尹飛凰等

摘要：針對(duì)馬鈴薯在儲(chǔ)藏過(guò)程中易凍窖、傷熱、發(fā)芽和黑心等問(wèn)題，采用ZigBee無(wú)線通信技術(shù)設(shè)計(jì)了環(huán)境參數(shù)智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)改善馬鈴薯的儲(chǔ)藏環(huán)境，系統(tǒng)主要由環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、監(jiān)控終端、空調(diào)及風(fēng)機(jī)控制節(jié)點(diǎn)組成。環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)傳感器DHT11采集周圍環(huán)境中的溫濕度參數(shù)，再將采集時(shí)間、節(jié)點(diǎn)ID和溫濕度等數(shù)據(jù)打包，通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)控終端；監(jiān)控終端采用嵌入式處理S3C2410開(kāi)發(fā)，接收、處理、顯示和分析來(lái)自各環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的溫濕度信息，根據(jù)適宜馬鈴薯儲(chǔ)藏的環(huán)境參數(shù)，自動(dòng)控制空調(diào)和風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)，使馬鈴薯儲(chǔ)藏在最佳的環(huán)境。通過(guò)對(duì)儲(chǔ)藏室24 h的測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，能夠自動(dòng)控制空調(diào)和風(fēng)機(jī)調(diào)整儲(chǔ)藏室的溫濕度環(huán)境參數(shù)，對(duì)建立智能化農(nóng)產(chǎn)品倉(cāng)儲(chǔ)管理具有重要意義。

關(guān)鍵詞：馬鈴薯儲(chǔ)藏；溫濕度環(huán)境；自動(dòng)控制；農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化

中圖分類號(hào)： TP274+.1；TP273；S126文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2014）09-0374-03

收稿日期：2013-12-12

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：60974005）。

作者簡(jiǎn)介：尹飛凰（1975—），女，河南鄭州人，碩士，講師，研究方向?yàn)殡姎夤こ膛c自動(dòng)控制。E-mail：yinfeihuang@126.com。我國(guó)每年播種的馬鈴薯面積在533.33萬(wàn)hm2左右，是世界上馬鈴薯產(chǎn)量最大的國(guó)家。如此巨大的馬鈴薯資源不可能在短時(shí)間內(nèi)完成加工，所以馬鈴薯在加工生產(chǎn)前需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的儲(chǔ)藏[1]。目前我國(guó)大部分地區(qū)還是以傳統(tǒng)的地下窖的方式儲(chǔ)藏馬鈴薯，這種方式導(dǎo)致無(wú)法調(diào)節(jié)環(huán)境的溫度和濕度，也不能通風(fēng)換氣，為儲(chǔ)藏期間病害發(fā)生創(chuàng)造了條件，以至于在春季開(kāi)窖的時(shí)候出現(xiàn)凍窖、爛窖、傷熱、發(fā)芽和黑心等現(xiàn)象[2]。吳曉玲等研究了不同的儲(chǔ)藏溫度對(duì)馬鈴薯營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量及酶活性的影響，結(jié)果表明，在0～4 ℃時(shí)，馬鈴薯的可溶性糖和還原糖含量最高，淀粉酶活性最高，有利于促進(jìn)蛋白質(zhì)的合成，提高蛋白質(zhì)的含量[3]。另外，環(huán)境過(guò)濕易促使馬鈴薯塊莖發(fā)芽，過(guò)干則易造成塊莖失水變軟皺縮，失去飽滿度，濕度在85%左右可減少馬鈴薯萎縮失水，保持表皮保鮮[4]。為實(shí)現(xiàn)馬鈴薯的安全儲(chǔ)藏，本研究設(shè)計(jì)了適宜馬鈴薯儲(chǔ)藏的環(huán)境參數(shù)智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，采用ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)采集分布在儲(chǔ)藏室內(nèi)的溫度和濕度，通過(guò)控制室內(nèi)空調(diào)和風(fēng)機(jī)，使儲(chǔ)藏室內(nèi)的溫度控制在0～4 ℃，濕度控制在85%左右，避免了馬鈴薯收獲后的二次損失，使馬鈴薯保持最大的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。

