梁知非 趙士勇 錢亮亮 金玫秀 邱豪杰

（1.江蘇師范大學(xué)科文學(xué)院 江蘇省徐州市 221116 2.連云港福潤(rùn)食品有限公司 江蘇省連云港市 222300）（3.連云港市質(zhì)量技術(shù)綜合檢驗(yàn)檢測(cè)中心 江蘇省連云港市 222006 4.江蘇師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院 江蘇省徐州市 221116）

針對(duì)當(dāng)前肉制品精深加工過程中環(huán)境監(jiān)測(cè)范圍小、監(jiān)測(cè)參數(shù)單一、監(jiān)測(cè)方法少等問題，設(shè)計(jì)了針對(duì)肉制品加工環(huán)境的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，保證食品加工行業(yè)的安全。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 溫濕度測(cè)量電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用SHT20 溫濕度傳感器檢測(cè)溫度，Sensirion 公司的SHT20 溫濕度傳感器在一片CMOSens 芯片上集成了一個(gè)電容式濕度傳感器、一個(gè)帶隙溫度傳感器和專門的模擬與數(shù)字集成電路，此外，傳感器還內(nèi)置了A/D 轉(zhuǎn)換器、放大器等信號(hào)處理電路。傳感器內(nèi)部默認(rèn)的檢測(cè)分辨率為相對(duì)濕度12bit、相對(duì)溫度14bit，可通過輸入指令將溫度、濕度檢測(cè)分辨率分別改變?yōu)?bit、12bit、14bit，其測(cè)溫誤差為0.3℃、測(cè)濕溫差為3.0%RH。SHT20 溫濕度檢測(cè)芯片包括一個(gè)用于測(cè)量濕度的電容式濕度傳感器元件、一個(gè)用于測(cè)量溫度的帶隙溫度傳感器元件以及一個(gè)CMOSens 芯片，CMOSens 芯片將傳感器采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，并通過I2C串行總線通信方式輸出。

1.2 粉塵濃度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

粉塵檢測(cè)采用了夏普公司開發(fā)的GP2Y1010AU0F 傳感器，它可用于感應(yīng)空氣中的塵埃粒子。傳感器內(nèi)部有一檢測(cè)狹縫，狹縫兩側(cè)分別內(nèi)置一個(gè)紅外發(fā)光二極管和光電晶體管，紅外二極管在狹縫內(nèi)定向發(fā)射紅外光，同時(shí)光電晶體管檢測(cè)經(jīng)過空氣中灰塵折射過后的光線并輸出相應(yīng)的電信號(hào)，通過輸出電壓值來判斷灰塵的含量。GP2Y1010AU0F 傳感器的功耗很低，用11mA 左右的電流就可驅(qū)動(dòng)，電源電壓為5-7V。傳感器輸出與空氣中粉塵濃度成正比的模擬電壓信號(hào)。

1.3 控制通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用STM32 系列中的STM32F407ZGT6 單片機(jī)作為微處理器，該單片機(jī)性能優(yōu)越，擁有192KB SRAM、1M FLASH、2個(gè)32 位定時(shí)器、12 個(gè)16 位定時(shí)器等豐富的單片機(jī)資源，最大工作頻率可達(dá)168MHz。樂鑫公司開發(fā)的ESP8266EX 模塊擁有完整且強(qiáng)大的無線通信網(wǎng)絡(luò)功能，并且具有集成度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、功耗低等優(yōu)勢(shì)，可以滿足大部分場(chǎng)合的應(yīng)用。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 粉塵濃度檢測(cè)

根據(jù)GP2Y1010AU0F 檢測(cè)粉塵濃度的原理，在系統(tǒng)程序中，首先是對(duì)GP2Y1010AU0F 模塊的初始化，然后用MCU 的I/O 口驅(qū)動(dòng)傳感器內(nèi)部的紅外發(fā)光二極管，再通過ADC 采樣來檢測(cè)輸出電壓值。將GP2Y1010AU0F 粉塵濃度檢測(cè)傳感器的初始化和濃度檢測(cè)分別設(shè)計(jì)成以下兩個(gè)函數(shù)：

void GP2Y_Init(void)；u16 Get_GP2Y_SingleValue(void)；

其中GP2Y_Init()是傳感器的初始化函數(shù)，Get_GP2Y_SingleValue(void)函數(shù)實(shí)現(xiàn)GP2Y1010AU0F 傳感器檢測(cè)粉塵濃度的功能，在主程序中調(diào)用一次可進(jìn)行一次粉塵濃度檢測(cè)，并得到經(jīng)轉(zhuǎn)換后的粉塵濃度值。傳感器輸出電壓值與粉塵濃度的關(guān)系比例圖可以得出輸出電壓值與粉塵濃度的關(guān)系為：DustDensity=0.17*OutputV oltage-0.1，并根據(jù)此關(guān)系函數(shù)將AD 采樣得到的電壓值轉(zhuǎn)換為最終的粉塵濃度值。

