糧食科技物流中心溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

陳 潔，王恩亮

（江蘇信息職業(yè)技術(shù)學院 電信系，江蘇 無錫214153）

糧食的安全儲藏是一個國家的重大戰(zhàn)略決策，我國也不例外。自20世紀末,國家逐步增加糧食儲備數(shù)量,但是大部分糧庫的現(xiàn)代化程度較低，致使糧食儲藏期間品質(zhì)劣變快,常見現(xiàn)象為結(jié)露、發(fā)熱、霉變等。而先進的糧庫儲糧監(jiān)測技術(shù)是科學儲糧的關(guān)鍵技術(shù)之一。網(wǎng)絡(luò)共用、數(shù)據(jù)共享、設(shè)備聯(lián)動、作用互補和功能優(yōu)化的一體化儲糧新技術(shù)[1]，是當前糧食儲存技術(shù)的發(fā)展方向，更是現(xiàn)代化的糧食科技物流中心的發(fā)展趨勢。

溫度和濕度是倉庫環(huán)境的兩個重要參數(shù),以往溫濕度檢測系統(tǒng)多采用分離的傳感器分別對溫、濕度進行測量，再由A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。本文提出的系統(tǒng)采用數(shù)字式溫濕度一體芯片SHT71,能夠一次性測量溫度、濕度,直接輸出數(shù)字信號。由經(jīng)濟型的STC10系列單片機作為主控器，構(gòu)成一個谷堆監(jiān)測節(jié)點，SHT71采集的數(shù)據(jù)送至該節(jié)點。多個谷堆測量節(jié)點以485總線方式構(gòu)成一個獨立的倉房監(jiān)測系統(tǒng)，管理員可以觀測和控制某一個倉房，同時，每個倉房通過各自的GPRS模塊以無線的方式上傳數(shù)據(jù)至物流中心，管理部門可以通過Internet實時監(jiān)測有關(guān)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)糧倉的現(xiàn)代化管理。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與工作原理

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

糧食科技物流中心溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)采用混合網(wǎng)絡(luò)拓撲（分層）結(jié)構(gòu)，組網(wǎng)靈活[2]，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)管理層和數(shù)據(jù)共享層，系統(tǒng)能在無人值守時，實現(xiàn)物流中心數(shù)據(jù)的實時報送[3]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集層由多個分布在不同地方、獨立的倉房監(jiān)控系統(tǒng)組成，彼此之間是相對平等和獨立的，同時，各個倉房監(jiān)控系統(tǒng)之間又是有聯(lián)系的，通過Internet網(wǎng)絡(luò)，倉房之間能夠進行信息的交互。每個獨立的倉房監(jiān)控系統(tǒng)包括上位機（觸摸屏）、智能傳感器節(jié)點、GPRS模塊。本設(shè)計采用基于RS485總線分布式智能控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 倉房控制系統(tǒng)

2.1 倉房控制系統(tǒng)

分布式控制系統(tǒng)(DCS)是利用計算機技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)和顯示等有關(guān)技術(shù)實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的集中管理和分散控制[4]，即實現(xiàn)系統(tǒng)管理的集中性和控制的分散性。本系統(tǒng)采用總線型結(jié)構(gòu)，所有節(jié)點通過接口接到一條總線上，每次僅允許一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，所發(fā)數(shù)據(jù)可以同時被所有節(jié)點接收，通過地址設(shè)定的方式，每個節(jié)點接收指定節(jié)點的數(shù)據(jù)。

各部分主要功能如下：

智能測量與控制節(jié)點：負責現(xiàn)場溫、濕度的采集與實時控制。根據(jù)觸摸屏通過485總線下傳的該點溫度、濕度控制值進行溫度、濕度調(diào)節(jié)，并實時將溫度、濕度信息、控制信息等經(jīng)過GPRS模塊上傳給數(shù)據(jù)管理層的控制計算機[5]。