1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

為了使整個(gè)馬鈴薯儲(chǔ)藏室內(nèi)各個(gè)角落的溫濕度控制在最佳值，必須先獲取準(zhǔn)確的環(huán)境參數(shù)，再根據(jù)當(dāng)前的狀態(tài)控制相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)。馬鈴薯儲(chǔ)藏的環(huán)境參數(shù)智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由監(jiān)控終端、環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、空調(diào)及風(fēng)機(jī)控制節(jié)點(diǎn)組成，環(huán)境參數(shù)智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于馬鈴薯存儲(chǔ)空間相對(duì)不是太大，但是要想通過(guò)有線的形式將節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳到監(jiān)控終端，顯然布線是相當(dāng)復(fù)雜的，考慮到數(shù)據(jù)的傳輸量不是很大，且傳輸距離較短，系統(tǒng)選擇了ZigBee無(wú)線通信技術(shù)。ZigBee具有超低功耗特性，采用干電池獨(dú)立供電，保證了一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以連續(xù)工作1～2年。設(shè)置好參數(shù)后，各節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控終端組成星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸[5]。

根據(jù)儲(chǔ)藏室的空間大小和馬鈴薯的密度，確定監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和擺放位置。在系統(tǒng)中每個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)具有唯一的地址識(shí)別ID，采集周圍環(huán)境中的溫濕度，并通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)控終端[6]；監(jiān)控終端負(fù)責(zé)接收、處理、分析、顯示和存儲(chǔ)從各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，當(dāng)馬鈴薯儲(chǔ)藏室內(nèi)的溫度過(guò)低或過(guò)高時(shí)，通過(guò)控制空調(diào)或者風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)，使室內(nèi)的溫度達(dá)到最佳后停止工作。同時(shí)，為了使空調(diào)的效果快速并均勻地達(dá)到各個(gè)角落，儲(chǔ)藏室的內(nèi)空氣循環(huán)風(fēng)機(jī)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，整個(gè)室內(nèi)的溫度更加均勻，避免出現(xiàn)局部過(guò)熱或過(guò)冷的現(xiàn)象；當(dāng)室內(nèi)的濕度過(guò)高或者過(guò)低時(shí)，通過(guò)控制換氣風(fēng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)，排風(fēng)或者進(jìn)風(fēng)對(duì)室內(nèi)的濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到控制濕度在馬鈴薯的最佳保持范圍。

2監(jiān)控節(jié)點(diǎn)硬件平臺(tái)

監(jiān)控節(jié)點(diǎn)主要分環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和空調(diào)風(fēng)機(jī)控制節(jié)點(diǎn)2種類型，共用一個(gè)硬件平臺(tái)開(kāi)發(fā)而成。

2.1節(jié)點(diǎn)硬件平臺(tái)

環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)主要由單片機(jī)控制器ATmega128L、溫濕度傳感器DHT11、ZigBee通信模塊CC2420、8位地址選擇撥碼和干電池等組成；空調(diào)風(fēng)機(jī)控制節(jié)點(diǎn)沒(méi)有配備溫濕度傳感器DHT11，而是增加了繼電器和與空調(diào)的接口模塊。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

單片機(jī)ATmega128L主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各模塊之間的工作，每個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)通過(guò)8位地址選擇撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)置獨(dú)有的ID；控制器ATmega128L通過(guò)SPI接口與ZigBee通信模塊CC2420連接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，包括設(shè)置模塊的工作模式、頻道分配、傳輸速率和功率等；通過(guò)P0.1口直接與溫濕度傳感器DHT11連接讀取溫濕度數(shù)據(jù)，并通過(guò)PWM口驅(qū)動(dòng)功放三極管控制繼電器的開(kāi)合，來(lái)控制風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)；與空調(diào)的通信采用RS232接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)的工作模式和溫度的調(diào)整控制[7]。

2.2節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的軟件開(kāi)發(fā)采用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)，由AVR Studio編寫C語(yǔ)言程序，經(jīng)過(guò)GCC交叉編譯得到能在單片機(jī) ATmega128L 上可運(yùn)行的HEX文件[8]。程序由一個(gè)主循環(huán)函數(shù)和多個(gè)子函數(shù)組成，各子總能的執(zhí)行是通過(guò)調(diào)用子函數(shù)完成的，包括ZigBee無(wú)線通信模塊CC2420的配置、溫度傳感器DHT11的數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)打包、發(fā)送和指令的接收等。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件工作流程如圖3所示。

