基于ARM和組態技術的糧食存儲環境遠程監控系統設計*

趙 方 ， 朱海云

（鄭州職業技術學院，河南 鄭州 450121)

0 引言

糧食是國家的戰略物資之一，糧食安全問題是關系國計民生的重要問題，其中糧食的可靠存儲是糧食安全中的重點任務之一。當前在糧食存儲過程中，國內外都存在嚴重的浪費現象，據統計，糧食的損耗達到10%以上[1]。其中，存儲過程中的損耗占主要部分，糧食在存儲過程中對存儲環境的溫度、濕度的控制是減少糧食存儲損耗的關鍵。如果糧食存儲環境的溫度、濕度控制不當，會出現糧食霉變、蟲害、發熱等情況，直接導致糧食質量下降。為了保證糧食的存儲質量，必須保證其存儲環境的溫度、濕度保持在合適的范圍內。當前糧庫的溫濕度控制一般采用人工巡檢的方式，不但耗費人力、增加糧食存儲的成本，還存在控制不夠及時的缺陷；另外，溫濕度的檢測通常采用模擬式傳感器，存在精度低、易損壞、傳輸誤差大等不足；控制器一般采用成本較高的PLC[2]。當前糧庫環境一般不能實現遠程集中監控，能實現遠程集中監控的也大都采用有線傳輸的方式傳輸數據，如CAN總線傳輸、RS485傳輸，不但布線繁雜，而且線路過長會引起電磁場干擾，從而導致傳輸數據的錯誤。

課題組以某地一小型糧倉為研究對象，克服當前技術的不足，提出一種以ARM Cortex-M3控制器STM32F103VET6為核心，采用GSM無線通信技術進行數據傳輸，結合KingView 6.55組態技術的糧倉溫度、濕度自動控制及實時遠程監控系統。

1 控制系統構成

本設計由集中監控中心、管理員手機、糧倉溫濕度控制系統組成。采用ARM Cortex-M3 32位微處理器STM32F103VET6為核心控制器，采用數字溫濕度傳感器DHT11實時采集糧倉內環境溫濕度，并將檢測信息傳輸給STM32F103VET6，STM32F103VET6根據實際值和設定值的關系進行決策（以自然通風為例），自動調整環境的溫濕度，使其保持在在設定的范圍內，設計了溫度設定以及超限、故障報警、溫度顯示等功能。還設計了遠程監控功能，通過GSM無線網絡將現場的環境參數、故障等信息實時上傳至遠端監控中心，同時將報警信息發送到管理員手機，從而實現雙重保險。系統整體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統整體結構圖

2 控制系統硬件設計

2.1 主控制器的選擇

當前市面上糧食存儲環境自動控制系統大都采用價格昂貴的PLC作為主控制器，本設計采用了32位的RISC STM32F103VET6單片機，它是ARM Cortex-M3系列中的主流處理芯片，價格與8位機和16位機相當，具有工業級的抗干擾能力。STM32F103VET6有100個引腳，512 K Flash，64 K SRAM，80個GPIO口，2個PWM定時器，4個通用定時器，2個高級定時器，2個基本定時器，3個SPI，2個I2C，2個I2S接口，5個USART，1個USB接口，1個CAN通信接口，1個SDIO接口。3路12位ADC，共16個通道；2路12位的DAC，共2個通道。可運行于72 MHz的頻率下，工作速度快。工作電壓是直流2.0 V～3.6 V，功耗低，可在－40 ℃～＋105 ℃的溫度范圍內工作。

STM32F103VET6單片機要想正常工作，必須接上復位電路、振蕩電路、啟動電路等核心部分構成其最小系統。其中，STM32F103VET6的時鐘電路由兩個外部時鐘源組成，一個低速時鐘源接到PC14和PC15引腳，接32.768 kHz的晶振；一個是高速時鐘源，接到OSCIN和OSCOUT引腳，接8 MHz的晶振。STM32F103VET6用低電平復位，復位電路設計一個開關電路即可。由于STM32F103VET6可以從內置Flash啟動，可從系統存儲器啟動，還可從內置SRAM啟動，本系統的啟動電路設計為從內置Flash啟動。