觸摸屏：充當工控機完成各個測量點的溫度、濕度的實時顯示及控制，具備一定的數(shù)據(jù)處理能力，進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析，并可以完成溫濕度控制曲線的生成。觸摸屏選用昆侖通態(tài)觸摸屏TPC7062K[6]，它是一套以嵌入式低功耗CPU為核心(主頻為400 MHz)的高性能嵌入式一體化工控機，采用高亮度TFT液晶顯示屏，具有一個RS485通信口，一個RS232通信口。RS232通信口用于連接GPRS模塊，RS485通信口連接多個智能節(jié)點。采用MCGS嵌入版組態(tài)軟件進行組態(tài)，完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測、前端數(shù)據(jù)的處理與控制。

GPRS模塊：為數(shù)據(jù)采集層和數(shù)據(jù)管理層之間建立通信鏈路，實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)通信[7]。GPRS模塊選用天同誠業(yè)的WG-8010 GPRS DTU，其內(nèi)置工業(yè)級GPRS無線模塊[8]，提供標準RS232/485的數(shù)據(jù)接口，一次性初始化配置，全透明傳輸數(shù)據(jù)，支持報文模式，需要配置ID號。

倉房監(jiān)控系統(tǒng)工作原理：每個智能節(jié)點采集到相應(yīng)糧堆的環(huán)境參數(shù)（溫度和濕度)，上傳至STC10系列單片機，單片機可以控制相應(yīng)的器件使空調(diào)工作，或啟動除蟲裝置，同時數(shù)據(jù)經(jīng)485總線送至充當工控機的觸摸屏，并由觸摸屏驅(qū)動GPRS模塊向數(shù)據(jù)層發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.2 智能測量與控制節(jié)點設(shè)計

智能傳感器節(jié)點的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，控制器選用性價比較高的 STC10F04單片機[9]，STC10F04是增強型的8051CPU，1T/機器周期，指令完全兼容 8051；5.5 V～3.8 V/3.3 V工作電壓；工作頻率為 0～40 MHz；36根 I/O口線；2個 DPTR；雙倍速模式；2個定時/計數(shù)器；1個看門狗定時器WDT；2個增強全雙工串口UART等。

圖3 智能測量與控制節(jié)點

溫濕度傳感器SHT71是高度集成的數(shù)字式一體化芯片[10]，響應(yīng)時間快、精度高(在25℃時溫度精度為±0.40℃，相對濕度精度為±3.0%)、可編程設(shè)置測量分辨率(濕度8/12 bit，溫度 12/14 bit)。

本系統(tǒng)設(shè)定傳感器的測量分辨率為：濕度8位、溫度12位，分別對應(yīng)O.5%和0.04℃的測量分辨率，既能滿足測量要求，也能實現(xiàn)測量節(jié)點超低功耗設(shè)計。

STC10F04單片機與SHT71的硬件接口、與75176構(gòu)成485總線的硬件接口如圖4所示。

測量時序如圖5所示[10]：STC10F04單片機發(fā)起啟動傳輸時序(TS)、通過 DATA線發(fā)起測量命令(“00000101”—測量相對濕度；“00000011”—測量溫度)、SHT71返回一個低電平作正確接收應(yīng)答、等待測量結(jié)束、測量結(jié)束(SHT71拉低數(shù)據(jù)線為低電平)；SHT71的數(shù)據(jù)線向外發(fā)送數(shù)據(jù)；STC10F04單片機接收高字節(jié)并應(yīng)答(ACK)(一個低電平)、低字節(jié)接收并應(yīng)答(一個低電平)；SHT71的數(shù)據(jù)線向外發(fā)送CRC-8校驗數(shù)據(jù)，單片機確認ACK信號并保持為高電平，通信結(jié)束，SHTXX自動轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)[10]。其中，TS為傳輸啟動，Checksum為CRC-8校驗和。

為將傳感器輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為直觀的物理單位量，需進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理。

