果蔬氣調保鮮庫監(jiān)測控制系統(tǒng)設計

第2章系統(tǒng)的總體結構2.1設計方案本系統(tǒng)可以基于氣調保鮮庫可以實時監(jiān)測溫濕度；還可以完成對二氧化碳、氧氣含量、乙烯含量實時監(jiān)測；當監(jiān)測的數據偏離正常值，那么系統(tǒng)將會進行自動控制；監(jiān)測溫度偏離正常值，自動開啟加溫系統(tǒng)/降溫系統(tǒng)；監(jiān)測濕度偏離正常值，自動開啟加濕系統(tǒng)/除濕系統(tǒng)；監(jiān)測二氧化碳和氧氣含量偏離正常值，自動開啟氣調系統(tǒng)；監(jiān)測乙烯含量偏離正常值，自動開啟乙烯脫出系統(tǒng)；控制系統(tǒng)可將實時采集的數據傳輸到PC計算機顯示并保存通過分析測試數據情況，得出系統(tǒng)可以按照設置參數自動控制監(jiān)測運行；手動控制時，系統(tǒng)也可以響應相關的控制操作。2.2功能需求分析2.2.1技術路線（1）硬件部分需要STM32單片機、溫濕度傳感器、CO2傳感器、O2傳感器、乙烯傳感器、舵機；（2）軟件平臺程序用keil5；（3）畫原理圖用AltiumDesigner；（4）編程語言用C語言；（5）用戶信息顯示查看。2.2.2功能結果1.基于氣調保鮮庫本系統(tǒng)可以實時監(jiān)測溫濕度；2.還可以完成對二氧化碳、氧氣含量、乙烯含量實時監(jiān)測；3.當監(jiān)測的數據偏離正常值，那么系統(tǒng)將會進行自動控制；（1）監(jiān)測溫度偏離正常值，自動開啟加溫系統(tǒng)/降溫系統(tǒng)；（2）監(jiān)測濕度偏離正常值，自動開啟加濕系統(tǒng)/除濕系統(tǒng)；（3）監(jiān)測二氧化碳和氧氣含量偏離正常值，自動開啟氣調系統(tǒng)；（4）監(jiān)測乙烯含量偏離正常值，自動開啟乙烯脫出系統(tǒng)；4.控制系統(tǒng)可將實時采集的數據傳輸到PC計算機顯示并保存通過分析測試數據情況，得出系統(tǒng)可以按照設置參數自動控制監(jiān)測運行；5.手動控制時，系統(tǒng)也可以響應相關的控制操作。2.3總體方案設計第一：理論知識準備階段，理解設計課題，認真研究課題所涉及到的內容，能夠較好的掌握有關題目的知識；第二：確定系統(tǒng)各個模塊，理清各個模塊之間的關系，收集相關得到軟硬件資料；第三：規(guī)劃課題，確定系統(tǒng)組成結構，勾畫出大體系統(tǒng)框架并在結構框架的基礎上提出原理框圖；第四：利用軟件完成硬件電路部分設計并畫出各部分電路圖，將系統(tǒng)部件通過接口電路集合在一起，并畫出電路圖；第五：根據系統(tǒng)控制過程完成軟件設計部分，繪制出主流程圖；第六：制作實物，檢查系統(tǒng)是否能夠按照要求實現控制功能，整理論文。2.4單片機型號選擇主控制芯片選擇STM32單片機。STM32F103C8T6是由意法半導體集團基于STM32系列ARMCortex-M內核開發(fā)的一款具有64KB的程序存儲器的32位微控制器。其工作時需要2V~3.6V的電壓和-40℃~85℃環(huán)境溫度。該系列單片機常被用于要求低成本、高性能和低功耗的嵌入式應用程序，其在功耗和集成方面也展現出良好的性能。由于其便捷的工具和簡單的結構并且結合了強大的功能性，在業(yè)界很受歡迎。本實驗采用的最小系統(tǒng)如下圖。