糧倉環境監測系統設計與實現

葉建新　武斌　王安瀾

摘要：在糧食倉儲過程中，為給糧食提供較好的倉儲環境，往往需要對糧倉環境進行實時監測。因此設計采用STM32單片機為核心控制單元的實時監測系統，通過傳感器采集環境數據并實時顯示，定時通過無線模塊將數據傳輸至服務器平臺。系統能實現糧倉內溫濕度、氧氣濃度和二氧化碳濃度的實時采集。

關鍵詞：STM32;糧倉環境監測;傳感器;無線傳輸

中圖分類號：TP368.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8228（2020）08-42-03

0 引言

糧食是國民之所必須，糧食的質量和儲量都是社會穩定的保障，因此做好糧食的生產和儲備工作具有重大的意義。影響儲備糧質量的主要環境因素有溫度、濕度、氧氣濃度和二氧化碳濃度等[1]。因此，快速準確的檢測這些參數并及時做出處理對減少每年的儲糧損失具有十分重要的意義。

針對糧倉環境，很多學者做了相關的研究，例如，Hemanth Kumar G[2]等人設計了一種基于ARM9和Zigbee的無線傳感網絡用于監測糧倉環境;孫瑤瑤[3]等設計的基于51單片機的糧倉環境檢測系統;高寧[4]等設計的基于智能小車的糧倉環境監測系統。這些監測系統的監測量都比較單一，因此針對監測量單一的問題，本文設計了—套基于STM32單片機的糧倉環境監測系統，本系統能夠實時采集糧倉中的溫度、濕度、氧氣濃度和二氧化碳濃度，間隔時間將數據傳輸至云服務器平臺。

1 糧倉環境監測系統硬件設計

本系統采用STM32單片機作為主控單元[6-7]，各個模塊通過相應的接口與STM32相連，實現數據的傳輸，系統的總體結構框圖如圖l所示。

1.1 環境監測傳感器選型

1.1.1 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器采用的是瑞士Sensirion公司設計生產的新一代數字溫濕度傳感器SHT20，SHT20內配全新設計的CMOSens芯片、一個經過改進的電容式濕度傳感元件和一個溫度傳感元件，可靠性水平相較于前一代產品得到了很大的提升。該傳感器具有低功耗、高精度、穩定性強等特點。通過傳感器采集到的溫濕度值以數字量進行輸出，其中溫度轉換通過式（1）完成，相對濕度通過式（2）進行轉換。

SHT20的使用比較簡單，在VDD和VSS間連接一個104電容用于去耦合，SDA和SCL連接一個電阻作為上拉電阻。傳感器單元采集到數據后輸出模擬信號，通過SHT20內置的AD轉換器進行AD轉換后輸出數字信號，之后通過nc串口傳輸到主控模塊。

1.1.2氧氣濃度傳感器

氧氣濃度采用ZE03-02電化學氧氣模組進行檢測，它采用三電極電化學氣體傳感器和高性能微處理器，其內搭載氧氣傳感器進行氧氣濃度的測量。內置有溫度傳感器，可以實現溫度補償，能都精確的測量環境中的氧氣濃度。測量結果輸出有數字和模擬兩種形式的信號，可以根據需要進行選擇，更加方便使用者進行調試。模組具有高分辨率、高靈敏度和低功耗等特點，具有較好穩定性和較高的抗干擾能力。在本系統中采用UART串口與主控單元進行連接與通訊。

1.1.3二氧化碳濃度傳感器

二氧化碳濃度采用的是MH-219B二氧化碳氣體傳感器進行采集，MH-219B是一種小型的利用非色散紅外（NDIR）原理對空氣中存在的C02進行探測，具有很好的選擇性和無氧氣依賴性、高靈敏度、低功耗和壽命長等特點。內置有溫度自補償，其輸出有串口輸出、模擬輸出和PWM輸出三種方式。在本系統中通過UART串口的與主控單元進行信息交互。

1.2 無線傳輸模塊電路設計

無線傳輸采用合宙Air202芯片設計[8]，Air202是一款功耗低、穩定性高的集成GPRS無線芯片，采用虛擬卡版本的Air202芯片，可實現無SIM卡網絡通信，通過穩壓電路給Air202芯片供電，將芯片的程序下載接口外接以方便下載程序，通過USART與主控單元相連。

1.3 主控模塊電路設計

主控模塊采用的是STM32Fl03單片機為核心的最小系統，STM32Fl03是一款低功耗高性能Cortex-M3內核的32位處理器，集成浮點運算和數字信號處理指令，內存上自帶64KB SRAM、512KB FLASH，STM32Fl03可以通過電路將I/O口引出，引出的1/0口可以連接一些外設模塊，比如WIFI、藍牙、GPRS等，通過控制LCD可以實現各種類型圖片的顯示和處理，支持SWD和JTAG調試，方便在編程時進行在線調試，其運行主頻高達72MHz，可以高速的進行數據處理，并保證系統運行的流暢性[9]。