SHT71傳感器的溫度輸出可用式(1)將數(shù)字量輸出轉(zhuǎn)換為溫度值：

其中，SOT為SHT71的12位數(shù)字溫度輸出。

濕度輸出與溫度有關(guān)，采取補償方法以獲取準確數(shù)據(jù)：

其中，RHlinear為 25℃時的實際相對濕度，SORH為 25℃時8位數(shù)字相對濕度值。

圖4 STC10F04硬件接口

圖5 SHT71測量時序

由于實際溫度與 25℃有差別，使用式（3）進行補償修正，修正后的相對濕度值為RHtrue：

3 軟件設(shè)計

3.1 智能節(jié)點數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計

軟件設(shè)計成低功耗方式，每隔5 s檢測一次數(shù)據(jù)，溫濕度測量結(jié)束后，等待上位機的通信請求，根據(jù)上位機要求向觸摸屏發(fā)送數(shù)據(jù)。SHT71內(nèi)部集成了循環(huán)冗余校驗電路，在傳送信息時，SHT71根據(jù)所發(fā)信息的內(nèi)容計算出一個CRC值，同樣，接收方也用相同的方法計算出一個相應(yīng)的CRC值。比較兩個CRC值，若一致，則確認信息傳送正確[11]；否則，丟棄，再發(fā)。其數(shù)據(jù)采集程序流程圖如圖6所示。

3.2 觸摸屏設(shè)計

通過對系統(tǒng)的分析，在本系統(tǒng)中，依靠 MCGS（嵌入版）組態(tài)軟件設(shè)計組態(tài)畫面，實現(xiàn)對系統(tǒng)的操作與監(jiān)控。圖7為某倉房某個檢測點的效果圖。其中左邊的組態(tài)是調(diào)溫除濕機組的組成及工作情況，右邊矩形框是對溫濕度參數(shù)及曲線、報警進行組態(tài)。

3.3 數(shù)據(jù)管理層軟件設(shè)計

圖6 數(shù)據(jù)采集程序流程圖

數(shù)據(jù)管理層采用性能較好的PC作為數(shù)據(jù)服務(wù)器，實現(xiàn)以下功能：

(1)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務(wù)器[7]：與數(shù)據(jù)采集層的下位工控機進行數(shù)據(jù)通信，把下位工控機的相關(guān)信息傳送到數(shù)據(jù)庫；

(2)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器：科學地組織各種數(shù)據(jù)信息，為中轉(zhuǎn)服務(wù)器和Web服務(wù)器服務(wù)；

(3)Web服務(wù)器：為各倉房之間提供數(shù)據(jù)交互平臺,對外發(fā)布數(shù)據(jù),實現(xiàn)信息共享。

管理層的服務(wù)器監(jiān)控程序可由MCGS(嵌入版)組態(tài)軟件的通用版完成，主要負責數(shù)據(jù)處理、報表分析和發(fā)送控制命令。

圖7 倉房某點溫濕度監(jiān)控窗口畫面

本文詳細闡述了溫濕度的監(jiān)測與混合網(wǎng)絡(luò)拓撲（分層）結(jié)構(gòu)組網(wǎng)方式，具有結(jié)構(gòu)簡單、數(shù)據(jù)準確、調(diào)試方便、控制可靠的特點。結(jié)合組態(tài)軟件能夠清晰地檢測與控制倉房的溫濕度，方便地采集各個倉房的存量數(shù)據(jù)，便于管理與流通，為現(xiàn)代化的糧食儲藏、流通提供了實用的軟硬件設(shè)計參考。

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[2]梁煥煥，熊慶宇，石為人.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2011，30(5)：149-151.

[3]廖海洋，杜宇，溫志渝.嵌入式多參數(shù)微小型水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2011，37(1)：36-39.

[4]郝銘，劉景泰，盧桂章.基于RS485總線分布式智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].自動化與儀表，2005，20(2)：23-24.

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[6]北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司.昆侖通態(tài)選型手冊[S].2011：4-6.

[7]周明，黃作維.基于GPRS技術(shù)的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機測量與控制，2010，18(5)：987-989.

[8]天同誠業(yè).COMWAY WG-8010 GPRS DTU使用手冊Version1.2.0[S].2011：5-6.

[9]宏晶科技公司.STC11/10用戶手冊[S].2004：1-18.

[10]The sensor company.SHT1x/SHT7x Relative Humidity&Temperature Sensor System[EB/OL].(2007-08).http//www.sensirion.com/.

[11]黃繼雄，陳仔俊，莫易敏，等.新型SHT71溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)通訊校驗[J].控制工程，2005，12（1）：64-66.