1、 適宜馬鈴薯儲藏的環(huán)境參數(shù)智能調節(jié)系統(tǒng) 尹飛凰等摘要：針對馬鈴薯在儲藏過程中易凍窖、傷熱、發(fā)芽和黑心等問題，采用zigbee無線通信技術設計了環(huán)境參數(shù)智能調節(jié)系統(tǒng)來改善馬鈴薯的儲藏環(huán)境，系統(tǒng)主要由環(huán)境監(jiān)測節(jié)點、監(jiān)控終端、空調及風機控制節(jié)點組成。環(huán)境監(jiān)測節(jié)點通過傳感器dht11采集周圍環(huán)境中的溫濕度參數(shù)，再將采集時間、節(jié)點id和溫濕度等數(shù)據(jù)打包，通過zigbee網(wǎng)絡發(fā)送至監(jiān)控終端；監(jiān)控終端采用嵌入式處理s3c2410開發(fā)，接收、處理、顯示和分析來自各環(huán)境監(jiān)測節(jié)點的溫濕度信息，根據(jù)適宜馬鈴薯儲藏的環(huán)境參數(shù)，自動控制空調和風機的工作狀態(tài)，使馬鈴薯儲藏在最佳的環(huán)境。通過對儲藏室24 h的測試結果表明，

2、系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，能夠自動控制空調和風機調整儲藏室的溫濕度環(huán)境參數(shù)，對建立智能化農產品倉儲管理具有重要意義。關鍵詞：馬鈴薯儲藏；溫濕度環(huán)境；自動控制；農業(yè)現(xiàn)代化中圖分類號： tp274+.1；tp273；s126文獻標志碼： a文章編號：1002-1302（2014）09-0374-03收稿日期：2013-12-12基金項目：國家自然科學基金（編號：60974005）。作者簡介：尹飛凰（1975），女，河南鄭州人，碩士，講師，研究方向為電氣工程與自動控制。e-mail：emailprotected。我國每年播種的馬鈴薯面積在533.33萬hm2左右，是世界上馬鈴薯產量最大的國家。如此巨大的馬鈴

3、薯資源不可能在短時間內完成加工，所以馬鈴薯在加工生產前需要進行長時間的儲藏1。目前我國大部分地區(qū)還是以傳統(tǒng)的地下窖的方式儲藏馬鈴薯，這種方式導致無法調節(jié)環(huán)境的溫度和濕度，也不能通風換氣，為儲藏期間病害發(fā)生創(chuàng)造了條件，以至于在春季開窖的時候出現(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藏溫度對馬鈴薯營養(yǎng)物質含量及酶活性的影響，結果表明，在04 時，馬鈴薯的可溶性糖和還原糖含量最高，淀粉酶活性最高，有利于促進蛋白質的合成，提高蛋白質的含量3。另外，環(huán)境過濕易促使馬鈴薯塊莖發(fā)芽，過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。為實現(xiàn)馬

4、鈴薯的安全儲藏，本研究設計了適宜馬鈴薯儲藏的環(huán)境參數(shù)智能調節(jié)系統(tǒng)，采用zigbee無線通信網(wǎng)絡采集分布在儲藏室內的溫度和濕度，通過控制室內空調和風機，使儲藏室內的溫度控制在04 ，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養(yǎng)價值。1系統(tǒng)總體結構為了使整個馬鈴薯儲藏室內各個角落的溫濕度控制在最佳值，必須先獲取準確的環(huán)境參數(shù)，再根據(jù)當前的狀態(tài)控制相應的設備進行調節(jié)。馬鈴薯儲藏的環(huán)境參數(shù)智能調節(jié)系統(tǒng)主要由監(jiān)控終端、環(huán)境監(jiān)測節(jié)點、空調及風機控制節(jié)點組成，環(huán)境參數(shù)智能調節(jié)系統(tǒng)結構如圖1所示。由于馬鈴薯存儲空間相對不是太大，但是要想通過有線的形式將節(jié)點數(shù)據(jù)傳到監(jiān)控終端，顯然布

5、線是相當復雜的，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無線通信技術。zigbee具有超低功耗特性，采用干電池獨立供電，保證了一個節(jié)點可以連續(xù)工作12年。設置好參數(shù)后，各節(jié)點與監(jiān)控終端組成星型拓撲網(wǎng)絡結構，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸5。根據(jù)儲藏室的空間大小和馬鈴薯的密度，確定監(jiān)測節(jié)點的數(shù)量和擺放位置。在系統(tǒng)中每個監(jiān)測節(jié)點具有唯一的地址識別id，采集周圍環(huán)境中的溫濕度，并通過zigbee網(wǎng)絡發(fā)送至監(jiān)控終端6；監(jiān)控終端負責接收、處理、分析、顯示和存儲從各監(jiān)測節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)，當馬鈴薯儲藏室內的溫度過低或過高時，通過控制空調或者風機的工作狀態(tài)，使室內的溫度達到最佳后停止工作。同時，為了使

