果蔬气调保鲜库监测控制系统设计

第2章系统的总体结构2.1设计方案本系统可以基于气调保鲜库可以实时监测温湿度；还可以完成对二氧化碳、氧气含量、乙烯含量实时监测；当监测的数据偏离正常值，那么系统将会进行自动控制；监测温度偏离正常值，自动开启加温系统/降温系统；监测湿度偏离正常值，自动开启加湿系统/除湿系统；监测二氧化碳和氧气含量偏离正常值，自动开启气调系统；监测乙烯含量偏离正常值，自动开启乙烯脱出系统；控制系统可将实时采集的数据传输到PC计算机显示并保存通过分析测试数据情况，得出系统可以按照设置参数自动控制监测运行；手动控制时，系统也可以响应相关的控制操作。2.2功能需求分析2.2.1技术路线（1）硬件部分需要STM32单片机、温湿度传感器、CO2传感器、O2传感器、乙烯传感器、舵机；（2）软件平台程序用keil5；（3）画原理图用AltiumDesigner；（4）编程语言用C语言；（5）用户信息显示查看。2.2.2功能结果1.基于气调保鲜库本系统可以实时监测温湿度；2.还可以完成对二氧化碳、氧气含量、乙烯含量实时监测；3.当监测的数据偏离正常值，那么系统将会进行自动控制；（1）监测温度偏离正常值，自动开启加温系统/降温系统；（2）监测湿度偏离正常值，自动开启加湿系统/除湿系统；（3）监测二氧化碳和氧气含量偏离正常值，自动开启气调系统；（4）监测乙烯含量偏离正常值，自动开启乙烯脱出系统；4.控制系统可将实时采集的数据传输到PC计算机显示并保存通过分析测试数据情况，得出系统可以按照设置参数自动控制监测运行；5.手动控制时，系统也可以响应相关的控制操作。2.3总体方案设计第一：理论知识准备阶段，理解设计课题，认真研究课题所涉及到的内容，能够较好的掌握有关题目的知识；第二：确定系统各个模块，理清各个模块之间的关系，收集相关得到软硬件资料；第三：规划课题，确定系统组成结构，勾画出大体系统框架并在结构框架的基础上提出原理框图；第四：利用软件完成硬件电路部分设计并画出各部分电路图，将系统部件通过接口电路集合在一起，并画出电路图；第五：根据系统控制过程完成软件设计部分，绘制出主流程图；第六：制作实物，检查系统是否能够按照要求实现控制功能，整理论文。2.4单片机型号选择主控制芯片选择STM32单片机。STM32F103C8T6是由意法半导体集团基于STM32系列ARMCortex-M内核开发的一款具有64KB的程序存储器的32位微控制器。其工作时需要2V~3.6V的电压和-40℃~85℃环境温度。该系列单片机常被用于要求低成本、高性能和低功耗的嵌入式应用程序，其在功耗和集成方面也展现出良好的性能。由于其便捷的工具和简单的结构并且结合了强大的功能性，在业界很受欢迎。本实验采用的最小系统如下图。图2-1STM32单片机最小系统原理图第3章系统的硬件部分设计3.1系统的总体设计讨论了果蔬采摘后的生理变化、果蔬保鲜物流及其运输，分析了国内外果蔬保鲜物流及运输监测技术现状，确定了果蔬冷藏保鲜运输监测的目标、监测参数及其用途。据此，确定了监测系统的功能，设计了监测系统的总体结构，设计了监测系统的硬件结构及并进行了硬件选型。分析了不同嵌入式芯片与不同嵌入式操作系统，定制并移植了操作系统到监测系统选用的目标板上，为终端搭建了系统平台。同时，为该平台移植了数据库。根据监测系统的功能和结构，确定了监测系统的软件功能，设计了监测系统软件的体系结构和多线程主程序流程。在各种参数监测等技术进行了研究的基础上，开发了嵌入式监测系统软件，实现了监测系统的功能。最终实现的结果为：1.基于气调保鲜库本系统可以实时监测温湿度；2.还可以完成对二氧化碳、氧气含量、乙烯含量实时监测；3.当监测的数据偏离正常值，那么系统将会进行自动控制；（1）监测温度偏离正常值，自动开启加温系统/降温系统；（2）监测湿度偏离正常值，自动开启加湿系统/除湿系统；（3）监测二氧化碳和氧气含量偏离正常值，自动开启气调系统；（4）监测乙烯含量偏离正常值，自动开启乙烯脱出系统；4.