2.2 溫濕度采集

SHT20 溫濕度傳感器是通過單片機(jī)的I2C 總線與MCU 進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。II2C 總線由數(shù)據(jù)線SDA 和時(shí)鐘線SCL 兩條線構(gòu)成通信線路，既可以發(fā)送數(shù)據(jù)，也可以接收數(shù)據(jù)。2C 總線是目前廣泛運(yùn)用于微電子通信控制領(lǐng)域的一種總線標(biāo)準(zhǔn)，也是同步通信的一種形式，具有傳輸速率高、使用簡(jiǎn)單、接口線少等主要優(yōu)點(diǎn)。MCU 發(fā)出的控制信號(hào)分為地址碼和數(shù)據(jù)碼，地址碼用于選址，接通需要控制的設(shè)備；數(shù)據(jù)碼為傳輸內(nèi)容且各IC 設(shè)備彼此獨(dú)立。

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的溫濕度采集功能，本系統(tǒng)遵循程序設(shè)計(jì)“接口化、模塊化”的原則，將SHT20 溫濕度傳感器的初始化、溫度采集及濕度采集分別設(shè)計(jì)成了如下三個(gè)函數(shù)：

void SHT20_Init(void)；

float SHT20_CalTemp(void)；

float SHT20_CalHumi(void)；

其中SHT20_Init()是STH20 溫濕度傳感器的初始化函數(shù)；float SHT20_CalTemp(void)函數(shù)實(shí)現(xiàn)了SHT20 溫濕度傳感器的溫度測(cè)量功能，并得到轉(zhuǎn)換后的溫度數(shù)據(jù)；float SHT20_CalHumi(void)函數(shù)實(shí)現(xiàn)了SHT20 傳感器的濕度測(cè)量功能，得到轉(zhuǎn)換后的濕度數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)云平臺(tái)處理

在系統(tǒng)中，前端的傳感器采集到車間環(huán)境中的粉塵濃度與溫濕度信息后，還需要進(jìn)一步通過無線通信模塊將數(shù)據(jù)上傳到云端，進(jìn)行后續(xù)的遠(yuǎn)程人員監(jiān)控及數(shù)據(jù)可視化處理，本系統(tǒng)使用的無線通信模塊是樂鑫公司的ESP-01S 模塊，只需要通過AT 指令即可完成對(duì)ESP8266 模塊的控制。AT 指令是用于終端設(shè)備與計(jì)算機(jī)客戶端通信的指令，可以通過終端設(shè)備發(fā)送AT 指令來控制移動(dòng)設(shè)備，達(dá)到與GSM 網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)交互的目的。

本系統(tǒng)遵循程序設(shè)計(jì)“接口化、模塊化”的原則，將EXP8266無線通信模塊的初始化、發(fā)送AT 指令及數(shù)據(jù)上傳分別設(shè)計(jì)成了如下三個(gè)函數(shù)：

voidESP_Init(void);

boolESP_Cmd(char * cmd, char * reply1, char * reply2, u32 waittime );

boolESP_SendString ( FunctionalStateenumEnUnvarnishTx, char *pStr, u32 ulStrLength, ENUM_ID_NO_TypeDefucId );

2.4 環(huán)境監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)

為了多方位檢測(cè)加工車間的整體環(huán)境質(zhì)量，通過軌道機(jī)器人搭載多個(gè)傳感器，配合室內(nèi)定位，可以得到加工車間整個(gè)二維空間的環(huán)境參數(shù)，從而多肉食品深加工車間進(jìn)行多方位監(jiān)控。本系統(tǒng)采用DW1000 模塊完成本系統(tǒng)中軌道機(jī)器人的超寬帶(UWB)室內(nèi)定位功能。

DW1000 主要通過STM32 的SPI 驅(qū)動(dòng)，SPI 即串行外設(shè)接口，是摩托羅拉(Motorola)公司推出的同步串行接口技術(shù)，是一種高速的全雙工同步通信總線。本系統(tǒng)遵循程序設(shè)計(jì)“接口化、模塊化”的原則，將DW1000 模塊的初始化與定位分別設(shè)計(jì)成如下兩個(gè)函數(shù)：

void DW1000_Init();

void DW1000_LocationCalculate();