監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)上電后，單片機(jī)ATmega128L進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括讀取自身的地址ID、對(duì)單片機(jī)內(nèi)部各寄存器狀態(tài)、ZigBee無(wú)線通信模塊CC2420的工作方式、頻道分配、傳輸速率和功率等的配置等，然后建立與監(jiān)控終端的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接，連接成功后進(jìn)入循環(huán)函數(shù)，讀取監(jiān)控終端發(fā)來(lái)的控制和配置指令，采集周圍環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)，再把節(jié)點(diǎn)的ID、采集時(shí)間和溫濕度等信息打包，并發(fā)送到監(jiān)控終端進(jìn)行處理，最后延時(shí)N分鐘再進(jìn)入下次的循環(huán)[9]。endprint

3嵌入式監(jiān)控終端平臺(tái)設(shè)計(jì)

監(jiān)控終端采用嵌入式處理器S3C2410平臺(tái)開(kāi)發(fā)而成，運(yùn)行在嵌入式操作系統(tǒng)Linux上，并在Qt環(huán)境下為其專門設(shè)計(jì)了管理軟件，負(fù)責(zé)管理各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的通信狀態(tài)、數(shù)據(jù)收發(fā)、處理運(yùn)算、顯示、存儲(chǔ)、空調(diào)和風(fēng)機(jī)的控制等。

3.1監(jiān)控終端硬件平臺(tái)

監(jiān)控終端硬件平臺(tái)主要由嵌入式處理器S3C2410、ZigBee通信模塊CC2420、LCD顯示屏、系統(tǒng)存儲(chǔ)、聲光報(bào)警模塊以及電源管理單元組成。監(jiān)控終端硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

S3C2410處理器是基于ARM920T的32位微控制器，具有豐富的偏上資源，提供了與LCD顯示屏、系統(tǒng)存儲(chǔ)和按鍵等各種成熟的接口，完全滿足系統(tǒng)在設(shè)計(jì)功能上的需要。

3.2軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的需要對(duì)嵌入式Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行裁剪，并

移植到設(shè)計(jì)的平臺(tái)上。利用圖形用戶界面工具包Qt開(kāi)發(fā)了監(jiān)控管理應(yīng)用程序，首先是創(chuàng)建QApplication對(duì)象，負(fù)責(zé)圖形用戶界面應(yīng)用程序的控制流和包含在main（）循環(huán)體中的設(shè)置，然后再對(duì)各源文件的事件進(jìn)行處理和調(diào)度等操作[10]。

監(jiān)控終端上電后，首先進(jìn)行嵌入式處理器S3C2410和各模塊的初始化，包括配置ZigBee無(wú)線通信模塊CC2420、LCD控制器的工作方式和參數(shù)進(jìn)行初始化；根據(jù)系統(tǒng)的配置搜尋各節(jié)點(diǎn)，并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，發(fā)送控制參數(shù)給各節(jié)點(diǎn)，然后進(jìn)入等待接收數(shù)據(jù)狀態(tài)[11]。當(dāng)收到從各節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)時(shí)，經(jīng)過(guò)處理統(tǒng)計(jì)，再將這些數(shù)據(jù)顯示在LCD顯示屏上，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)計(jì)算出控制策略。如果儲(chǔ)藏室內(nèi)的溫濕度超出了預(yù)設(shè)的安全范圍，則向控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制指令調(diào)整環(huán)境參數(shù)，直到達(dá)到適宜馬鈴薯保存的最佳溫濕度值；如果由于設(shè)備故障長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法調(diào)整到最佳值，則啟動(dòng)聲光報(bào)警器，提醒管理人員采取必要的措施。同時(shí)，系統(tǒng)將所有的數(shù)據(jù)和操作日志存儲(chǔ)到監(jiān)控終端的存儲(chǔ)器內(nèi)，便于歷史查詢。