控制系统可将实时采集的数据传输到PC计算机显示并保存通过分析测试数据情况，得出系统可以按照设置参数自动控制监测运行；5.手动控制时，系统也可以响应相关的控制操作。总体原理图如下。图3-1系统总体原理图3.2系统的主要模块设计3.2.1温湿度传感器模块设计在温度精确测量中，关键有工作压力温度计、热电阻式温度计、双金属温度计、热电阻温度计、电子光学高温计、辐射源高温计和红外线温度计。工作压力温度计是工业化生产中最初的温度测量法之一。它构造简易，冲击韧性好，低成本，不依靠外界开关电源。它普遍使用于工业化生产中的温度精确测量。但鉴于其反应时间长、仪器设备密封性维护保养不会改变、受外部环境危害大等缘故，慢慢撤出了温度检测的队伍。电子光学高温计、辐射源高温计和红外线高温计都輸出非接触式温度计。日常日常生活和工业生产场地的湿度通常是相对性湿度，用RH%表明。即气体(通常是气体)中包含的水蒸汽量(水蒸汽压)是与它的气体同样时饱和状态水蒸汽(饱和水蒸汽压)的百分数。湿度用肯定湿度、相对性湿度、漏点、体内湿气与干气的占比(净重或容积)等表明。普遍的湿度测量法有：动态性法(双压法、双温法、分离法)、静态数据法(饱和状态盐法、盐酸法)、漏点法、干湿度球法和电子器件感应器法。在本系统的设计中，传感器有温度传感器和湿度传感器,所以需要对两种类型的传感器进行选择。如图3-2温湿度传感器。图3-2DHT11温湿度传感器原理图3.2.2二氧化碳传感器模块设计stm32串口显示MH-Z14A二氧化碳传感器MH-Z14A二氧化碳气体传感器（以下简称传感器）是一个通用只能小型传感器，利用非色散红外（NDIR）原理对空气中存在的CO2气体进行探测，具有很好的选择性和无氧气依赖性，寿命长。内置温度补偿；同时具有数字输出、模拟输出及PWM输出，方便使用。该传感器是将成熟的红外吸收气体检测技术与精密光路设计、精良电路设计紧密结合而制作出的高性能传感器。原理图如下。图3-3二氧化碳传感器原理图3.2.3氧气传感器模块设计该环境检测(O2)氧浓度传感器是一种用于测试空气中氧浓度的传感器，它是基于电化学电池工作原理。当您输出与氧气浓度成比例的电压值时，您可以清楚地了解当前的氧浓度，并参考氧浓度线性特征图。它非常适合检测环境中的氧浓度。该氧浓度传感器模块只需空气中提供一点电流，我们不需要为其提供外部电源，输出电压随时间变化而改变。原理图如下。图3-4氧气传感器原理图3.2.4显示屏模块设计OLED，即有机发光二极管。OLED由于同时具备自发光，不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广、构造及制程较简单等优异之特性，被认为是下一代的平面显示器新兴应用技术。LCD都需要背光，而OLED不需要，因为它是自发光的。这样同样的显示OLED效果要来得好一些。以目前的技术，OLED的尺寸还难以大型化，但是分辨率确可以做到很高。有以下特点：1)0.96寸OLED有黄蓝，白，蓝三种颜色可选;其中黄蓝是屏上1/4部分为黄光，下3/4为蓝;而且是固定区域显示固定颜色，颜色和显示区域均不能修改;白光则为纯白，也就是黑底白字;蓝色则为纯蓝，也就是黑底蓝字。2）分辨率为128*643）多种接口方式;OLED裸屏总共种接口包括:6800、8080两种并行接口方式、3线或4线的串行SPI接口方式、llcC接口方式，这五种接口是通过屏上的BSO~BS2来配置的。4)中景园电子的本屏开发了两种接口的Demo板，接口分别为七针的SPI/IIC兼容模块，四针的llC模块。两种模块都很方便使用;希望大家根据实际需求来选择不同的模块。其基本原理图如下：图3-5OLED显示屏原理图3.2.5ZigBee模块设计ZigBee是由ZigBee联盟设计的一种低功耗、低时延、高可靠性和短距离的无线通信网络协议。