糧庫糧情智能監測系統的設計與實現

龍夏 檀明 王曉峰 劉原

摘?要：開發一套基于物聯網的糧庫糧情監測系統.采集器多點實時采集倉內溫濕度、糧食溫濕度及倉內空氣混濁度，并將以上參數實時傳輸到中繼器，中繼器匯總數據后再通過以太網傳輸到遠程服務器;WEB端監控程序顯示所有監測點的實時數據、歷史數據及變化趨勢.該系統可實現對糧倉存儲環境24小時監控，使糧倉管理更加智能、便捷.

關鍵詞：物聯網;糧情;以太網;中繼器

[中圖分類號]TP392 ???[文獻標志碼]A

Design and Implementation of Intelligent MonitoringSystem for Grain Situation in Grain Depot

LONG Xia1， TAN Ming1， WANG Xiaofeng1， LIU Yuan2

（1. Department of Computer Science and Technology，Hefei University，Hefei ?230001，China;2. Hefei Taite Information Technology Co.，Ltd.，Hefei 230001，China）

Abstract：Developing a monitoring system for grain depot based on Internet of Things. The collector collects temperature and humidity， grain temperature and humidity， and air turbidity in the warehouse in real time， and transmits the above parameters to the repeater in real time. The repeater collects the data and then transmits it to the remote server through ethernet. The WEB monitor displays real-time data， historical data， and trends from all monitoring points. This system realizes 24-hour monitoring of the storage environment of the granary， makes the management of the granary more intelligent and convenient， and has practical value.

Key words：internet of things; grain condition; ethernet; repeater

我國是農業大國，糧食安全關系到國計民生.糧食儲備安全問題是糧食儲備工作中的關鍵，為了保證糧食品質，最大限度減少糧食倉儲過程中的損失，必須準確地掌握糧食倉儲過程中溫濕度等各種糧情參數的變化情況，并做出相應的處理.[1]隨著物聯網技術的興起，糧庫糧情智能化研究向網絡化、智能化和數字化方面發展.孫茜莉提出了結合ARM和232串口，采用以太網通信的方式采集糧倉內特定點參數，對糧倉內糧情進行監測.[2]段天浩提出通過3G無線網絡實現糧倉數據通信.[3]林澤等人采用分布式網絡構建糧倉網絡拓撲.[4]李理提出通過Zigbee構建糧倉無線監測網絡.[5]鐘志杰提出基于“云外包”模式的糧情監測系統.[6]總體上看，糧倉糧情監測研究大多集中在網絡通信方式和拓撲結構上，對數據采集本身缺少關注，大多終端采集采用“固定采集-傳輸”模式，采集的傳感器接口是固定的，網絡通信方式也是固定的，當更換傳感器或網絡結構時，系統大部分需要更換.本文研究一套基于物聯網的數字化糧情監測系統，重點關注傳感器接口的一致性和通信模式的可選性，整個系統的框架確定后，網絡內部結構及采樣參數可以任意更換，適用面更廣.

1?系統整體設計

硬件以STC15W4K32S4單片機作為采集器和執行器處理器，功能性的模塊主要由溫濕度傳感器、煙霧傳感器、單片機配合使用.采用C語言、Java語言編程開發.

系統包括采集器、中繼器、執行器和上位機.采集器采集糧倉環境溫濕度、糧食溫濕度、倉內有害氣體濃度等參數.為方便擴展連接不同標準件的傳感器，采集器上的傳感器接口設計為標準的485接口和4～20 mA電流接口.中繼器通過輪巡的方式查詢采集器的采樣值，匯總后再通過以太網傳輸到遠程服務器.開發的遠程WEB程序可以實時監控糧倉內各個采樣點的參數值，并能設定閾值，當溫度、濕度、有害氣體濃度等超過設定值后，會通過中繼器發送指令給執行器.執行器設計為標準接口，包括繼電器接口、485接口等.