4結(jié)果與分析

馬鈴薯大部分的儲(chǔ)藏時(shí)間在冬季，尤其是北方的冬季晝夜溫差比較大，為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的馬鈴薯儲(chǔ)藏的環(huán)境參數(shù)智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)的功能和性能，在封閉的儲(chǔ)藏室內(nèi)進(jìn)行了24 h的監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。系統(tǒng)配置了16個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和2個(gè)控制節(jié)點(diǎn)，其中16個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)分2層，在8個(gè)方向進(jìn)行部署。儲(chǔ)藏室當(dāng)天外界溫度變化范圍為-10～8 ℃，濕度約為35%，在監(jiān)控終端上預(yù)設(shè)的控制溫度范圍為0.5～3.5 ℃，濕度為81.0%～890%，對(duì)儲(chǔ)藏室內(nèi)的溫度和濕度每隔1 h進(jìn)行平均統(tǒng)計(jì)和記錄，結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1數(shù)據(jù)可以看出，儲(chǔ)藏室內(nèi)的溫度變化隨外界的氣溫變化比較大，但始終控制在0～4 ℃的范圍內(nèi)；但由于儲(chǔ)藏室相對(duì)封閉，馬鈴薯的密度也比較大，再加上馬鈴薯的呼吸作用，會(huì)釋放一些水蒸氣和二氧化碳，為了對(duì)濕度進(jìn)行微調(diào)，大概每天的03：00—05：00會(huì)進(jìn)行自動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行排風(fēng)換氣，使室內(nèi)的濕度一直保持在80%～90%之間。

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果表明，馬鈴薯儲(chǔ)藏的環(huán)境參數(shù)智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)所有監(jiān)控節(jié)點(diǎn)工作正常，16個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)能夠準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地傳回各個(gè)角落的溫濕度數(shù)據(jù)；控制節(jié)點(diǎn)能夠通過(guò)接收監(jiān)控終端的指令操作空調(diào)和風(fēng)機(jī)的運(yùn)行，始終保持馬鈴薯儲(chǔ)藏室的溫度控制在0～4 ℃，濕度控制在80%～90%。

5結(jié)論

采用ZigBee無(wú)線通信技術(shù)設(shè)計(jì)的適宜馬鈴薯儲(chǔ)藏的環(huán)境參數(shù)智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，避免了繁雜的布線，對(duì)儲(chǔ)藏室內(nèi)各個(gè)角落的環(huán)境參數(shù)采集更加靈活，并能夠在嵌入式處理器監(jiān)控終端進(jìn)行集中顯示和管理空調(diào)及風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)。endprint

3嵌入式監(jiān)控終端平臺(tái)設(shè)計(jì)

監(jiān)控終端采用嵌入式處理器S3C2410平臺(tái)開(kāi)發(fā)而成，運(yùn)行在嵌入式操作系統(tǒng)Linux上，并在Qt環(huán)境下為其專門設(shè)計(jì)了管理軟件，負(fù)責(zé)管理各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的通信狀態(tài)、數(shù)據(jù)收發(fā)、處理運(yùn)算、顯示、存儲(chǔ)、空調(diào)和風(fēng)機(jī)的控制等。

3.1監(jiān)控終端硬件平臺(tái)

監(jiān)控終端硬件平臺(tái)主要由嵌入式處理器S3C2410、ZigBee通信模塊CC2420、LCD顯示屏、系統(tǒng)存儲(chǔ)、聲光報(bào)警模塊以及電源管理單元組成。監(jiān)控終端硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

S3C2410處理器是基于ARM920T的32位微控制器，具有豐富的偏上資源，提供了與LCD顯示屏、系統(tǒng)存儲(chǔ)和按鍵等各種成熟的接口，完全滿足系統(tǒng)在設(shè)計(jì)功能上的需要。

3.2軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的需要對(duì)嵌入式Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行裁剪，并

移植到設(shè)計(jì)的平臺(tái)上。利用圖形用戶界面工具包Qt開(kāi)發(fā)了監(jiān)控管理應(yīng)用程序，首先是創(chuàng)建QApplication對(duì)象，負(fù)責(zé)圖形用戶界面應(yīng)用程序的控制流和包含在main（）循環(huán)體中的設(shè)置，然后再對(duì)各源文件的事件進(jìn)行處理和調(diào)度等操作[10]。

監(jiān)控終端上電后，首先進(jìn)行嵌入式處理器S3C2410和各模塊的初始化，包括配置ZigBee無(wú)線通信模塊CC2420、LCD控制器的工作方式和參數(shù)進(jìn)行初始化；根據(jù)系統(tǒng)的配置搜尋各節(jié)點(diǎn)，并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，發(fā)送控制參數(shù)給各節(jié)點(diǎn)，然后進(jìn)入等待接收數(shù)據(jù)狀態(tài)[11]。當(dāng)收到從各節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)時(shí)，經(jīng)過(guò)處理統(tǒng)計(jì)，再將這些數(shù)據(jù)顯示在LCD顯示屏上，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)計(jì)算出控制策略。如果儲(chǔ)藏室內(nèi)的溫濕度超出了預(yù)設(shè)的安全范圍，則向控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制指令調(diào)整環(huán)境參數(shù)，直到達(dá)到適宜馬鈴薯保存的最佳溫濕度值；如果由于設(shè)備故障長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法調(diào)整到最佳值，則啟動(dòng)聲光報(bào)警器，提醒管理人員采取必要的措施。同時(shí)，系統(tǒng)將所有的數(shù)據(jù)和操作日志存儲(chǔ)到監(jiān)控終端的存儲(chǔ)器內(nèi)，便于歷史查詢。