2.2 溫濕度傳感器的選擇及鍵盤的設計

傳統的糧食存儲環境的檢測大都采用模擬式熱電偶、熱電阻等溫度傳感器，其特點是輸出信號微弱，并且需要后期數據處理，電路復雜，且模擬信號不易遠傳[3-4]。本設計選用了溫濕度傳感器DHT11實時檢測糧食存儲環境的溫度和濕度。DHT11是一款含有已校準數字信號輸出的數字溫濕度復合傳感器。它包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接，具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比高等優點。其供電電壓是3 V～5.5 V，濕度精度為±5%RC，溫度精度為±2 ℃，濕度分辨率為1%RH，溫度分辨率為1 ℃，濕度測量范圍為20%RH～90%RH，溫度測量范圍為0～50 ℃。DHT11采用單總線通信，有4個引腳：VCC、VDD、DATA、NC。DHT11和STM32F103VET6的連接如圖2所示。

在實際中，需要人工根據不同的季節設定糧食存儲環境的溫度和濕度。因此，課題組根據需要設計了一個3×4的矩陣式鍵盤，分別表示數字0～9鍵和設置鍵、確認鍵，矩陣式鍵盤連接到STM32F103VET6 GPIOA口的PA1～PA7口，如圖2所示。

圖2 溫濕度采集和鍵盤電路

2.3 液晶顯示、報警、風機控制、轉換開關、時鐘電路設計

本設計中LCD液晶顯示器用來顯示糧食存儲環境的溫度、濕度、通風機運行情況是否正常等關鍵信息，設計中選用了帶有中文字庫的LCD12864作為顯示器，LCD12864具有硬件電路結構簡單易用、程序設計簡單、功耗低等優點[5]。系統時鐘采用美國DALLAS公司的DS1302，其特點是功耗低、性能高、價格低、使用簡單方便，自帶RAM可以對年、月、日、周、時、分、秒計時，主要用來作為整個系統的時鐘時基，以便準確記錄超限報警等故障時間。由于STM32F103VET6的工作電壓是3.3 V，而LCD12864最穩定的工作電壓是5 V，因此在LCD和STM32F103VET6進行連接的時候采用電平轉換芯片74LVX4245把3.3 V轉換為5 V。當糧食存儲環境的溫濕度或者通風機工作異常時，現場進行聲光報警，溫濕度報警紅燈閃爍、風機故障黃燈閃爍，同時將報警信息通過GSM網絡發送至管理員手機和上位機監控系統，以便提醒管理員及時處理[6]。這些功能占據了STM32F103VET6的GPIOB和GPIOC端口。電路原理圖如圖3所示。

圖3 液晶顯示、報警、時鐘、通風機控制、自動/手動切換電路原理圖

2.4 系統電源設計

本系統主控制器STM32F103VET6的工作電源是直流3.3 V[7-8]，LCD液晶顯示穩定的工作電壓是直流5 V。單相220 V的交流電先經變壓器降壓，采用的220 V變交流12 V的變壓器，變壓后經二極管全波整流變為脈動的直流電，然后進行電容濾波，再用7805三端穩壓管進行穩壓，穩壓后再次濾波，最后得到穩定、平滑的5 V直流電壓。由于主控制器是3.3 V供電，因此用REG1117-3.3 V電壓轉換模塊將直流5 V轉換為直流3.3 V為主控制器STM32F103VET6供電。系統中的電容為濾波電容，容值大的電容用來濾低次諧波，容值小的電容主要用來濾高次諧波。二極管為電源指示燈。系統電源電路原理圖及參數如圖4所示。

圖4 系統電源電路

2.5 GSM通信電路設計

本設計采用中國移動公用GSM無線通信網絡作為傳輸數據的通道，GSM無線通信傳輸距離不受限制，覆蓋面廣，只要網絡覆蓋的地方數據都可以到達。GSM通信模塊采用Siemens公司的TC35，通信接口電路設計由兩部分組成，一是糧食存儲環境溫濕度測控裝置和TC35的接口電路，二是監控中心PC機和TC35的接口電路設計。