6、空調的效果快速并均勻地達到各個角落，儲藏室的內空氣循環(huán)風機會自動啟動，整個室內的溫度更加均勻，避免出現(xiàn)局部過熱或過冷的現(xiàn)象；當室內的濕度過高或者過低時，通過控制換氣風機的正反轉，排風或者進風對室內的濕度進行調節(jié)，直到控制濕度在馬鈴薯的最佳保持范圍。2監(jiān)控節(jié)點硬件平臺監(jiān)控節(jié)點主要分環(huán)境監(jiān)測節(jié)點和空調風機控制節(jié)點2種類型，共用一個硬件平臺開發(fā)而成。2.1節(jié)點硬件平臺環(huán)境參數(shù)監(jiān)測節(jié)點主要由單片機控制器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；空調風機控制節(jié)點沒有配備溫濕度傳感器dht11，而是增加了繼電器和與空調的接口模塊。監(jiān)控節(jié)

7、點硬件結構如圖2所示。單片機atmega128l主要負責協(xié)調各模塊之間的工作，每個監(jiān)控節(jié)點通過8位地址選擇撥碼開關設置獨有的id；控制器atmega128l通過spi接口與zigbee通信模塊cc2420連接進行數(shù)據(jù)通信，包括設置模塊的工作模式、頻道分配、傳輸速率和功率等；通過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pwm口驅動功放三極管控制繼電器的開合，來控制風機的工作狀態(tài)；與空調的通信采用rs232接口，實現(xiàn)對空調的工作模式和溫度的調整控制7。2.2節(jié)點軟件設計監(jiān)測節(jié)點的軟件開發(fā)采用c語言設計，由avr studio編寫c語言程序，經(jīng)過gcc交叉編譯得到能在單片機

8、atmega128l 上可運行的hex文件8。程序由一個主循環(huán)函數(shù)和多個子函數(shù)組成，各子總能的執(zhí)行是通過調用子函數(shù)完成的，包括zigbee無線通信模塊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)測節(jié)點軟件工作流程如圖3所示。監(jiān)測節(jié)點上電后，單片機atmega128l進行系統(tǒng)初始化，包括讀取自身的地址id、對單片機內部各寄存器狀態(tài)、zigbee無線通信模塊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)控終端的無線網(wǎng)絡連接，連接成功后進入循環(huán)函數(shù)，讀取監(jiān)控終端發(fā)來的控制和配置指令，采集周圍環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)，再把節(jié)點的id、采集時間和

9、溫濕度等信息打包，并發(fā)送到監(jiān)控終端進行處理，最后延時n分鐘再進入下次的循環(huán)9。endprint3嵌入式監(jiān)控終端平臺設計監(jiān)控終端采用嵌入式處理器s3c2410平臺開發(fā)而成，運行在嵌入式操作系統(tǒng)linux上，并在qt環(huán)境下為其專門設計了管理軟件，負責管理各監(jiān)測節(jié)點的通信狀態(tài)、數(shù)據(jù)收發(fā)、處理運算、顯示、存儲、空調和風機的控制等。3.1監(jiān)控終端硬件平臺監(jiān)控終端硬件平臺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、聲光報警模塊以及電源管理單元組成。監(jiān)控終端硬件平臺結構如圖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

10、供了與lcd顯示屏、系統(tǒng)存儲和按鍵等各種成熟的接口，完全滿足系統(tǒng)在設計功能上的需要。3.2軟件設計根據(jù)系統(tǒng)的需要對嵌入式linux操作系統(tǒng)進行裁剪，并移植到設計的平臺上。利用圖形用戶界面工具包qt開發(fā)了監(jiān)控管理應用程序，首先是創(chuàng)建qapplication對象，負責圖形用戶界面應用程序的控制流和包含在main（）循環(huán)體中的設置，然后再對各源文件的事件進行處理和調度等操作10。監(jiān)控終端上電后，首先進行嵌入式處理器s3c2410和各模塊的初始化，包括配置zigbee無線通信模塊cc2420、lcd控制器的工作方式和參數(shù)進行初始化；根據(jù)系統(tǒng)的配置搜尋各節(jié)點，并進行網(wǎng)絡連接，發(fā)送控制參數(shù)給各節(jié)點，然后進