其中void DW1000_Init()是DW1000 模塊的初始化函數(shù)，void DW1000_LocationCalculate()實(shí)現(xiàn)了DW1000 模塊之間的超寬帶數(shù)據(jù)傳輸，通過數(shù)據(jù)處理得到DW1000 標(biāo)簽?zāi)K與各基站模塊之間的距離。該部分的程序流程如圖1所示。

3 系統(tǒng)調(diào)試與實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)硬件調(diào)試的過程主要包括檢查系統(tǒng)各模塊的電路焊接是否正確、是否有斷路或虛焊等焊接技術(shù)問題、各模塊是否連接正確、元器件是否損壞等。

3.1 環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)

粉塵傳感方面，系統(tǒng)每10 次檢測(cè)傳感器輸出電壓后做一次平均濾波，將輸出電壓平均值轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的粉塵濃度后作為一次輸出結(jié)果，通過UART 串口打印輸出到串口上位機(jī)中。在調(diào)試粉塵濃度檢測(cè)功能之前，用萬用表確認(rèn)傳感器模塊與單片機(jī)最小系統(tǒng)之間的連接是否正確，然后再給系統(tǒng)上電。經(jīng)測(cè)試，粉塵濃度檢測(cè)功能可以正常運(yùn)行。

溫濕度采集方面，首先用萬用表檢查并確認(rèn)模塊的連接是否正確，即溫濕度傳感器模塊SHT20 的各引腳與單片機(jī)最小系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)引腳正確連接，然后便開始測(cè)試SHT20 傳感器模塊采集溫濕度數(shù)據(jù)的功能。測(cè)試時(shí)，設(shè)計(jì)程序讓單片機(jī)每完成一次溫濕度的采集后就實(shí)時(shí)將采集的數(shù)據(jù)通過單片機(jī)的UART 串口傳輸?shù)诫娔X的串口調(diào)試上位機(jī)中并打印出來，在上位機(jī)中可查看具體的采集數(shù)據(jù)值。經(jīng)過測(cè)試，系統(tǒng)的溫濕度采集功能可以穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 ESP8266功能測(cè)試

ESP8266 的功能測(cè)試主要包括AT 指令能否正常使用、能否成功連接熱點(diǎn)、能否連接TCP 服務(wù)器、能否成功上傳數(shù)據(jù)到云平臺(tái)等。由于模塊預(yù)留的引腳較多，在進(jìn)行EPS8266 的功能測(cè)試之前，需用萬用表檢查與單片機(jī)是否連接正確。

將測(cè)試程序下載到單片機(jī)，給系統(tǒng)供電，系統(tǒng)采集室內(nèi)粉塵濃度、溫濕度數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)上傳到云平臺(tái)，待系統(tǒng)穩(wěn)定工作一段時(shí)間后打開網(wǎng)址登陸到ThingSpeak 云平臺(tái)，切換到歷史數(shù)據(jù)可視化界面查看系統(tǒng)采集到的環(huán)境參數(shù)歷史數(shù)據(jù)。

3.3 室內(nèi)定位功能

在測(cè)試室內(nèi)定位功能前，編寫測(cè)試程序計(jì)算標(biāo)簽?zāi)K分別到三個(gè)基站模塊的距離，并通過標(biāo)簽?zāi)K的OLED 屏顯示出來。首先將超寬帶定位的三個(gè)基站模塊布置在室內(nèi)的三個(gè)角落，用萬用表檢查基站模塊和標(biāo)簽?zāi)K各自連接無誤后接上電源。待系統(tǒng)穩(wěn)定后，標(biāo)簽?zāi)K的OLED 屏上準(zhǔn)確地顯示出標(biāo)簽到三個(gè)基站地距離。

接下來編寫測(cè)試程序令系統(tǒng)將測(cè)得的標(biāo)簽?zāi)K到三個(gè)基站地距離通過UART 串口傳輸?shù)蕉ㄎ簧衔粰C(jī)中，并通過三角定位算法計(jì)算出標(biāo)簽的準(zhǔn)確位置，在上位機(jī)中顯示出來。此外，上位機(jī)還可以顯示多次計(jì)算數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽運(yùn)動(dòng)軌跡的可視化。

4 結(jié)語

針對(duì)肉食品深加工過程中由于儲(chǔ)存及加工環(huán)境不當(dāng)造成新鮮度降低甚至變質(zhì)的問題，本文分別從肉食品車間的環(huán)境參數(shù)采集、數(shù)據(jù)上傳、云平臺(tái)數(shù)據(jù)可視化、室內(nèi)定位等幾個(gè)方面進(jìn)行研究，為肉食品深加工車間環(huán)境的多方位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供了解決方案。