圖2-1STM32單片機最小系統(tǒng)原理圖第3章系統(tǒng)的硬件部分設計3.1系統(tǒng)的總體設計討論了果蔬采摘后的生理變化、果蔬保鮮物流及其運輸，分析了國內外果蔬保鮮物流及運輸監(jiān)測技術現狀，確定了果蔬冷藏保鮮運輸監(jiān)測的目標、監(jiān)測參數及其用途。據此，確定了監(jiān)測系統(tǒng)的功能，設計了監(jiān)測系統(tǒng)的總體結構，設計了監(jiān)測系統(tǒng)的硬件結構及并進行了硬件選型。分析了不同嵌入式芯片與不同嵌入式操作系統(tǒng)，定制并移植了操作系統(tǒng)到監(jiān)測系統(tǒng)選用的目標板上，為終端搭建了系統(tǒng)平臺。同時，為該平臺移植了數據庫。根據監(jiān)測系統(tǒng)的功能和結構，確定了監(jiān)測系統(tǒng)的軟件功能，設計了監(jiān)測系統(tǒng)軟件的體系結構和多線程主程序流程。在各種參數監(jiān)測等技術進行了研究的基礎上，開發(fā)了嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)軟件，實現了監(jiān)測系統(tǒng)的功能。最終實現的結果為：1.基于氣調保鮮庫本系統(tǒng)可以實時監(jiān)測溫濕度；2.還可以完成對二氧化碳、氧氣含量、乙烯含量實時監(jiān)測；3.當監(jiān)測的數據偏離正常值，那么系統(tǒng)將會進行自動控制；（1）監(jiān)測溫度偏離正常值，自動開啟加溫系統(tǒng)/降溫系統(tǒng)；（2）監(jiān)測濕度偏離正常值，自動開啟加濕系統(tǒng)/除濕系統(tǒng)；（3）監(jiān)測二氧化碳和氧氣含量偏離正常值，自動開啟氣調系統(tǒng)；（4）監(jiān)測乙烯含量偏離正常值，自動開啟乙烯脫出系統(tǒng)；4.控制系統(tǒng)可將實時采集的數據傳輸到PC計算機顯示并保存通過分析測試數據情況，得出系統(tǒng)可以按照設置參數自動控制監(jiān)測運行；5.手動控制時，系統(tǒng)也可以響應相關的控制操作?？傮w原理圖如下。圖3-1系統(tǒng)總體原理圖3.2系統(tǒng)的主要模塊設計3.2.1溫濕度傳感器模塊設計在溫度精確測量中，關鍵有工作壓力溫度計、熱電阻式溫度計、雙金屬溫度計、熱電阻溫度計、電子光學高溫計、輻射源高溫計和紅外線溫度計。工作壓力溫度計是工業(yè)化生產中最初的溫度測量法之一。它構造簡易，沖擊韌性好，低成本，不依靠外界開關電源。它普遍使用于工業(yè)化生產中的溫度精確測量。但鑒于其反應時間長、儀器設備密封性維護保養(yǎng)不會改變、受外部環(huán)境危害大等緣故，慢慢撤出了溫度檢測的隊伍。電子光學高溫計、輻射源高溫計和紅外線高溫計都輸出非接觸式溫度計。日常日常生活和工業(yè)生產場地的濕度通常是相對性濕度，用RH%表明。即氣體(通常是氣體)中包含的水蒸汽量(水蒸汽壓)是與它的氣體同樣時飽和狀態(tài)水蒸汽(飽和水蒸汽壓)的百分數。濕度用肯定濕度、相對性濕度、漏點、體內濕氣與干氣的占比(凈重或容積)等表明。普遍的濕度測量法有：動態(tài)性法(雙壓法、雙溫法、分離法)、靜態(tài)數據法(飽和狀態(tài)鹽法、鹽酸法)、漏點法、干濕度球法和電子器件感應器法。在本系統(tǒng)的設計中，傳感器有溫度傳感器和濕度傳感器,所以需要對兩種類型的傳感器進行選擇。如圖3-2溫濕度傳感器。