糧食科技物流中心溫濕度監控系統的設計

陳 潔，王恩亮

（江蘇信息職業技術學院 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量,但是大部分糧庫的現代化程度較低，致使糧食儲藏期間品質劣變快,常見現象為結露、發熱、霉變等。而先進的糧庫儲糧監測技術是科學儲糧的關鍵技術之一。網絡共用、數據共享、設備聯動、作用互補和功能優化的一體化儲糧新技術[1]，是當前糧食儲存技術的發展方向，更是現代化的糧食科技物流中心的發展趨勢。

溫度和濕度是倉庫環境的兩個重要參數,以往溫濕度檢測系統多采用分離的傳感器分別對溫、濕度進行測量，再由A/D轉換成數字信號。本文提出的系統采用數字式溫濕度一體芯片SHT71,能夠一次性測量溫度、濕度,直接輸出數字信號。由經濟型的STC10系列單片機作為主控器，構成一個谷堆監測節點，SHT71采集的數據送至該節點。多個谷堆測量節點以485總線方式構成一個獨立的倉房監測系統，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據至物流中心，管理部門可以通過Internet實時監測有關數據，實現糧倉的現代化管理。

1 系統總體結構與工作原理

圖1 系統總體結構

糧食科技物流中心溫濕度監控系統采用混合網絡拓撲（分層）結構，組網靈活[2]，系統架構如圖1所示。系統主要包括數據采集層、數據管理層和數據共享層，系統能在無人值守時，實現物流中心數據的實時報送[3]。

2 系統硬件設計

數據采集層由多個分布在不同地方、獨立的倉房監控系統組成，彼此之間是相對平等和獨立的，同時，各個倉房監控系統之間又是有聯系的，通過Internet網絡，倉房之間能夠進行信息的交互。每個獨立的倉房監控系統包括上位機（觸摸屏）、智能傳感器節點、GPRS模塊。本設計采用基于RS485總線分布式智能控制系統，結構如圖2所示。

圖2 倉房控制系統

2.1 倉房控制系統

分布式控制系統(DCS)是利用計算機技術、控制技術、通信技術和顯示等有關技術實現對生產過程的集中管理和分散控制[4]，即實現系統管理的集中性和控制的分散性。本系統采用總線型結構，所有節點通過接口接到一條總線上，每次僅允許一個節點發送數據，所發數據可以同時被所有節點接收，通過地址設定的方式，每個節點接收指定節點的數據。

各部分主要功能如下：

智能測量與控制節點：負責現場溫、濕度的采集與實時控制。根據觸摸屏通過485總線下傳的該點溫度、濕度控制值進行溫度、濕度調節，并實時將溫度、濕度信息、控制信息等經過GPRS模塊上傳給數據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，具備一定的數據處理能力，進行數據統計和分析，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點。采用MCGS嵌入版組態軟件進行組態，完成現場數據的采集與監測、前端數據的處理與控制。

GPRS模塊：為數據采集層和數據管理層之間建立通信鏈路，實現無線數據通信[7]。GPRS模塊選用天同誠業的WG-8010 GPRS DTU，其內置工業級GPRS無線模塊[8]，提供標準RS232/485的數據接口，一次性初始化配置，全透明傳輸數據，支持報文模式，需要配置ID號。

倉房監控系統工作原理：每個智能節點采集到相應糧堆的環境參數（溫度和濕度)，上傳至STC10系列單片機，單片機可以控制相應的器件使空調工作，或啟動除蟲裝置，同時數據經485總線送至充當工控機的觸摸屏，并由觸摸屏驅動GPRS模塊向數據層發送數據。

2.2 智能測量與控制節點設計

智能傳感器節點的結構圖如圖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 智能測量與控制節點

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

本系統設定傳感器的測量分辨率為：濕度8位、溫度12位，分別對應O.5%和0.04℃的測量分辨率，既能滿足測量要求，也能實現測量節點超低功耗設計。

STC10F04單片機與SHT71的硬件接口、與75176構成485總線的硬件接口如圖4所示。

測量時序如圖5所示[10]：STC10F04單片機發起啟動傳輸時序(TS)、通過 DATA線發起測量命令(“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答、等待測量結束、測量結束(SHT71拉低數據線為低電平)；SHT71的數據線向外發送數據；STC10F04單片機接收高字節并應答(ACK)(一個低電平)、低字節接收并應答(一個低電平)；SHT71的數據線向外發送CRC-8校驗數據，單片機確認ACK信號并保持為高電平，通信結束，SHTXX自動轉入休眠狀態[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字量轉換為直觀的物理單位量，需進行數據轉換處理。

SHT71傳感器的溫度輸出可用式(1)將數字量輸出轉換為溫度值：

其中，SOT為SHT71的12位數字溫度輸出。

濕度輸出與溫度有關，采取補償方法以獲取準確數據：

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

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 軟件設計

3.1 智能節點數據采集程序設計

軟件設計成低功耗方式，每隔5 s檢測一次數據，溫濕度測量結束后，等待上位機的通信請求，根據上位機要求向觸摸屏發送數據。SHT71內部集成了循環冗余校驗電路，在傳送信息時，SHT71根據所發信息的內容計算出一個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。其數據采集程序流程圖如圖6所示。

3.2 觸摸屏設計

通過對系統的分析，在本系統中，依靠 MCGS（嵌入版）組態軟件設計組態畫面，實現對系統的操作與監控。圖7為某倉房某個檢測點的效果圖。其中左邊的組態是調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及曲線、報警進行組態。

3.3 數據管理層軟件設計

圖6 數據采集程序流程圖

數據管理層采用性能較好的PC作為數據服務器，實現以下功能：

(1)數據中轉服務器[7]：與數據采集層的下位工控機進行數據通信，把下位工控機的相關信息傳送到數據庫；

(2)數據庫服務器：科學地組織各種數據信息，為中轉服務器和Web服務器服務；

(3)Web服務器：為各倉房之間提供數據交互平臺,對外發布數據,實現信息共享。

管理層的服務器監控程序可由MCGS(嵌入版)組態軟件的通用版完成，主要負責數據處理、報表分析和發送控制命令。

圖7 倉房某點溫濕度監控窗口畫面

本文詳細闡述了溫濕度的監測與混合網絡拓撲（分層）結構組網方式，具有結構簡單、數據準確、調試方便、控制可靠的特點。結合組態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據，便于管理與流通，為現代化的糧食儲藏、流通提供了實用的軟硬件設計參考。

[1]通訊員.糧食儲備“四合一”新技術研究開發與集成創新[J].糧食儲藏，2011（2）：3-6.

[2]梁煥煥，熊慶宇，石為人.基于無線傳感器網絡的水質在線監測系統研究[J].傳感器與微系統，2011，30(5)：149-151.

[3]廖海洋，杜宇，溫志渝.嵌入式多參數微小型水質監測系統的設計[J].電子技術應用，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的設計與實現[J].自動化與儀表，2005，20(2)：23-24.

[5]劉晉，楊一晨，郭健.嵌入式智能家居監控系統的設計與實現[J].微型機與應用，2012，31(19)：24-27.

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

[7]周明，黃作維.基于GPRS技術的生態環境監測系統設計[J].計算機測量與控制，2010，18(5)：987-989.

[8]天同誠業.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溫濕度傳感器的數據通訊校驗[J].控制工程，2005，12（1）：64-66.