11、入等待接收數(shù)據(jù)狀態(tài)11。當收到從各節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)時，經(jīng)過處理統(tǒng)計，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)計算出控制策略。如果儲藏室內的溫濕度超出了預設的安全范圍，則向控制節(jié)點發(fā)送控制指令調整環(huán)境參數(shù)，直到達到適宜馬鈴薯保存的最佳溫濕度值；如果由于設備故障長時間無法調整到最佳值，則啟動聲光報警器，提醒管理人員采取必要的措施。同時，系統(tǒng)將所有的數(shù)據(jù)和操作日志存儲到監(jiān)控終端的存儲器內，便于歷史查詢。4結果與分析馬鈴薯大部分的儲藏時間在冬季，尤其是北方的冬季晝夜溫差比較大，為了驗證設計的馬鈴薯儲藏的環(huán)境參數(shù)智能調節(jié)系統(tǒng)的功能和性能，在封閉的儲藏室內進行了24 h的監(jiān)測試驗。系統(tǒng)配置了16個環(huán)

12、境監(jiān)測節(jié)點和2個控制節(jié)點，其中16個環(huán)境監(jiān)測節(jié)點分2層，在8個方向進行部署。儲藏室當天外界溫度變化范圍為-108 ，濕度約為35%，在監(jiān)控終端上預設的控制溫度范圍為0.53.5 ，濕度為81.0%890%，對儲藏室內的溫度和濕度每隔1 h進行平均統(tǒng)計和記錄，結果見表1。從表1數(shù)據(jù)可以看出，儲藏室內的溫度變化隨外界的氣溫變化比較大，但始終控制在04 的范圍內；但由于儲藏室相對封閉，馬鈴薯的密度也比較大，再加上馬鈴薯的呼吸作用，會釋放一些水蒸氣和二氧化碳，為了對濕度進行微調，大概每天的03：0005：00會進行自動啟動風機進行排風換氣，使室內的濕度一直保持在80%90%之間。通過試驗結果表明，馬鈴

13、薯儲藏的環(huán)境參數(shù)智能調節(jié)系統(tǒng)所有監(jiān)控節(jié)點工作正常，16個監(jiān)測節(jié)點能夠準確、實時地傳回各個角落的溫濕度數(shù)據(jù)；控制節(jié)點能夠通過接收監(jiān)控終端的指令操作空調和風機的運行，始終保持馬鈴薯儲藏室的溫度控制在04 ，濕度控制在80%90%。5結論采用zigbee無線通信技術設計的適宜馬鈴薯儲藏的環(huán)境參數(shù)智能調節(jié)系統(tǒng)，避免了繁雜的布線，對儲藏室內各個角落的環(huán)境參數(shù)采集更加靈活，并能夠在嵌入式處理器監(jiān)控終端進行集中顯示和管理空調及風機的工作狀態(tài)。endprint3嵌入式監(jiān)控終端平臺設計監(jiān)控終端采用嵌入式處理器s3c2410平臺開發(fā)而成，運行在嵌入式操作系統(tǒng)linux上，并在qt環(huán)境下為其專門設計了管理軟件，負責

14、管理各監(jiān)測節(jié)點的通信狀態(tài)、數(shù)據(jù)收發(fā)、處理運算、顯示、存儲、空調和風機的控制等。3.1監(jiān)控終端硬件平臺監(jiān)控終端硬件平臺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、聲光報警模塊以及電源管理單元組成。監(jiān)控終端硬件平臺結構如圖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)存儲和按鍵等各種成熟的接口，完全滿足系統(tǒng)在設計功能上的需要。3.2軟件設計根據(jù)系統(tǒng)的需要對嵌入式linux操作系統(tǒng)進行裁剪，并移植到設計的平臺上。利用圖形用戶界面工具包qt開發(fā)了監(jiān)控管理應用程序，首先是創(chuàng)建qapplica

15、tion對象，負責圖形用戶界面應用程序的控制流和包含在main（）循環(huán)體中的設置，然后再對各源文件的事件進行處理和調度等操作10。監(jiān)控終端上電后，首先進行嵌入式處理器s3c2410和各模塊的初始化，包括配置zigbee無線通信模塊cc2420、lcd控制器的工作方式和參數(shù)進行初始化；根據(jù)系統(tǒng)的配置搜尋各節(jié)點，并進行網(wǎng)絡連接，發(fā)送控制參數(shù)給各節(jié)點，然后進入等待接收數(shù)據(jù)狀態(tài)11。當收到從各節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)時，經(jīng)過處理統(tǒng)計，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)計算出控制策略。如果儲藏室內的溫濕度超出了預設的安全范圍，則向控制節(jié)點發(fā)送控制指令調整環(huán)境參數(shù)，直到達到適宜馬鈴薯保存的最佳溫濕度值

