基于μC/OS-II的糧倉多點溫濕度無線采集系統(tǒng)的設(shè)計與測試

趙懿琨，李長友，卿艷梅，麥智煒

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣東廣州510642)

基于μC/OS-II的糧倉多點溫濕度無線采集系統(tǒng)的設(shè)計與測試

趙懿琨，李長友，卿艷梅，麥智煒

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣東廣州510642)

【目的】基于糧倉環(huán)境對溫度和濕度的控制特點及數(shù)據(jù)無線傳送的要求，構(gòu)建實時嵌入式糧倉多點溫濕度無線采集系統(tǒng).【方法】本設(shè)計利用多點單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20以及濕度傳感器HIH3605檢測糧倉環(huán)境，移植了典型的實時嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II到LPC2103高性能處理器平臺，采用JZ877進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳送.【結(jié)果和結(jié)論】實踐證明系統(tǒng)可實現(xiàn)對糧倉內(nèi)部多點溫濕度的有效實時采集和監(jiān)控(報警)，具有無線數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)存儲和處理等功能，人機操作界面簡潔，易于網(wǎng)絡(luò)擴展.

糧倉;溫濕度檢測;μC/OS-II;LPC2103;無線傳送

溫濕度監(jiān)控是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)綠色倉儲中的一個重要控制環(huán)節(jié)，特別是糧食存儲期間對溫濕度要求很高的糧倉［1］.由于糧倉采用的通風(fēng)設(shè)計及糧倉內(nèi)部糧食存儲狀態(tài)都會影響其溫濕度的空間分布特性，因此設(shè)計快速、準(zhǔn)確的糧倉多點溫濕度檢測對于保證糧食的存儲品質(zhì)從而減少糧食損耗，具有非常重要的意義［2-3］.隨著信息農(nóng)業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，糧倉環(huán)境控制和檢測需要同時具備實時性和網(wǎng)絡(luò)性［4］.

μC/OS-II是一種移植可剪裁的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，能夠保證系統(tǒng)設(shè)備和程序的安全運行，方便管理現(xiàn)場檢測，具有網(wǎng)絡(luò)擴展性.LPC2103［5-6］微處理器擁有ARM7內(nèi)核，其ROM和RAM保證了足夠的空間來運行實時系統(tǒng)，易于二次開發(fā)和維護(hù).本文結(jié)合糧倉環(huán)境工程涉及到的溫濕度參數(shù)要求，選用高精度溫度傳感器DS18B20、濕度傳感器HIH3605作為測量器件，LPC2103處理器作為控制芯片，μC/OS-II作為操作系統(tǒng)，構(gòu)建了一個高精度、高性能、高可靠性的糧倉嵌入式測量無線采集系統(tǒng).

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 硬件系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)的硬件框圖見圖1.系統(tǒng)使用LPC2103內(nèi)置的實時時鐘每隔一段時間記錄下溫度和濕度，在主機監(jiān)控室較遠(yuǎn)條件下，選用JZ877無線數(shù)據(jù)傳送模塊和小吸盤天線發(fā)射433 MHz的溫度和濕度信息，運用串行通信協(xié)議與主機上的接收模塊進(jìn)行通信，主機控制信號發(fā)送時間并記錄實時數(shù)據(jù)，當(dāng)溫度和濕度超過危險值時報警燈閃爍并通知主機.

系統(tǒng)全部的電壓由5 V開關(guān)電源外加電源管理芯片來變換得到穩(wěn)定的電源，電壓分別是1.8、3.3和5 V，其中1.8和3.3 V分別為LPC2103內(nèi)核和片上系統(tǒng)提供的電壓，5 V是給其他外設(shè)模塊提供的電壓.另外，為了保證系統(tǒng)的連續(xù)性，增加1個備用電源.同時，系統(tǒng)采用MAX3232作為處理器的COMS電平和無線數(shù)據(jù)傳送模塊JZ877的RS-232接口電平轉(zhuǎn)換，確保在120KB/S數(shù)據(jù)速率下維持RS-232輸出電平.

圖1 硬件系統(tǒng)框圖Fig.1 Hardware system block diagram

1.2 硬件電路設(shè)計

DS18B20溫度傳感器［7-8］支持“一線總線”接口數(shù)字方式傳輸，測量溫度范圍為-55～125℃，在-10～85℃范圍內(nèi)，精度為±0.5℃，抗干擾性強，適合于開放式和封閉式糧倉的現(xiàn)場溫度測量.當(dāng)獨立供電時，單總線上所掛DS18B20超過8個時，就需要解決微處理器的總線驅(qū)動問題，因此，系統(tǒng)采用北京長英科技生產(chǎn)的測溫電纜，單根電纜長8 m，內(nèi)置8個DS18B20溫度傳感器，并使用三芯屏蔽線作為其傳輸數(shù)據(jù)和提供電源的導(dǎo)線，增加測量距離.HIH3605濕度傳感器［9］為熱固性聚合物電容傳感器，帶集成信號處理電路，5 V恒壓供電，放大線形電壓輸出0～5 V，DC對應(yīng)相對濕度(RH)0～100%，精度為±3%RH.低功耗設(shè)計，200μA驅(qū)動電流，寬工作溫度范圍-40～85℃，穩(wěn)定性好，實測中采用延長線放置在糧倉頂部測量空氣濕度.本文以3點溫度和3點濕度檢測為例設(shè)計的硬件系統(tǒng)設(shè)計圖如圖2所示，圖中連線上標(biāo)記與相同標(biāo)記是物理連接.