圖3-2DHT11溫濕度傳感器原理圖3.2.2二氧化碳傳感器模塊設計stm32串口顯示MH-Z14A二氧化碳傳感器MH-Z14A二氧化碳氣體傳感器（以下簡稱傳感器）是一個通用只能小型傳感器，利用非色散紅外（NDIR）原理對空氣中存在的CO2氣體進行探測，具有很好的選擇性和無氧氣依賴性，壽命長。內置溫度補償；同時具有數字輸出、模擬輸出及PWM輸出，方便使用。該傳感器是將成熟的紅外吸收氣體檢測技術與精密光路設計、精良電路設計緊密結合而制作出的高性能傳感器。原理圖如下。圖3-3二氧化碳傳感器原理圖3.2.3氧氣傳感器模塊設計該環(huán)境檢測(O2)氧濃度傳感器是一種用于測試空氣中氧濃度的傳感器，它是基于電化學電池工作原理。當您輸出與氧氣濃度成比例的電壓值時，您可以清楚地了解當前的氧濃度，并參考氧濃度線性特征圖。它非常適合檢測環(huán)境中的氧濃度。該氧濃度傳感器模塊只需空氣中提供一點電流，我們不需要為其提供外部電源，輸出電壓隨時間變化而改變。原理圖如下。圖3-4氧氣傳感器原理圖3.2.4顯示屏模塊設計OLED，即有機發(fā)光二極管。OLED由于同時具備自發(fā)光，不需背光源、對比度高、厚度薄、視角廣、反應速度快、可用于撓曲性面板、使用溫度范圍廣、構造及制程較簡單等優(yōu)異之特性，被認為是下一代的平面顯示器新興應用技術。LCD都需要背光，而OLED不需要，因為它是自發(fā)光的。這樣同樣的顯示OLED效果要來得好一些。以目前的技術，OLED的尺寸還難以大型化，但是分辨率確可以做到很高。有以下特點：1)0.96寸OLED有黃藍，白，藍三種顏色可選;其中黃藍是屏上1/4部分為黃光，下3/4為藍;而且是固定區(qū)域顯示固定顏色，顏色和顯示區(qū)域均不能修改;白光則為純白，也就是黑底白字;藍色則為純藍，也就是黑底藍字。2）分辨率為128*643）多種接口方式;OLED裸屏總共種接口包括:6800、8080兩種并行接口方式、3線或4線的串行SPI接口方式、llcC接口方式，這五種接口是通過屏上的BSO~BS2來配置的。4)中景園電子的本屏開發(fā)了兩種接口的Demo板，接口分別為七針的SPI/IIC兼容模塊，四針的llC模塊。兩種模塊都很方便使用;希望大家根據實際需求來選擇不同的模塊。其基本原理圖如下：圖3-5OLED顯示屏原理圖3.2.5ZigBee模塊設計ZigBee是由ZigBee聯盟設計的一種低功耗、低時延、高可靠性和短距離的無線通信網絡協(xié)議。主要適用于自動化控制和遠程控制等領域，可嵌入到各種小型設備之中，目前已經被飛利浦、小米、谷歌、宜家和三星等各大公司所采用，廣泛應用于智能家居、工業(yè)自動化、智慧城市以及智慧農業(yè)等行業(yè)。ZigBee協(xié)議由于通信速率低、復雜度低以及劃分工作狀態(tài)?和睡眠狀態(tài)等，因此非常低功耗，例如市面上的一些ZigBee無線按鈕僅使用紐扣電池就可以正常使用2兩年，這是藍牙和WiFi所無法比擬的。其原理圖如下。圖3-6ZigBee模塊原理圖3.2.6乙烯傳感器模塊設計乙烯是一種重要的化學品，被廣泛用于工業(yè)生產和農業(yè)領域。然而，乙烯在高濃度下會對人體健康造成危害，因此需要一種有效的乙烯傳感器來進行檢測和監(jiān)測。目前，乙烯傳感器已成為環(huán)保監(jiān)測和工業(yè)安全的重要設備之一。乙烯傳感器的原理是基于化學吸附、電化學反應、光學反應等技術來實現的?；瘜W吸附技術是將乙烯分子吸附在傳感器表面的化學物質上，使其產生電學變化。在許多領域中取得了重要的應用，但是其性能還有進一步的提高空間。