基于无线传感网络的冷库液氨监控系统设计

【摘 要】本文利用无线传感网络，设计了一套基于CC2630和LPC4088FBD144的冷库液氨无线监控系统，实现液氨压力、温度和氨气浓度等数据的实时采集、传输和远程监控。主要介绍了系统的现场采集节点和ARM主控节点的硬件设计以及ZigBee无线传感网络的软件设计。

【关键词】无线传感网络 冷库 液氨 监控系统 设计

【中图分类号】G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2018）03C-0183-02

冷库是易腐烂食品冷加工和存储的主要场所，随着人们对冷藏食品的需求日益增加，我国冷库容量逐年递增。在我国现有冷库制冷系统中，绝大部分的冷库采用液氨为制冷剂，液氨是一种无色但带有刺激性气味的气体，易燃、易溶于水，浓度10%以上的氨气即属于毒品法规定范围内，并被视为二级毒品。一旦发生泄漏事故，将对人体和周围设施产生极大的影响，轻者造成人员伤害和设备损害，重者造成人员伤亡及生产停产事故，后果不堪设想。而冷库制冷设备众多、结构复杂、液氨储量较大，使得冷库一旦发生液氨泄漏事故，具有不同于普通液氨泄漏的特点，处置难度极大。因此，做好冷库液氨的监控工作具有重要意义。经过实地调研发现，目前冷库液氨监控系统十分简陋，一般仅在现场使用氨气浓度报警器，信息不能远距离传递，无法进行远程智能控制。针对传统冷库液氨监控系统的缺点和不足，本文设计了一种基于无线传感网络的冷库液氨监控系统。

一、系统方案设计

冷库液氨无线监控系统由若干个现场采集节点、一个ARM主控节点和一个远程监控中心构成，系统框架图如图1所示。

现场采集节点主要负责冷库液氨参数的采集和传输。由传感器模块和ZigBee无线收发模块构成，传感器模块包括氨气浓度传感器、液位变送器、压力变送器、温度传感器。传感器模块采集氨气浓度、液氨液位、氨气压力和温度参数，经过处理后，由ZigBee无线收发模块发送至ARM主控节点。

ARM主控节点主要负责冷库液氨参数的接收、参数实时显示、报警、GPRS数据传输和安全联动等。以ARM-Coretex M4控制器为核心，包括ZigBee无线收发模块、GPRS无线通信模块、触摸屏显示模块、声光报警模块、安全联动模块。ARM-Coretex M4控制器通过ZigBee无线网络从现场采集节点接收冷库液氨参数后，对数据进行分析和显示，并通过GPRS无线通信网络将数据传送至远程监控中心。若分析判断现场处于高危状态，则启动声光报警模块和安全联动模块，同时通过GPRS无线通信网络向相关人员发送报警短信。

远程监控中心主要负责接收冷库现场的各个参数，包含上位监控主机和相关人员的手机两部分，通过GPRS网络与ARM主控节点通信，由上位机数据库和监控软件对数据进行存储、管理、分析和显示，相关人员手机在高危状态时会接收到来自现场的报警短信。

二、系统硬件设计

（一）现场采集节点硬件设计。现场采集节点是整个冷库液氨监控系统的最底层，它和ARM主控节点进行双向ZigBee无线通信，周期采集冷库液氨参数，并发送至主控节点。节点由ZigBee无线收发器CC2630、温度传感器TMP75B、氨气浓度传感器、压力变送器和液位变送器构成，现场采集节点硬件电路图如图2所示。

CC2630器件是TI公司推出的一款面向ZigBee远程控制应用的ARM Cortex-M3无线微控制器。具有128KB系统内可编程闪存，8KB缓存静态RAM；包含丰富的外设功能集，所有数字外设引脚均可连接任意GPIO，四个通用定时器模块，12位模数转换器、200MSPS、8通道模拟多路复用器，UART，2个同步串行接口（SSI），I2C，I2S；具有2.4GHz RF收发器，符合低功耗（BLE）4.1规范及IEEE 802.15.4 PHY和MAC；还包括一个独特的超低功耗传感器控制器，此传感器控制器非常适合连接外部传感器，还适合用于在系统其余部分处于睡眠模式的情况下自主收集模拟和数字数据。