主要适用于自动化控制和远程控制等领域，可嵌入到各种小型设备之中，目前已经被飞利浦、小米、谷歌、宜家和三星等各大公司所采用，广泛应用于智能家居、工业自动化、智慧城市以及智慧农业等行业。ZigBee协议由于通信速率低、复杂度低以及划分工作状态‎和睡眠状态等，因此非常低功耗，例如市面上的一些ZigBee无线按钮仅使用纽扣电池就可以正常使用2两年，这是蓝牙和WiFi所无法比拟的。其原理图如下。图3-6ZigBee模块原理图3.2.6乙烯传感器模块设计乙烯是一种重要的化学品，被广泛用于工业生产和农业领域。然而，乙烯在高浓度下会对人体健康造成危害，因此需要一种有效的乙烯传感器来进行检测和监测。目前，乙烯传感器已成为环保监测和工业安全的重要设备之一。乙烯传感器的原理是基于化学吸附、电化学反应、光学反应等技术来实现的。化学吸附技术是将乙烯分子吸附在传感器表面的化学物质上，使其产生电学变化。在许多领域中取得了重要的应用，但是其性能还有进一步的提高空间。近年来，科学家们不断地改进传感器的制造技术，以提高其灵敏度、选择性和可靠性。其中一个重要的研究方向是利用纳米技术来制造乙烯传感器。通过纳米材料的特殊性质，可以增强传感器对乙烯分子的响应能力，从而提高传感器的灵敏度和选择性。此外，纳米技术还可以制造出具有更小尺寸和更高效率的传感器。另外，一些新型材料的应用也使得乙烯传感器的性能有了大幅度提升。例如，石墨烯和金属有机框架材料（MOFs）等材料被广泛应用于乙烯传感器的制造中。这些材料具有高比表面积、高稳定性和高选择性等特点，能够提高传感器的灵敏度和可靠性。总之，乙烯传感器是一种重要的环保监测和工业安全设备，其应用范围广泛。未来，随着纳米技术和新型材料的发展，乙烯传感器的性能将会进一步提高，为保护人类健康和环境做出更大的贡献。图3-7乙烯传感器模块原理图

第4章系统的软件部分设计4.1软件的主要流程系统可以基于气调保鲜库本系统可以实时监测温湿度；还可以完成对二氧化碳、氧气含量、乙烯含量实时监测；当监测的数据偏离正常值，那么系统将会进行自动控制；监测温度偏离正常值，自动开启加温系统/降温系统；监测湿度偏离正常值，自动开启加湿系统/除湿系统；监测二氧化碳和氧气含量偏离正常值，自动开启气调系统；监测乙烯含量偏离正常值，自动开启乙烯脱出系统；控制系统可将实时采集的数据传输到PC计算机显示并保存通过分析测试数据情况，得出系统可以按照设置参数自动控制监测运行；手动控制时，系统也可以响应相关的控制操作。总体流程图如下。图4-1系统总体流程图4.2温湿度传感器模块软件设计当系统初始化完成后，它将开始正常运行。通过实时监测气调库内温度的温湿度传感器，如果温度低于下限，单片机控制模块将启动加热功能；而如果温度超过上限，加热将停止。这样的自动控制系统可以确保气调库内温度始终在合适的范围内。流程图如下。图4-2温湿度模块流程图

4.3二氧化碳传感器模块软件设计当系统初始化完成后，它将开始正常运行。通过实时监测气调库内气体浓度的二氧化碳传感器，如果浓度超出设定的阈值范围，系统将启动气调系统。这意味着当气调库内二氧化碳浓度过高时，系统会采取措施以提供新鲜的空气，例如开启通风设备或调整空调循环模式。通过这种自动控制系统，我们能够确保气调库内空气质量始终保持在一个合适的水平，提供一个适宜的贮藏环境给人们。流程图如下。图4-3二氧化碳传感器流程图

4.4氧气传感器模块软件设计当系统初始化完成后，它将开始正常运行。通过实时监测气调库内气体浓度的氧气传感器，如果浓度超出设定的阈值范围，系统将启动气调系统。这意味着当气调库内氧气浓度低于安全水平时，系统会采取措施以增加氧气含量，例如通过增加通风量或使用氧气供应设备。相反，当氧气浓度超过安全范围时，系统将采取适当的控制措施，如减少通风量或关闭氧气供应。通过这样的自动控制系统，我们可以确保气调库内氧气水平始终维持在安全和适宜的范围内，为果蔬提供一个合适的保鲜环境。流程图如下。图4-4氧气传感器流程图