近年來，科學家們不斷地改進傳感器的制造技術，以提高其靈敏度、選擇性和可靠性。其中一個重要的研究方向是利用納米技術來制造乙烯傳感器。通過納米材料的特殊性質，可以增強傳感器對乙烯分子的響應能力，從而提高傳感器的靈敏度和選擇性。此外，納米技術還可以制造出具有更小尺寸和更高效率的傳感器。另外，一些新型材料的應用也使得乙烯傳感器的性能有了大幅度提升。例如，石墨烯和金屬有機框架材料（MOFs）等材料被廣泛應用于乙烯傳感器的制造中。這些材料具有高比表面積、高穩(wěn)定性和高選擇性等特點，能夠提高傳感器的靈敏度和可靠性?？傊?，乙烯傳感器是一種重要的環(huán)保監(jiān)測和工業(yè)安全設備，其應用范圍廣泛。未來，隨著納米技術和新型材料的發(fā)展，乙烯傳感器的性能將會進一步提高，為保護人類健康和環(huán)境做出更大的貢獻。圖3-7乙烯傳感器模塊原理圖

第4章系統(tǒng)的軟件部分設計4.1軟件的主要流程系統(tǒng)可以基于氣調保鮮庫本系統(tǒng)可以實時監(jiān)測溫濕度；還可以完成對二氧化碳、氧氣含量、乙烯含量實時監(jiān)測；當監(jiān)測的數據偏離正常值，那么系統(tǒng)將會進行自動控制；監(jiān)測溫度偏離正常值，自動開啟加溫系統(tǒng)/降溫系統(tǒng)；監(jiān)測濕度偏離正常值，自動開啟加濕系統(tǒng)/除濕系統(tǒng)；監(jiān)測二氧化碳和氧氣含量偏離正常值，自動開啟氣調系統(tǒng)；監(jiān)測乙烯含量偏離正常值，自動開啟乙烯脫出系統(tǒng)；控制系統(tǒng)可將實時采集的數據傳輸到PC計算機顯示并保存通過分析測試數據情況，得出系統(tǒng)可以按照設置參數自動控制監(jiān)測運行；手動控制時，系統(tǒng)也可以響應相關的控制操作?？傮w流程圖如下。圖4-1系統(tǒng)總體流程圖4.2溫濕度傳感器模塊軟件設計當系統(tǒng)初始化完成后，它將開始正常運行。通過實時監(jiān)測氣調庫內溫度的溫濕度傳感器，如果溫度低于下限，單片機控制模塊將啟動加熱功能；而如果溫度超過上限，加熱將停止。這樣的自動控制系統(tǒng)可以確保氣調庫內溫度始終在合適的范圍內。流程圖如下。圖4-2溫濕度模塊流程圖

4.3二氧化碳傳感器模塊軟件設計當系統(tǒng)初始化完成后，它將開始正常運行。通過實時監(jiān)測氣調庫內氣體濃度的二氧化碳傳感器，如果濃度超出設定的閾值范圍，系統(tǒng)將啟動氣調系統(tǒng)。這意味著當氣調庫內二氧化碳濃度過高時，系統(tǒng)會采取措施以提供新鮮的空氣，例如開啟通風設備或調整空調循環(huán)模式。通過這種自動控制系統(tǒng)，我們能夠確保氣調庫內空氣質量始終保持在一個合適的水平，提供一個適宜的貯藏環(huán)境給人們。流程圖如下。圖4-3二氧化碳傳感器流程圖

4.4氧氣傳感器模塊軟件設計當系統(tǒng)初始化完成后，它將開始正常運行。通過實時監(jiān)測氣調庫內氣體濃度的氧氣傳感器，如果濃度超出設定的閾值范圍，系統(tǒng)將啟動氣調系統(tǒng)。這意味著當氣調庫內氧氣濃度低于安全水平時，系統(tǒng)會采取措施以增加氧氣含量，例如通過增加通風量或使用氧氣供應設備。相反，當氧氣濃度超過安全范圍時，系統(tǒng)將采取適當的控制措施，如減少通風量或關閉氧氣供應。通過這樣的自動控制系統(tǒng)，我們可以確保氣調庫內氧氣水平始終維持在安全和適宜的范圍內，為果蔬提供一個合適的保鮮環(huán)境。流程圖如下。圖4-4氧氣傳感器流程圖