TMP75B是一款集成数字温度传感器，此传感器具有一个可由1.8V电源供电运行的12 位模数转换器，不需要外部元件便可测温，以12位分辨率读取温度，可在-55℃至+125℃温度范围内额定运行，具有标准两线制串行接口的数字输出。

压力变送器选用-龙瑞斯7011隔爆型压力变送器，输出信号为4～20mA两线制模拟输出。液位变送器采用龙瑞斯8033超声波液位变送器，采用非接触式测量，安装方便，在测量中脉冲超声波由传感器发出，声波经液体表面反射后被传感器接收，转换成4～20mA电信号。

由于冷库温度较低，普通的电化学型氨气浓度传感器不能正常使用，本文选用TGS826型氨气传感器，該传感器采用24V电压供电，测量范围从30至300ppm，灵敏度为0.4-0.7，能在-40℃至+80℃温度范围内正常工作，是较理想的冷媒临界安全检测传感器。

（二）ARM主控节点硬件设计。ARM主控节点以ARM控制器为中心，扩展了声光报警、GPRS通信、触摸屏显示、ZigBee无线收发、安全联动等外部功能设备。ARM控制器选用NXP公司基于ARM Cortex-M4的数字信号控制器LPC4088FBD144，该控制器包含有512 kB的flash存储器、96 kB的RAM存储器、4kB的EEPROM存储器、LCD、以太网、USB、CAN、5个UART、3个SPI闪存接口、3个I2C总线接口、4个通用定时器、2个通用PWM和165个GPIO等丰富的外设。

GPRS通信模块装载SIM卡后与LPC4088FBD144的串口UART1连接，LPC4088FBD144发送相关指令就可以通过GPRS无线通信网络与上位主机通信或发送短信到相关人员的手机。

安全联动模块主要由继电器和电磁阀构成，由LPC4088FBD144的GPIO引脚控制继电器启停电磁阀。当有液氨泄漏或温度升高时，可以打开喷淋系统的电磁阀吸收氨气或降低温度；当液氨管道压力过大时，可以打开泄压电磁阀，将液氨泄压到备用罐。

三、ZigBee无线传感网络软件设计

现场采集节点与ARM主控节点之间通过ZigBee网络传输数据及指令。每个现场采集节点都包含有一个ZigBee无线收发器，作为网络的终端设备，对现场的温度、氨气浓度和压力等参数进行采样并发送给主控节点。与LPC4088FBD144连接的ZigBee无线收发器，作为网络的协调器，负责启动和配置ZigBee无线网络，并监听现场所有的采集节点。

ARM主控节点上电自检初始化后，搜索可用信道并基于最优信道能量选择最好的组网信道，生成唯一的PINID，设置主控节点的网络地址为0x0000，至此网络建立成功。网络启动后，主控节点监听现场采集节点的入网请求信息，若收到有效的入网请求信息，先查询是否还有空闲网络地址，如有空闲地址且同意该节点加入网络，主控节点则分配一个16位的地址给请求节点，主控节点和现场采集节点组网成功，主控节点组网程序流程图如图3所示。

图3 主控节点组网程序流程图

四、结论

本文利用无线传感网络，设计了一套基于CC2630和LPC4088FBD144的冷库液氨无线监控系统。本系统完成了冷库液氨参数的自动采集和远程传输，提高了工作效率；改变了传统冷库液氨落后的管理方式，实现无人值守，节省了人工成本；系统运行可靠，保障了冷库财产和工作人员的安全。

【参考文献】

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【基金项目】2015广西教育厅高等学校科研项目“大型冷库系统的综合控制技术研究”（KY2015YB398）

【作者简介】阳明霞（1984— ），女，广西灵川人，柳州职业技术学院电子与信息工程学院讲师，研究方向：物联网技术应用。

（责编 苏 洋）