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

μC/OS-II［10-14］可以大致分成核心、任務(wù)處理、時間處理、任務(wù)間通信，CPU的移植等5個部分，軟件系統(tǒng)框圖如圖3所示.

μC/OS-II的最小調(diào)度單位是任務(wù)，整個軟件系統(tǒng)有4個任務(wù)，分別是初始化任務(wù)、溫度檢測任務(wù)、濕度檢測任務(wù)和液晶顯示任務(wù).其中，第1個任務(wù)是初始化任務(wù)，優(yōu)先級為5，級別最高，堆棧大小為64 Byte，執(zhí)行完之后自我刪除，實時時鐘初始化之后由硬件運行，不需要軟件執(zhí)行.其后，執(zhí)行溫度和濕度檢測任務(wù)，其優(yōu)先級分別為6和7，堆棧大小均為256 Byte.在檢測轉(zhuǎn)化延時時，調(diào)用液晶顯示任務(wù)，其優(yōu)先級設(shè)為8，堆棧大小為256 Byte;另外，在液晶顯示任務(wù)中的延時時間里系統(tǒng)又調(diào)用溫度和濕度檢測任務(wù).本設(shè)計中利用μC/OS-II內(nèi)核延時函數(shù)最小的延時單位設(shè)置為10 ms，減少了系統(tǒng)的負(fù)荷，運用OSCtxSw()函數(shù)進(jìn)行任務(wù)優(yōu)先級的切換.

在正常情況下，4個任務(wù)輪流執(zhí)行.當(dāng)出現(xiàn)中斷，外部中斷或者時間中斷時，系統(tǒng)運用OS_ENTER_ CRITICAL()與OS_EXIT_CRITICAL()函數(shù)執(zhí)行中斷服務(wù)(如按鍵掃描，向串口發(fā)送數(shù)據(jù)等)，中斷之后又繼續(xù)執(zhí)行任務(wù).另外，方便用戶使用，在液晶顯示字符下面設(shè)置了可進(jìn)行顯示光標(biāo)的操作.

圖2 硬件系統(tǒng)設(shè)計圖Fig.2 Hardware system design

圖3 軟件系統(tǒng)框圖Fig.3 Software system block diagram

2 系統(tǒng)測試

整套系統(tǒng)于2013年10月中旬開始在新疆農(nóng)戶的多個高大平房形糧倉配合糧食烘干系統(tǒng)進(jìn)行安裝實測，倉高12 m、長22 m、寬5 m，下端為凸起層，倉內(nèi)與外部空氣相通，內(nèi)部設(shè)有可控通風(fēng)道，工作模式為08:00后逐漸進(jìn)濕糧，24:00后通風(fēng)出糧入烘干塔干燥，日氣溫在5～22℃變化，日濕度10%～60%.在倉頂大梁4點懸掛測溫電纜，單根電纜的長度為8 m，內(nèi)置8個溫度傳感器，上端點距倉頂和下端點距倉底為0.5 m，其余6點均為1.0 m間距，如圖4所示，其中，1號接近進(jìn)糧口.系統(tǒng)其他模塊放置于戶外箱內(nèi)，濕度傳感器置于倉頂，均安裝在控制器位置.

圖4 系統(tǒng)安裝圖Fig.4 System installation diagram

糧倉在當(dāng)日凌晨通風(fēng)出糧入烘干塔干燥后剩余小半倉糧食，在08:00時第1次逐漸從上方進(jìn)糧填充直至09:30時停止進(jìn)糧，1號和2號區(qū)域達(dá)到3點位置，其他區(qū)域糧食位于2點位置以上;13:30—14:30第2次進(jìn)糧，1號區(qū)域達(dá)到4點處位置，其他區(qū)域糧食位于3點位置以上;19:00—21:30第3次進(jìn)糧，1號區(qū)域達(dá)到6點位置，4號區(qū)域達(dá)到5點位置，其他區(qū)域糧食位于4點位置以上;凌晨零點開始通風(fēng)出糧入烘干塔干燥.主機同時接收到濕度和溫度數(shù)據(jù)，系統(tǒng)每隔1 min檢測了糧倉從10月22日08: 00至翌日08:00的濕度和溫度情況，倉內(nèi)濕度變化情況見圖5，選用測溫電纜1號說明糧倉內(nèi)各層糧食溫度變化情況，見圖6.