4.5OLED顯示屏模塊軟件設計當系統(tǒng)初始化完成后，它將開始正常工作。顯示屏模塊將接收來自單片機的傳感器數據以及系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并將其顯示出來，以方便觀察和監(jiān)測。通過顯示屏，我們可以實時獲取氣調庫內溫度、濕度、二氧化碳濃度、氧氣濃度等傳感器數據，同時了解系統(tǒng)當前的工作狀態(tài)，例如是否正在加熱、是否啟動了氣調系統(tǒng)等。這樣，用戶可以方便地監(jiān)測氣調庫內環(huán)境參數，并及時采取必要的措施，以確保氣調庫內的溫度、氣體濃度等處于適宜的范圍，提供一個合適的貯藏環(huán)境。流程圖如下。圖4-5顯示屏模塊流程圖

4.6ZigBee模塊軟件設計當系統(tǒng)初始化完成后，它將開始正常工作。ZigBee模塊將獲取單片機傳感器實時檢測的數據以及系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并將其通過無線通信發(fā)送至云端。上位機可以從云端獲取這些數據，實現遠程監(jiān)控和管理功能。通過這種方式，用戶可以方便地通過上位機遠程監(jiān)視室內溫度、濕度、二氧化碳濃度、氧氣濃度等傳感器數據，以及系統(tǒng)的工作狀態(tài)。這使得用戶可以隨時遠程了解氣調庫內環(huán)境狀況，并根據需要采取相應的措施，例如調整溫度、開啟氣調系統(tǒng)等。這種遠程監(jiān)控管理的功能提供了便利性和靈活性，使用戶能夠更加有效地管理和控制氣調庫內環(huán)境，提供一個合適的貯藏環(huán)境。工作流程圖如下。圖4-6ZigBee模塊工作流程圖

4.7乙烯傳感器模塊軟件設計當系統(tǒng)初始化完成后，它將開始正常工作。通過實時監(jiān)測室內乙烯氣體濃度的乙烯傳感器，如果濃度超出設定的閾值范圍，系統(tǒng)將啟動氣調系統(tǒng)。這意味著當氣調庫內乙烯濃度超過安全水平時，系統(tǒng)會采取措施以降低乙烯含量，例如增加通風量或使用空氣凈化設備。相反，當乙烯濃度低于閾值時，系統(tǒng)將適當地調整氣調系統(tǒng)以維持乙烯氣體的適宜水平。通過這樣的自動控制系統(tǒng)，我們可以確保氣調庫內乙烯濃度始終維持在安全和適宜的范圍內，為果蔬提供一個適宜的貯藏環(huán)境。流程圖如下。圖4-7乙烯濃度傳感器模塊流程第5章系統(tǒng)測試5.1系統(tǒng)實物圖圖5-1系統(tǒng)總體實物圖：下位機圖5-2系統(tǒng)上位機界面5.2功能調試由于對于水果蔬菜來說，溫濕度、二氧化碳濃度、氧氣濃度和乙烯濃度都是至關重要的，尤其是乙烯，它的另一個名字是生長素。但是因為環(huán)境條件有限，我們不能制造一個理想的可以自由控制的乙烯濃度環(huán)境。所以我們只能通過對溫濕度的改變，來體現出系統(tǒng)的功能，而我通過查閱相關資料，了解到蘋果，梨，柑橘這幾種常見的水果濕度要保持在80%～90%之間，番茄生長的最舒適的溫度是10℃～12℃。然后我們就可以根據這些數據設定閾值。該系統(tǒng)初始的閾值是可以調節(jié)的，可以根據具體情況去調整溫度濕度。圖5-3濕度閾值設定圖5-4溫度閾值設定同時本系統(tǒng)還有報警提示功能，圖中左下角的紅色字體樣式代表的就是提示，而且系統(tǒng)還有彈窗提示功能，勾選是否提示就是根據數據是否超出閾值進行提示，如果超出閾值就會進行彈窗，會出現例如溫度高，濕度低這樣的字樣。