4.5OLED显示屏模块软件设计当系统初始化完成后，它将开始正常工作。显示屏模块将接收来自单片机的传感器数据以及系统的工作状态，并将其显示出来，以方便观察和监测。通过显示屏，我们可以实时获取气调库内温度、湿度、二氧化碳浓度、氧气浓度等传感器数据，同时了解系统当前的工作状态，例如是否正在加热、是否启动了气调系统等。这样，用户可以方便地监测气调库内环境参数，并及时采取必要的措施，以确保气调库内的温度、气体浓度等处于适宜的范围，提供一个合适的贮藏环境。流程图如下。图4-5显示屏模块流程图

4.6ZigBee模块软件设计当系统初始化完成后，它将开始正常工作。ZigBee模块将获取单片机传感器实时检测的数据以及系统的工作状态，并将其通过无线通信发送至云端。上位机可以从云端获取这些数据，实现远程监控和管理功能。通过这种方式，用户可以方便地通过上位机远程监视室内温度、湿度、二氧化碳浓度、氧气浓度等传感器数据，以及系统的工作状态。这使得用户可以随时远程了解气调库内环境状况，并根据需要采取相应的措施，例如调整温度、开启气调系统等。这种远程监控管理的功能提供了便利性和灵活性，使用户能够更加有效地管理和控制气调库内环境，提供一个合适的贮藏环境。工作流程图如下。图4-6ZigBee模块工作流程图

4.7乙烯传感器模块软件设计当系统初始化完成后，它将开始正常工作。通过实时监测室内乙烯气体浓度的乙烯传感器，如果浓度超出设定的阈值范围，系统将启动气调系统。这意味着当气调库内乙烯浓度超过安全水平时，系统会采取措施以降低乙烯含量，例如增加通风量或使用空气净化设备。相反，当乙烯浓度低于阈值时，系统将适当地调整气调系统以维持乙烯气体的适宜水平。通过这样的自动控制系统，我们可以确保气调库内乙烯浓度始终维持在安全和适宜的范围内，为果蔬提供一个适宜的贮藏环境。流程图如下。图4-7乙烯浓度传感器模块流程第5章系统测试5.1系统实物图图5-1系统总体实物图：下位机图5-2系统上位机界面5.2功能调试由于对于水果蔬菜来说，温湿度、二氧化碳浓度、氧气浓度和乙烯浓度都是至关重要的，尤其是乙烯，它的另一个名字是生长素。但是因为环境条件有限，我们不能制造一个理想的可以自由控制的乙烯浓度环境。所以我们只能通过对温湿度的改变，来体现出系统的功能，而我通过查阅相关资料，了解到苹果，梨，柑橘这几种常见的水果湿度要保持在80%～90%之间，番茄生长的最舒适的温度是10℃～12℃。然后我们就可以根据这些数据设定阈值。该系统初始的阈值是可以调节的，可以根据具体情况去调整温度湿度。图5-3湿度阈值设定图5-4温度阈值设定同时本系统还有报警提示功能，图中左下角的红色字体样式代表的就是提示，而且系统还有弹窗提示功能，勾选是否提示就是根据数据是否超出阈值进行提示，如果超出阈值就会进行弹窗，会出现例如温度高，湿度低这样的字样。图5-5预警提示设定当温湿度超出系统所设置的阈值时，就会不利于果蔬的保鲜环境，可能会导致果蔬的腐烂，所以要保证气调保鲜库的环境处在一定范围，当系统接收到超出阈值的信号，降温系统和加湿系统会自动启动，在实物中我们利用灯泡来代替这些系统，灯亮则代表系统自动运行，等到温湿度恢复到阈值内，降温系统和加湿系统会自动停止，灯灭代表系统自动停止。图5-6降温/加湿系统自动运行图5-7降温/加湿系统自动停止本系统同时还有数据储存功能，建立一个数据库，可以方便气调保鲜库的工作人员统计保鲜库的数据，实时储存环境数值，避免造成损失，同时再通过观察果蔬的保鲜程度，来找寻最合适的环境条件，更加有利于果蔬保鲜。图5-8数据库实时储存数据第6章总结与展望6.1总结在整个设计过程中，硬件方面主要设计了STM32单片机的最小系统、继电器接口电路、液晶屏幕及显示、温湿度传感器电路、气体传感器电路。