圖5表明倉內(nèi)濕度變化因倉外通大氣而隨大氣濕度變化.從圖6中可以看出，由于倉內(nèi)積存糧溫和入糧溫度的差異，所以08:00時各點溫度有較大差異，但在09:30前后測溫0點、1點、2點、3點糧食溫度開始緩慢變化表明糧食進(jìn)入糧倉后停止運動，開始自然呼吸，溫度保持較穩(wěn)定狀態(tài);4點、5點和6點的糧食溫度分別在14:30、19:30和21:40進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài).7點未放置糧食，因此呈現(xiàn)糧倉內(nèi)部氣溫24 h變化;5點和6點是第3次新進(jìn)糧，發(fā)生在氣溫中間的夜晚時段，糧食平衡溫度相近，均在14℃附近變化;4點是第2次新進(jìn)糧，發(fā)生在氣溫最高的中午時段，其糧食的平衡溫度最高，為15.7℃;3點是第1次新進(jìn)糧，發(fā)生在氣溫最低的清晨時段，其糧食的平衡溫度較低，后經(jīng)氣溫和糧食呼吸作用，溫度逐漸升高，最高值為10.4℃;2點是表層陳積糧，其溫度變化較小，保持在7℃附近;1點是中間層陳積糧，其平衡溫度最低，最低值為1.9℃;0點是底層陳積糧，與倉內(nèi)凸起層接觸，溫度較1點高，均在4.2℃附近變化.在24:00以后，由于通風(fēng)后從底部出糧，受到通風(fēng)和出糧影響，各層糧食位置發(fā)生劇烈變化，所以測得的溫度變化劇烈.

圖5 糧倉內(nèi)部濕度Fig.5 Humidity in the granary

圖6 測溫電纜1號各點溫度Fig.6 Temperature of each point of thermometric cable No.1

實測表明，糧倉內(nèi)濕度主要由大氣濕度決定，糧倉內(nèi)溫度同時受大氣溫濕度、糧食初溫、存儲時間、存儲位置以及通風(fēng)情況影響.該系統(tǒng)已正常運行50 d，系統(tǒng)的主要參數(shù):工作溫度為-25～125℃，精度為±0.5℃;工作濕度為0～95%，精度為±5%;無線傳輸距離為500 m，收發(fā)檢測情況良好.

3 結(jié)論

本文基于μC/OS-II構(gòu)建的糧倉多點溫濕度無線采集系統(tǒng)，在工程上實現(xiàn)了高精度的動態(tài)溫濕度實時檢測和無線傳送，可應(yīng)用在夏季濕糧堆積溫度達(dá)60～70℃的糧倉，實現(xiàn)35℃高溫報警;在冬季糧倉，由于糧溫與大氣的溫差，可根據(jù)測點溫度簡易推斷糧食的存儲位置與存儲時間.

該測控系統(tǒng)具有高穩(wěn)定性、實時性和網(wǎng)絡(luò)性的優(yōu)點，并有較好的可擴展性，很容易擴展到其他對溫度、濕度有一定要求的領(lǐng)域，如冷藏庫溫濕度監(jiān)測、溫室大棚溫濕度監(jiān)測等，因此具有較廣的工程應(yīng)用前景.

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【責(zé)任編輯 霍 歡

】

Design and test ofmulti-dot tem perature and hum idity w ireless data acquisition system in granary based onμC/OS-II

ZHAO Yikun，LIChangyou，QING Yanmei，MAIZhiwei
(College of Engineering，South China Agricultural University，Guangzhou 510642，China)

【Objective】To construct the real-time embedded multi-dot temperature and humidity wireless data acquisition system based on the granary environment control for temperature and humidity requirements and wireless data transfer characteristics.【Method】This design applied multi-dot single bus digital temperature sensor DS18B20 and humidity sensor HIH3605 to detect granary environment，transplanted a typical real-time embedded operating systemμC/OS-II to LPC2103 high performance processor platform，and chose JZ877 for wireless data transmission.【Result and conclusion】Practical tests proved that multi-dot temperature and humidity effective collection and monitoring(alarm)system was established.The real-time operating system has wireless data transmission，data storage and processing functions.It also has advantages of simple human-machine interface and easy of network extensibility.

granary;temperature and humidity detection;μC/OS-II;LPC2103;wireless transmission

TP273.5

A

1001-411X(2015)02-0095-05

趙懿琨，李長友，卿艷梅，等.基于μC/OS-II的糧倉多點溫濕度無線采集系統(tǒng)的設(shè)計與測試［J］.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2015，36(2):95-99.

2014-02-09 優(yōu)先出版時間:2015-01-21

優(yōu)先出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/44.1110.s.20150121.0944.016.html

趙懿琨(1981—)，女，講師，碩士，E-mail:zhaoyikun@scau.edu.cn;通信作者:李長友(1958—)，男，教授，博士，E-mail:lichyx@scau.edu.cn

國家星火計劃(2011GA780027);廣東省產(chǎn)學(xué)研重點項目(20120904);高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金博導(dǎo)類資助課題(20114404110021)