16、；如果由于設備故障長時間無法調整到最佳值，則啟動聲光報警器，提醒管理人員采取必要的措施。同時，系統(tǒng)將所有的數(shù)據(jù)和操作日志存儲到監(jiān)控終端的存儲器內，便于歷史查詢。4結果與分析馬鈴薯大部分的儲藏時間在冬季，尤其是北方的冬季晝夜溫差比較大，為了驗證設計的馬鈴薯儲藏的環(huán)境參數(shù)智能調節(jié)系統(tǒng)的功能和性能，在封閉的儲藏室內進行了24 h的監(jiān)測試驗。系統(tǒng)配置了16個環(huán)境監(jiān)測節(jié)點和2個控制節(jié)點，其中16個環(huán)境監(jiān)測節(jié)點分2層，在8個方向進行部署。儲藏室當天外界溫度變化范圍為-108 ，濕度約為35%，在監(jiān)控終端上預設的控制溫度范圍為0.53.5 ，濕度為81.0%890%，對儲藏室內的溫度和濕度每隔1 h進行平均

17、統(tǒng)計和記錄，結果見表1。從表1數(shù)據(jù)可以看出，儲藏室內的溫度變化隨外界的氣溫變化比較大，但始終控制在04 的范圍內；但由于儲藏室相對封閉，馬鈴薯的密度也比較大，再加上馬鈴薯的呼吸作用，會釋放一些水蒸氣和二氧化碳，為了對濕度進行微調，大概每天的03：0005：00會進行自動啟動風機進行排風換氣，使室內的濕度一直保持在80%90%之間。通過試驗結果表明，馬鈴薯儲藏的環(huán)境參數(shù)智能調節(jié)系統(tǒng)所有監(jiān)控節(jié)點工作正常，16個監(jiān)測節(jié)點能夠準確、實時地傳回各個角落的溫濕度數(shù)據(jù)；控制節(jié)點能夠通過接收監(jiān)控終端的指令操作空調和風機的運行，始終保持馬鈴薯儲藏室的溫度控制在04 ，濕度控制在80%90%。5結論采用zigbe

18、e無線通信技術設計的適宜馬鈴薯儲藏的環(huán)境參數(shù)智能調節(jié)系統(tǒng)，避免了繁雜的布線，對儲藏室內各個角落的環(huán)境參數(shù)采集更加靈活，并能夠在嵌入式處理器監(jiān)控終端進行集中顯示和管理空調及風機的工作狀態(tài)。endprint3嵌入式監(jiān)控終端平臺設計監(jiān)控終端采用嵌入式處理器s3c2410平臺開發(fā)而成，運行在嵌入式操作系統(tǒng)linux上，并在qt環(huán)境下為其專門設計了管理軟件，負責管理各監(jiān)測節(jié)點的通信狀態(tài)、數(shù)據(jù)收發(fā)、處理運算、顯示、存儲、空調和風機的控制等。3.1監(jiān)控終端硬件平臺監(jiān)控終端硬件平臺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、聲光報警模塊以及電源管理單元組成。監(jiān)控

19、終端硬件平臺結構如圖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)存儲和按鍵等各種成熟的接口，完全滿足系統(tǒng)在設計功能上的需要。3.2軟件設計根據(jù)系統(tǒng)的需要對嵌入式linux操作系統(tǒng)進行裁剪，并移植到設計的平臺上。利用圖形用戶界面工具包qt開發(fā)了監(jiān)控管理應用程序，首先是創(chuàng)建qapplication對象，負責圖形用戶界面應用程序的控制流和包含在main（）循環(huán)體中的設置，然后再對各源文件的事件進行處理和調度等操作10。監(jiān)控終端上電后，首先進行嵌入式處理器s3c2410和各模塊的初始化，包括配置zigbee無線通信模塊cc2420、lcd控制器的工作方式和參數(shù)進行初始化；根據(jù)系統(tǒng)的配置搜尋各節(jié)點，并進行網(wǎng)絡連接，發(fā)送控制參數(shù)給各節(jié)點，然后進入等待接收數(shù)據(jù)狀態(tài)11。當收到從各節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)時，經(jīng)過處理統(tǒng)計，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)計算出控制策略。如果儲藏室內的溫濕度超出了預設的安全范圍，則向控制節(jié)點發(fā)送控制指令調整環(huán)境參數(shù)，直到達到適宜馬鈴薯保存的最佳溫濕度值；如果由于設備故障長時間無法調整到最佳值，則啟動聲光報警器，提醒管理人員采取必要的措施。同時，系