软件方面借助各个渠道的资料，主要设计传感器程序、显示程序、阈值判断程序。系统的调试主要是通过一块STM32开发板，再借助于Keil以及自己搭建的电路实现的。分部调试时偶尔会出现一些问题但解决方案都有迹可循。此管理系统能够实现检测后不需要人为干预，自动进行操作。节省了大量人力资源，方便人们生活。6.2展望随着果蔬气调保鲜技术的广泛应用，监控系统在保鲜库中起着至关重要的作用。未来的果蔬气调保鲜库监控系统将继续发展和完善，以提供更高效、可靠的监测和控制功能。以下是对该系统功能的展望：数据分析与预测：监控系统将结合数据分析和机器学习算法，对库内数据进行处理和分析，提供预测性的保鲜指导。系统能够根据历史数据和环境变化趋势，预测果蔬的保鲜期限，提供最佳的贮藏条件和处理建议，帮助果蔬保持最佳的品质和营养价值。系统集成与自动化控制：未来的监控系统将更加智能化，能够与其他智能设备和传感器进行集成。例如，与智能照明系统结合，实现光照调节和节能控制；与智能供氧系统结合，实现气体调节和新鲜空气补充；与自动化机械臂结合，实现果蔬的分拣和装载等。通过系统的自动化控制，可以提高保鲜库的运行效率和果蔬的处理效果。数据记录与追溯：监控系统将提供完善的数据记录和追溯功能。系统将保存关键环境参数的历史数据，并标记与记录果蔬的生产、贮藏和配送等关键信息。这将有助于果蔬的品质溯源和问题排查，确保果蔬的安全和质量可追溯。综上所述，未来的果蔬气调保鲜库监控系统将通过实时监测、远程控制、数据分析和预测等功能，提供更加智能化和高效的果蔬保鲜解决方案。这将对果蔬行业的供应链管理和产品质量提升起到积极的推动作用。

参考文献张研.自然冷源保鲜库保鲜系统的设计[M].沈阳农业大学.2020.宫元娟;张研;王宇宸;郭娜.果蔬保鲜库保鲜系统的设计与试验[C],沈阳农业大学学报.2019.杨前明;刘廷瑞;李光元.气调保鲜集装箱机组在线状态监测与自动控制[C],制冷空调新技术进展.2020.张东霞;吕恩利;陆华忠;许锦锋;赵磊.基于双监测点的保鲜运输温度控制系统设计[M].华南农业大学学报,2021.关丰;徐践;侯巩傲.甘薯智能保鲜库的设计与实现[P].现代农业科技,2021.吴琦;赖冬寅.基于嵌入式技术的茶叶智能保鲜装置的设计与实现[M].福建茶叶,2019.肖雷;车凤斌;马燕翔.智能保鲜冷库贮藏保鲜石榴技术[P].农村科技,2019.顾剑锋;张海霞.一种新型冷藏保鲜柜控制系统的设计[P].南通职业大学学报,2019,.胡军;陈忠明;高志明.负离子保鲜柜对食物保鲜效果试验[J].广州食品工业科技.2019尹辉娟.某船气调保鲜装置的安全分析与优化[M].河北农业大学.2022宫元娟;张建鹏;张研;宁晓峰.基于自然冷源保鲜库贮藏的寒富苹果保鲜条件优化[M].沈阳农业大学学报.2022丁发亮.果蔬保鲜设备在米东区的应用[M].新疆农机化.2022刘焕平;李娟.气调保鲜库远程无线监控系统的设计[M].农机化研究.2022郁文红;杨昭.小型实验用恒温恒湿保鲜库[M].制冷与空调.2022孟翔飞;成立.基于LonWorks技术的气调保鲜库测控系统设计[M].农机化研究.2022EtsuoWatanabe、YasukoTamada、NaokoHamada-Sato．DevelopmentofqualityevaluationsensorforfishfreshnesscontrolbasedonKIvalue.2021MahardianiL;LarasatiR;SusilowatiE;HastutiB;AzizahNL．Potentialediblecoatingofpectinobtainedfrombananapeelforfruitpreservation.2021. 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