基于STM32Fl03的主控電路最小系統的設計包括JTAG電路、復位電路、外部晶振電路、穩壓供電電路、電源指示電路等小的模塊，最小系統的電路如圖2所示。

2 系統軟件設計

系統的軟件采用Keil平臺C語言設計[10]，其程序流程圖如圖3所示，主要實現對各傳感器的采集值的處理和顯示。

在接收采集值之前要進行各個串口的初始化，其中UART/USART串口需要配置波特率、停止位、奇偶校驗等。IIC總線有一條時鐘線SCL和數據線SDA，傳輸是需要根據相應的時序配置起始信號和結束信號，以此來完成采集值的接收，每次接收單位為一個字節，每次接收都產生一個應答信號，在所有數據傳輸完成后，SDA會保持為高電平，此時則會產生一個結束信號，結束傳輸。

初始化完成后進行數據的接收和處理，并將數據通過USART串口發送給Air202無線傳輸模塊，Air202通過lua腳本語言編有程序，只要串口接收到數據就會將數據發送到服務器平臺上。

3 系統調試與結果

調試采用分模塊調試的方法，對各個模塊分別進行性能測試，測試方法如下。

（1）溫濕度模塊調試：在調試溫濕度模塊時，采用現成的溫濕度計作為對比，在不同環境下測試。通過對比相同環境下本系統的溫濕度采集值和成品溫濕度傳感器的測量值，來得出本系統溫濕度測量是否正常且精確。測試結果如表l所示。

（2）氧氣濃度傳感器調試：調試氧氣濃度傳感器時，同樣采用與成品氧濃度傳感器進行對比的方式。在相同位置，傳感器傳回值會在LCD上顯示，然后和成品氧濃度傳感器對比以得出本系統的氧氣濃度傳感器是否正常運行。測試場地選在室外多樹的地方分時段多次測試。測試結果如表2所示。

（3）二氧化碳傳感器調試：與前面的調試方法相同，在相同條件下將本系統的二氧化碳濃度值與成品測量的二氧化碳濃度值進行對比以確定本系統的二氧化碳傳感器是否正常。測試環境與氧氣濃度測試環境相同。測試結果如表3所示。

（4） Air202無線傳輸模塊調試：Air202程序下載后，通過STM32發送測試數據到Air202，查看服務器平臺是否接收到數據。測試結果如表4所示。

4 結束語

本文設計并完成了基于STM32的糧倉環境實時監測系統的搭建。由于人口總量巨大，為了維持社會穩定，糧食的儲備極為重要，因此，糧食的倉儲技術應用非常廣泛。本文設計的糧倉環境實時監測系統能夠幫助農業工作者更好的監測糧倉內溫濕度、氧氣濃度和二氧化碳濃度的變化，保證儲糧在最適宜的環境下存儲，減少因環境問題而產生的重大損失與浪費。該系統使用方便，能夠實現長期的環境量監控和數據保存，不僅可以滿足科學研究的需求，也能夠滿足農業工作者對于糧食貯存時間的需求。農業工作者可以隨時查看當前數據，也可以調取之前的環境數據進行抽檢，可全程監測糧倉的環境是否在正常范圍內，保證了糧食貯存的質量。

進一步的研究可以圍繞環境因素的調節裝置展開，本文設計的監測系統僅實現環境的監測，還沒有達到環境可控。后續可加入調節裝置，配合監測系統進行糧倉環境調節，這樣既可起到環境監測的作用，又可起到環境調節的作用，使系統更加完善。

參考文獻（References）：

[1]范向東.糧食儲存注意事項研究探索[J].中國農業信息， 2014.2014（11）：112

[2]王麗芬.禽舍環境監測系統的設計[J]湖北農業科學，2013.52（6）：1432-1434

[3]Hemanth Kumar G，Manjunathlakkannavar. The Design ofGranaW Environmental Monitoring and Control SystemBased On ARM9 and ZIGBEE[Jl.International Journalof Innovative Technology and Exploring Engineering，2012.1（3）：25-29

[4]孫瑤瑤，張長利.基于單片機的數字化糧倉測控系統的研究[J].東北農業大學學報，2008.39（9）：112-116

[5]高寧，彭力，陳凱健.糧倉環境檢測智能巡檢小車研制[J].現代電子技術，2010.33（1）：153-155，159

[6]劉寧，陳冬瓊，楊克磊.基于STM32最小系統串口通信顯示系統設計[J].工業控制計算機，2017.30（8）：33-34，36

[7]方少雷，李鵬，蘇躍龍.STM32系列單片機多串口通訊系統簡述[J].山西電子技術，2016.3：55-57

[8]任肖麗，陳佳喜，王驥.基于GPRS技術在線環境監測系統的研究[J].現代電子技術，2015.38（4）：60-62，65

[9]楊光祥，梁華，朱軍.STM32單片機原理與工程實踐[M].武漢理工大學出版社，2013.

[10]譚浩強.c程序設計（第五版）[M].清華大學出版社，2017.

★基金項目：國家重點研發計劃（2018YFD0401403）：浙江省重點研發項目（2018C02050）;杭州市農業與社會發展科研主動設計項目（20190IOIA07）

作者簡介：葉建新（1996-），男，浙江麗水人，碩士研究生，主要研究方向：農林業智能設備與信息系統。

通訊作者：武斌（1982-），男，安徽池州人，碩士研究生，主要研究方向：圖像識別及人工語言處理。