果蔬及肉类和水产品物流业的不断发展, 促使着物流仓储环境参数远程监测系统性能逐渐提高[1,2]。尤其是仓储温度和湿度等参数, 对物流存储物品寿命以及腐损率的影响很大[3]。当前我国的仓储环境参数的监测系统, 几乎处在人工定点的巡视, 以及连线监控两种形式上, 不过两种形式均存在着弊端[4]。其中, 人工定点的巡视形式, 无法降低人力成本, 参数监测的误差也比较大;连线监测形式虽可得到物流仓储环境参数实时变化, 不过管理域维护的成本偏高[5,6]。由此可见, 解决物流仓储环境参数的监测问题日显重要。

提出一种基于Zig Bee的AT指令下大型物流仓储环境参数远程监测系统设计方法, 可有效解决上述问题。

1 物流仓储环境参数远程监测系统总体设计

基于Zig Bee的AT指令下, 大型物流仓储环境参数远程监测系统的组成部分为:协调器, 路由器和终端设备、无线通讯, 各辅助电路等[7]。详细结构如图1所示:

图1 监测系统整体设计Fig.1 Overall design of monitoring system  

1.1 监测系统电源模块设计

系统各节点模块通过外部5 V供电, 但CC2530芯片则要求在3.3 V的电压之下工作。该模块使用HT7533芯片完成电压转换。HT7533有功耗低, 电压跌落低和输出的稳压容差值在±3%的特点, 其电路原理如图2所示:

1.2 监测系统温湿度传感器模块

本文设计的物流仓储环境参数远程监测系统, 采用高精度的温湿度传感器SHT11。其内部集成温度传感器和湿度传感器, 以及信号调理和总线接口等部分。与传感器技术进行高效的结合, 可减少传感器的体积, 提升其性能, 也方便和处理器接口。内部的结构如图3所示:

图2 监测系统电源电路Fig.2 Power circuit of monitoring system 

图3 SHT11结构Fig.3 SHT1 1 structure 

1.3 监测系统气敏传感器模块

物流仓储环境参数远程监测系统的气敏传感器, 采用的是MQ-2气敏传感器[8]。该传感器能够检测到多种可燃性的气体, 以及可燃蒸汽, 这是一款自适应性高低成本的传感器。该气敏传感器的工作电压是直流5 V, 且已经封装好的气敏的元件工具, 有6只针状的管脚, 4个用来对信号进行提取, 2个用来提供加热电流。

MQ-2气敏传感器的气敏元件, 针对不不同的种类和不同浓度气体, 有着不同电阻值。由此, 在利用该类气敏元件时, 其灵敏度调整特别重要。设计该电路, 需要在电压比较器一端, 接MQ-2信号输出脚, 其次, 另一端接可调电位器, 能够调节灵敏度。该传感器电路如图4所示:

1.4 监测系统时钟模块设计

系统的时钟模块为CC2530芯片的工作基础, 该模块的稳定性以及精确性, 是直接可以决定监测系统可靠性的重要因素。CC2530中存在4个时钟源能够选择, 其中两个内部的RC振荡器, 还有两个外部的晶体振荡器。因为CC2530中的收发器需32MHz时钟源, 仅可通过32 MHz的晶体振荡器生成。通过外部32.KHz晶体振荡进行分频之后, 能够产生1 Hz秒信号, 能够用来进行精确的定时。图5为时钟的电路:

图4 MQ-2传感器电路Fig.4 MQ-2 sensor circuit  

图5 监测系统时钟电路Fig.5 Clock circuit of monitoring system 

1.5 监测系统按键和LED以及下载调试接口模块

在物流仓储环境参数远程监测系统中, 其按键与LED不多, 由此能够直接和CC2530I/O口进行连接, 其电路图6、7所示:

图6 监测系统LED电路Fig.6 LED circuit of monitoring system   

物流仓储环境参数远程监测系统的节点程序, 是利用CC-Debugger官方的编成调试器, 实现程序的下载以及调试。其中数据下载以及调试接口的电路如图8所示:

图7 按键电路Fig.7 Key circuit   

图8 下载以及调试接口电路Fig.8 Download and debug interface circuits  

2 监测系统通讯终端设计

数据的通讯单元, 是数据上传核心单元, 信息的来源是协调器串口, 其主要的组成部分为:STM32F103CBT6控制器、SIM卡接口及GSM/GPRS芯片、RS232串口和电源等单元。其中, 主控芯片STM32F103CBT6串口1, 是用来接收源于协调器的物流仓储环境参数, 串口2是用来对GSM/GPRS单元进行指令控制[9]。

3 监测系统软件单元设计

在物流仓储环境参数远程监测系统中, 当协调器启动之后, 则初始硬件与软件, 而后协调器会于默认信道上构建一个网络, 且指定网络标号PANID, 当协调器建网成功之后再进入监测的模式, 有路由或终端的节点要求加入时, 为其提供16位短地址, 有数据申请时, 协调器将接收数据, 并将该数据传送给监测中心[10,11]。

物流仓储环境参数监测系统中的GSM/GPRS通信单元的程序, 主要由主程序模块和数据接收串口的中断程序。其中主程序是用于短信参数查询和警告通知, 内部包含通信单元的初始化, 进入While (1) 循环, 单端短信的接收标识, 同时做下步判断, 将所有程序完成之后, 再回到判断步骤继续进行判断。主程序流程图如图9:

图9 监测系统通信单元主程序工作流程Fig.9 The work flow of the main program of the communication unit of the monitoring system 

4 实验与分析

本文将实验平台搭建在MATLAB2016 a上, 利用本文所设计的物流仓储环境参数远程监测系统, 对某大型物流仓储的环境参数进行远程监测, 观察所提方法监测的数据和实际参数的贴合程度、系统功耗情况, 并对不同方法下的监测系统设计成本进行比较。以此验证所提方法的整体性能, 实验季节为夏季。

(1) 以8am~2 pm作为实验时间, 以温度和湿度为例, 不同方法下物流仓储环境参数和实际环境参数贴合程度如图10所示:

(2) 表1和表2为不同方法设计该系统所用的成本对比:

(3) 图11为物流仓储环境参数远程监测系统的运行功耗对比, 图11 (A) 是监测系统运行时, 各条线路的总功耗, 属于一种比较饱满的状态。

表1 本文方法设计成本Table 1 Design cost of the wethod in this paper  下载原图

图1 0 不同方法温湿度监测值与实际值贴合度对比Fig.10 Comparison of temperature and humidity monitoring values with actual values of different methods   下载原图

表2 当前方法系统设计成本Table 2 Design cost of the current method  下载原图

通过上述实验可以证明, 由于本文方法对于参数的监测结果与实际值贴合程度较高, 所以本文方法对物流仓储环境参数的监测精度, 要比当前方法高。根据市价, 本文各个模块选择的芯片成本都比较低。对于功耗的控制方面, 本文打破了原始能耗饱满的状态, 虽然当前方法对能耗的控制也略有成效, 但本文方法更为优越, 对能耗控制的效果更佳。

本文将能耗低的CC2530作为主控芯片, 并利用数据采集精度较高且成本较低的传感器SHT11, 和传感器MQ-2对仓储环境参数进行采集。从整体上提高了监测精度, 降低了系统功耗和成本。

图1 1 不同方法功耗控制情况Fig.11 Power control of different methods