2?硬件設計

2.1?采集器設計

采集器的處理器選用STC15W4K60S，5 V供電.參數收集采用“1—N”的模式，多點的數據匯總到一個中繼節點.采集器和中繼器之間的數據匯總可以根據現場環境選擇大功率170 M無線、WIFI傳輸或者485有線傳輸.傳感器采集接口則集成常規的數據接口，便于后期擴展使用，包括485接口、4～20 mA接口和IO接口.

采集器的整體結構如圖1所示.傳感器是一種能夠感受規定的被測量、并按照一定規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置.[7]溫濕度傳感器板載集成了485采樣接口、0～5 V采樣接口和4～20 mA采樣接口.采集器定時采集相關溫濕度及空氣信息，并將數據傳遞給中繼器，并由中繼器上傳給遠程服務器.數據傳輸選擇WIFI傳輸、433 M大功率無線傳輸和485傳輸.單片機最小系統電路的采集器處理器選用STC15W4K32S4系列單片機，兼容傳統8051類型機的指令代碼，寬電壓2.2～5.5 V供電，內部晶振可選，USB口下載.采樣板采用485接口或4～20 mA電流接口.

I/V轉換電路見圖2.4～20 mA電流從接口P7送入，0～5 V電壓從P8輸出后送到單片機內部AD引腳.運放選用高精度低失調的OP07，由DIP封裝的TL431組成的高精度穩壓電源對運放供電，DIP封裝確保了散熱性能，散熱功耗達到1W.I/V電路要求輸入電流和輸出電壓滿足線性對應關系.轉換關系為V=-1.25+312.5I.R40，R41，R42組成負穩壓電源，V1=-（1+R41R40）×2.5V=-3.125V.R39和R38組成分壓電路，V2=R38R38+R39×V1=-0.1V，U3反向輸入端電位V3=V2=-0.1V，PNP型三極管用于擴展輸出能力.R33是4～20 mA的I/V轉換電阻，由于運放的作用，這個電阻的最小取值可以很小，電阻越小越能減輕前方傳感變送器的供電要求.[8]V4=V3+R33×Iin=-0.1+2.5×Iin.濾波電容C56和兩只1N4148（D15和D16）用于對輸入電壓進行保護，防止干擾信號的串入.采樣電壓V4送到U21的同向輸入端，V5=V4=V3+R33×Iin=-0.1+25×Iin.U21輸出端R34和R44分壓后從P8端口送出I/V轉換的結果，Vout=（1+R43R44×V5=-1.25+312.5Iin.為確保測量精度和系統穩定性，I/V電路中所有電阻均選用溫漂不大于50 mmp的精度0.1%的E96分度金屬膜電阻.

采集器中集成了多種通信方式，包括485通信、WIFI通信以及大功率無線通信.當糧倉現場網絡環境良好，可以選擇WIFI通信.糧倉無外接無線信號強干擾并且對通信距離有要求的前提下，可以選用大功率無線通信170 M.通信距離遠且無線干擾比較嚴重的情況下，則可以選擇485通信接口.可隨機測試，也可連續測試，抗干擾設計能提高系統精度和可靠性.[9]WIFI通信實測空曠地通信距離為100米，最大發射功率100 mW，寬供電電壓2.4～3.6 V，便于電池供電，電路圖如圖3所示，通過單片機串口和E103-W02實現通信，完成配置及數據收發.

RS485總線是串行總線標準，采用平衡發送與差分接收的方式.為確保通信正常，在電路中加入總線保護和隔離電路，電路如圖4所示.TTL端選用NEC的光耦PS2501（J9，J10，J11）實現總線端和控制端的隔離，同時控制端和總線端的電源通過DC-DC器件B0505S-1W實現隔離，確保總線中的干擾不會影響到控制系統.485總線端A，B引腳分別通過R96，R97電阻上、下拉，確保485無數據收發時，總線端的干擾會造成數據誤接收.D30，D31和D32是6.8 V鉗位二極管，用于保護485端口，避免總線電壓過高燒壞控制端.C31，C32，L21和L22用于提高電路的EMI性能，屏蔽總線工頻干擾.

