨道机器人的超宽带(UWB)室内定位功能。

DW1000 主要通过STM32 的SPI 驱动，SPI 即串行外设接口，是摩托罗拉(Motorola)公司推出的同步串行接口技术，是一种高速的全双工同步通信总线。本系统遵循程序设计“接口化、模块化”的原则，将DW1000 模块的初始化与定位分别设计成如下两个函数：

void DW1000_Init();

void DW1000_LocationCalculate();

其中void DW1000_Init()是DW1000 模块的初始化函数，void DW1000_LocationCalculate()实现了DW1000 模块之间的超宽带数据传输，通过数据处理得到DW1000 标签模块与各基站模块之间的距离。该部分的程序流程如图1所示。

3 系统调试与实验

系统硬件调试的过程主要包括检查系统各模块的电路焊接是否正确、是否有断路或虚焊等焊接技术问题、各模块是否连接正确、元器件是否损坏等。

3.1 环境检测系统

粉尘传感方面，系统每10 次检测传感器输出电压后做一次平均滤波，将输出电压平均值转换为对应的粉尘浓度后作为一次输出结果，通过UART 串口打印输出到串口上位机中。在调试粉尘浓度检测功能之前，用万用表确认传感器模块与单片机最小系统之间的连接是否正确，然后再给系统上电。经测试，粉尘浓度检测功能可以正常运行。

温湿度采集方面，首先用万用表检查并确认模块的连接是否正确，即温湿度传感器模块SHT20 的各引脚与单片机最小系统的对应引脚正确连接，然后便开始测试SHT20 传感器模块采集温湿度数据的功能。测试时，设计程序让单片机每完成一次温湿度的采集后就实时将采集的数据通过单片机的UART 串口传输到电脑的串口调试上位机中并打印出来，在上位机中可查看具体的采集数据值。经过测试，系统的温湿度采集功能可以稳定运行。

3.2 ESP8266功能测试

ESP8266 的功能测试主要包括AT 指令能否正常使用、能否成功连接热点、能否连接TCP 服务器、能否成功上传数据到云平台等。由于模块预留的引脚较多，在进行EPS8266 的功能测试之前，需用万用表检查与单片机是否连接正确。

将测试程序下载到单片机，给系统供电，系统采集室内粉尘浓度、温湿度数据并实时上传到云平台，待系统稳定工作一段时间后打开网址登陆到ThingSpeak 云平台，切换到历史数据可视化界面查看系统采集到的环境参数历史数据。

3.3 室内定位功能

在测试室内定位功能前，编写测试程序计算标签模块分别到三个基站模块的距离，并通过标签模块的OLED 屏显示出来。首先将超宽带定位的三个基站模块布置在室内的三个角落，用万用表检查基站模块和标签模块各自连接无误后接上电源。待系统稳定后，标签模块的OLED 屏上准确地显示出标签到三个基站地距离。

接下来编写测试程序令系统将测得的标签模块到三个基站地距离通过UART 串口传输到定位上位机中，并通过三角定位算法计算出标签的准确位置，在上位机中显示出来。此外，上位机还可以显示多次计算数据，实现标签运动轨迹的可视化。

4 结语

针对肉食品深加工过程中由于储存及加工环境不当造成新鲜度降低甚至变质的问题，本文分别从肉食品车间的环境参数采集、数据上传、云平台数据可视化、室内定位等几个方面进行研究，为肉食品深加工车间环境的多方位实时监测提供了解决方案。