4結(jié)果與分析

馬鈴薯大部分的儲(chǔ)藏時(shí)間在冬季，尤其是北方的冬季晝夜溫差比較大，為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的馬鈴薯儲(chǔ)藏的環(huán)境參數(shù)智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)的功能和性能，在封閉的儲(chǔ)藏室內(nèi)進(jìn)行了24 h的監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。系統(tǒng)配置了16個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和2個(gè)控制節(jié)點(diǎn)，其中16個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)分2層，在8個(gè)方向進(jìn)行部署。儲(chǔ)藏室當(dāng)天外界溫度變化范圍為-10～8 ℃，濕度約為35%，在監(jiān)控終端上預(yù)設(shè)的控制溫度范圍為0.5～3.5 ℃，濕度為81.0%～890%，對(duì)儲(chǔ)藏室內(nèi)的溫度和濕度每隔1 h進(jìn)行平均統(tǒng)計(jì)和記錄，結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1數(shù)據(jù)可以看出，儲(chǔ)藏室內(nèi)的溫度變化隨外界的氣溫變化比較大，但始終控制在0～4 ℃的范圍內(nèi)；但由于儲(chǔ)藏室相對(duì)封閉，馬鈴薯的密度也比較大，再加上馬鈴薯的呼吸作用，會(huì)釋放一些水蒸氣和二氧化碳，為了對(duì)濕度進(jìn)行微調(diào)，大概每天的03：00—05：00會(huì)進(jìn)行自動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行排風(fēng)換氣，使室內(nèi)的濕度一直保持在80%～90%之間。

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果表明，馬鈴薯儲(chǔ)藏的環(huán)境參數(shù)智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)所有監(jiān)控節(jié)點(diǎn)工作正常，16個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)能夠準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地傳回各個(gè)角落的溫濕度數(shù)據(jù)；控制節(jié)點(diǎn)能夠通過(guò)接收監(jiān)控終端的指令操作空調(diào)和風(fēng)機(jī)的運(yùn)行，始終保持馬鈴薯儲(chǔ)藏室的溫度控制在0～4 ℃，濕度控制在80%～90%。

5結(jié)論

采用ZigBee無(wú)線通信技術(shù)設(shè)計(jì)的適宜馬鈴薯儲(chǔ)藏的環(huán)境參數(shù)智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，避免了繁雜的布線，對(duì)儲(chǔ)藏室內(nèi)各個(gè)角落的環(huán)境參數(shù)采集更加靈活，并能夠在嵌入式處理器監(jiān)控終端進(jìn)行集中顯示和管理空調(diào)及風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)。endprint

3嵌入式監(jiān)控終端平臺(tái)設(shè)計(jì)

監(jiān)控終端采用嵌入式處理器S3C2410平臺(tái)開(kāi)發(fā)而成，運(yùn)行在嵌入式操作系統(tǒng)Linux上，并在Qt環(huán)境下為其專門設(shè)計(jì)了管理軟件，負(fù)責(zé)管理各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的通信狀態(tài)、數(shù)據(jù)收發(fā)、處理運(yùn)算、顯示、存儲(chǔ)、空調(diào)和風(fēng)機(jī)的控制等。

3.1監(jiān)控終端硬件平臺(tái)

監(jiān)控終端硬件平臺(tái)主要由嵌入式處理器S3C2410、ZigBee通信模塊CC2420、LCD顯示屏、系統(tǒng)存儲(chǔ)、聲光報(bào)警模塊以及電源管理單元組成。監(jiān)控終端硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

S3C2410處理器是基于ARM920T的32位微控制器，具有豐富的偏上資源，提供了與LCD顯示屏、系統(tǒng)存儲(chǔ)和按鍵等各種成熟的接口，完全滿足系統(tǒng)在設(shè)計(jì)功能上的需要。

3.2軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的需要對(duì)嵌入式Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行裁剪，并