2.2?中繼器設計

現場采取1-N的布網模式，采集器的數據匯總到一個中繼節點，再由中繼節點通過以太網將數據上傳到遠程PC端.中繼器的結構見圖5.中繼器采用有人物聯網公司生產的USR-TCP232-T2物聯網串口以太網模塊，實現RJ45網口與TTL 串口之間直接的數據透明傳輸設備，無需單片機驅動，其內部搭載M0系列處理器，運行速度快、效率高、低功耗、體積小.模塊在透明傳輸過程提供TCP和UDP傳輸協議可供選擇，方便用戶根據需要選用.

3?軟件設計

系統分為三層結構：底層采集執行器，中間傳輸層，上位機.整個系統傳輸協議采用工業級MODBUS協議.底層采集執行器在糧倉內部，實時采集糧倉內部環境參數和糧堆溫濕度參數，通過WIFI、485或無線傳送到中繼器.執行器接收到中間層執行命令，控制糧倉內的加熱爐和鼓風扇.中間傳輸層接收到底層采集到的數據，存放在緩存區.當上位機發送讀取命令時，通過以太網回傳數據，同時，接收寫控制命令，下傳到底層采集執行器，控制糧倉設備.上位機由Java編輯開發，在數據傳輸協議中采用TCP協議，TCP三次握手，保證數傳輸過程的可靠性.當上位機發送讀取命令后，收到中繼器回傳的數據，進行解析.上位機可以手動控制糧倉內部設備，也可以設置參數自動控制設備開啟.上位機在顯示實時數據的同時還可以查看往期數據記錄.

采集器軟件代碼主要負責環境參數的采集與上傳，進行ADC轉換得到具體數值，溫濕度環境參數由DHT11模塊采集數字量輸出，無需ADC轉換.當采集器接收到查詢命令后，將BUFF中的數字上傳到中繼器.上位機軟件由Java編程語言實現，系統分為三個模塊：數據庫設計、人機界面設計和通信設計.人機界面用于顯示糧庫內2D監測圖，各個點的實時參數監測.采樣的數據定時存儲在數據庫中，通信支持TCP協議，數據交互通過socket包完成.

4?總結

設計了一款基于物聯網的糧庫糧情監測系統，可以完成現場糧堆及糧庫環境的測量，通過中繼器上傳到遠程PC端.PC端可以通過三維模型監測到糧倉內各個點的參數，通過自動或手動方式控制鼓風機、冰箱、加熱器和加濕器，用于保證糧倉內環境的穩定.該系統已在合肥某糧庫內試運行半年多，提高了糧庫監測的效率，減少了人力.

參考文獻

[1]周慧玲，甘典文，王智威，等.基于ARM/GPRS/ZigBee技術的無線糧情監控系統的設計與實現[J].測控技術，2011（2）：11-15.

[2]孫茜莉.基于ARM9的糧倉環境監測系統關鍵技術研究與實現[D].長沙：湖南大學，2013.

[3]段天浩.糧情無線監測系統的設計與研究[D].合肥：安徽大學，2016.

[4]林澤.分布式無線糧情監測系統的設計與應用[J].電子工程師，2008，37（7）：71-73.

[5]李理，劉柯岐.基于Zigbee的糧倉分布式傳感器網絡[J].兵工自動化，2008，27（9）：63-64.

[6]鐘志杰.基于“云外包”模式的糧情測控系統設計與實現[D].合肥：安徽大學，2014.

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[8]楊坤，李文娟，杜坤梅.基于DSP的多級油泵測控系統[J].寧波職業技術學院學報，2008，12（2）：6-10.

[9]寧麗娟，張殿甲，畢鳳可，等. 基于C8051F單片機動態測流系統平臺的設計[J]. 牡丹江師范學院學報：自然科學版，2012（3）：11-12.

編輯：琳莉