圖5-5預警提示設定當溫濕度超出系統(tǒng)所設置的閾值時，就會不利于果蔬的保鮮環(huán)境，可能會導致果蔬的腐爛，所以要保證氣調保鮮庫的環(huán)境處在一定范圍，當系統(tǒng)接收到超出閾值的信號，降溫系統(tǒng)和加濕系統(tǒng)會自動啟動，在實物中我們利用燈泡來代替這些系統(tǒng)，燈亮則代表系統(tǒng)自動運行，等到溫濕度恢復到閾值內，降溫系統(tǒng)和加濕系統(tǒng)會自動停止，燈滅代表系統(tǒng)自動停止。圖5-6降溫/加濕系統(tǒng)自動運行圖5-7降溫/加濕系統(tǒng)自動停止本系統(tǒng)同時還有數據儲存功能，建立一個數據庫，可以方便氣調保鮮庫的工作人員統(tǒng)計保鮮庫的數據，實時儲存環(huán)境數值，避免造成損失，同時再通過觀察果蔬的保鮮程度，來找尋最合適的環(huán)境條件，更加有利于果蔬保鮮。圖5-8數據庫實時儲存數據第6章總結與展望6.1總結在整個設計過程中，硬件方面主要設計了STM32單片機的最小系統(tǒng)、繼電器接口電路、液晶屏幕及顯示、溫濕度傳感器電路、氣體傳感器電路。軟件方面借助各個渠道的資料，主要設計傳感器程序、顯示程序、閾值判斷程序。系統(tǒng)的調試主要是通過一塊STM32開發(fā)板，再借助于Keil以及自己搭建的電路實現的。分部調試時偶爾會出現一些問題但解決方案都有跡可循。此管理系統(tǒng)能夠實現檢測后不需要人為干預，自動進行操作。節(jié)省了大量人力資源，方便人們生活。6.2展望隨著果蔬氣調保鮮技術的廣泛應用，監(jiān)控系統(tǒng)在保鮮庫中起著至關重要的作用。未來的果蔬氣調保鮮庫監(jiān)控系統(tǒng)將繼續(xù)發(fā)展和完善，以提供更高效、可靠的監(jiān)測和控制功能。以下是對該系統(tǒng)功能的展望：數據分析與預測：監(jiān)控系統(tǒng)將結合數據分析和機器學習算法，對庫內數據進行處理和分析，提供預測性的保鮮指導。系統(tǒng)能夠根據歷史數據和環(huán)境變化趨勢，預測果蔬的保鮮期限，提供最佳的貯藏條件和處理建議，幫助果蔬保持最佳的品質和營養(yǎng)價值。系統(tǒng)集成與自動化控制：未來的監(jiān)控系統(tǒng)將更加智能化，能夠與其他智能設備和傳感器進行集成。例如，與智能照明系統(tǒng)結合，實現光照調節(jié)和節(jié)能控制；與智能供氧系統(tǒng)結合，實現氣體調節(jié)和新鮮空氣補充；與自動化機械臂結合，實現果蔬的分揀和裝載等。通過系統(tǒng)的自動化控制，可以提高保鮮庫的運行效率和果蔬的處理效果。數據記錄與追溯：監(jiān)控系統(tǒng)將提供完善的數據記錄和追溯功能。系統(tǒng)將保存關鍵環(huán)境參數的歷史數據，并標記與記錄果蔬的生產、貯藏和配送等關鍵信息。這將有助于果蔬的品質溯源和問題排查，確保果蔬的安全和質量可追溯。綜上所述，未來的果蔬氣調保鮮庫監(jiān)控系統(tǒng)將通過實時監(jiān)測、遠程控制、數據分析和預測等功能，提供更加智能化和高效的果蔬保鮮解決方案。這將對果蔬行業(yè)的供應鏈管理和產品質量提升起到積極的推動作用。

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