移植到設(shè)計(jì)的平臺(tái)上。利用圖形用戶界面工具包Qt開(kāi)發(fā)了監(jiān)控管理應(yīng)用程序，首先是創(chuàng)建QApplication對(duì)象，負(fù)責(zé)圖形用戶界面應(yīng)用程序的控制流和包含在main（）循環(huán)體中的設(shè)置，然后再對(duì)各源文件的事件進(jìn)行處理和調(diào)度等操作[10]。

監(jiān)控終端上電后，首先進(jìn)行嵌入式處理器S3C2410和各模塊的初始化，包括配置ZigBee無(wú)線通信模塊CC2420、LCD控制器的工作方式和參數(shù)進(jìn)行初始化；根據(jù)系統(tǒng)的配置搜尋各節(jié)點(diǎn)，并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，發(fā)送控制參數(shù)給各節(jié)點(diǎn)，然后進(jìn)入等待接收數(shù)據(jù)狀態(tài)[11]。當(dāng)收到從各節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)時(shí)，經(jīng)過(guò)處理統(tǒng)計(jì)，再將這些數(shù)據(jù)顯示在LCD顯示屏上，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)計(jì)算出控制策略。如果儲(chǔ)藏室內(nèi)的溫濕度超出了預(yù)設(shè)的安全范圍，則向控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制指令調(diào)整環(huán)境參數(shù)，直到達(dá)到適宜馬鈴薯保存的最佳溫濕度值；如果由于設(shè)備故障長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法調(diào)整到最佳值，則啟動(dòng)聲光報(bào)警器，提醒管理人員采取必要的措施。同時(shí)，系統(tǒng)將所有的數(shù)據(jù)和操作日志存儲(chǔ)到監(jiān)控終端的存儲(chǔ)器內(nèi)，便于歷史查詢。

4結(jié)果與分析

馬鈴薯大部分的儲(chǔ)藏時(shí)間在冬季，尤其是北方的冬季晝夜溫差比較大，為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的馬鈴薯儲(chǔ)藏的環(huán)境參數(shù)智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)的功能和性能，在封閉的儲(chǔ)藏室內(nèi)進(jìn)行了24 h的監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。系統(tǒng)配置了16個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和2個(gè)控制節(jié)點(diǎn)，其中16個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)分2層，在8個(gè)方向進(jìn)行部署。儲(chǔ)藏室當(dāng)天外界溫度變化范圍為-10～8 ℃，濕度約為35%，在監(jiān)控終端上預(yù)設(shè)的控制溫度范圍為0.5～3.5 ℃，濕度為81.0%～890%，對(duì)儲(chǔ)藏室內(nèi)的溫度和濕度每隔1 h進(jìn)行平均統(tǒng)計(jì)和記錄，結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1數(shù)據(jù)可以看出，儲(chǔ)藏室內(nèi)的溫度變化隨外界的氣溫變化比較大，但始終控制在0～4 ℃的范圍內(nèi)；但由于儲(chǔ)藏室相對(duì)封閉，馬鈴薯的密度也比較大，再加上馬鈴薯的呼吸作用，會(huì)釋放一些水蒸氣和二氧化碳，為了對(duì)濕度進(jìn)行微調(diào)，大概每天的03：00—05：00會(huì)進(jìn)行自動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行排風(fēng)換氣，使室內(nèi)的濕度一直保持在80%～90%之間。

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果表明，馬鈴薯儲(chǔ)藏的環(huán)境參數(shù)智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)所有監(jiān)控節(jié)點(diǎn)工作正常，16個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)能夠準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地傳回各個(gè)角落的溫濕度數(shù)據(jù)；控制節(jié)點(diǎn)能夠通過(guò)接收監(jiān)控終端的指令操作空調(diào)和風(fēng)機(jī)的運(yùn)行，始終保持馬鈴薯儲(chǔ)藏室的溫度控制在0～4 ℃，濕度控制在80%～90%。

5結(jié)論

采用ZigBee無(wú)線通信技術(shù)設(shè)計(jì)的適宜馬鈴薯儲(chǔ)藏的環(huán)境參數(shù)智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，避免了繁雜的布線，對(duì)儲(chǔ)藏室內(nèi)各個(gè)角落的環(huán)境參數(shù)采集更加靈活，并能夠在嵌入式處理器監(jiān)控終端進(jìn)行集中顯示和管理空調(diào)及風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)。endprint