TC35模塊支持中文短消息，工作電壓是直流3.3 V～5.5 V，典型值是4.2 V，可以在900 MHz和1 800 MHz兩個頻段工作，可以安全可靠地實現本設計的數據傳輸服務。TC35支持文本和PDU模式的短消息，主要由供電單元、射頻單元、閃存、零阻力插座、天線等部分組成。TC35與STM32F103VET6都是CMOS電平，相互兼容，可通過零阻力插座連接。STM32F103VET6單片機共有5個串口[9-11]，在設計中選擇了串口USART1（即PA9和PA10）和TC35通信。STM32F103VET6控制和驅動TC35將現場檢測的溫濕度、報警等信息，通過與TC35連接的SIM卡1發送至管理員手機SIM卡2和PC機監控中心SIM卡3，并在上位機監控軟件中存儲、顯示。上位機通過RS232串口和TC35模塊連接，TC35將接收到的來自現場的信息通過串口傳送至上位機監控軟件。

TC35模塊有40個引腳，通過零阻力插座引出，有電源引腳、SIM卡連接引腳、數據輸入/輸出引腳、音頻和控制接口引腳，共5類。1～5是正電源，并聯后接到電源正極。6～10是電源地，并聯后接地。16～23是數據輸入/輸出引腳，符合RS-232接口標準。24～29引腳連接SIM卡。32引腳SYNC接指示燈，指示TC35的工作狀態。主控制器、無線通信模塊和上位機的接口電路如圖5所示。

圖5 通信接口電路

3 軟件設計

3.1 控制終端軟件設計

控制終端環境溫濕度自動控制系統主要完成對糧食存儲環境的溫濕度檢測，并和設定值比較，若超限則控制器啟動通風機以降溫、除濕，從而保證糧食存儲環境的溫濕度在要求的范圍內。其軟件主要包括主控程序、溫濕度采集程序、鍵盤子程序、LCD液晶顯示子程序、數據處理子程序、數據發送子程序、時鐘子程序等。控制終端的主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

3.2 電腦監控軟件設計

糧食存儲環境的溫濕度控制系統的溫度、濕度數據可以通過GSM網絡傳給上位機監控軟件，PC機上位機監控軟件采用組態軟件組態王KingView 6.55進行開發。上位機監控軟件主要起到監控作用，其數據曲線顯示功能清楚易懂，并能方便地通過動畫設計把上位機監控界面的顯示數據和環境監控點的實際位置聯系起來。系統的上位機監控軟件主要包括以下功能。

1）監控軟件主界面：主界面主要顯示現場環境監測點的溫濕度數據、風機故障、溫濕度超限報警等信息。

2）歷史數據查詢：完成環境監測點溫濕度的歷史數據存儲、查詢。

3）曲線顯示：用曲線圖直觀地顯示現場溫濕度的變化趨勢。

4）參數設定：完成對溫濕度監測點溫度、濕度上下限值的遠程設置。

5）溫濕度檢測：實時查詢現場環境溫濕度數據。

6）打印：打印監測點溫濕度的歷史數據。

7）存儲：存儲監測點的歷史溫濕度數據。

8）報警提示：用指示燈的不同顏色以提示用戶管理者溫濕度異常、風機故障等報警信息，指示燈綠色為工作正常，紅色為工作異常。

4 結論

課題組以某糧食經銷商的小型糧倉為研究對象，制作了試驗樣機，設置了一個溫濕度采樣點，利用本控制系統能夠自動調節糧倉內的溫濕度在設定的范圍內。模擬了幾個故障點，上位機和用戶手機都收到了故障信息，上位機監控軟件能按照設定的時間間隔實時獲取現場信息。

本設計利用GSM技術、組態技術和ARM單片機技術實現了糧食存儲環境溫濕度的自動控制和遠程監控，并且基于GSM網絡平臺傳輸信息不受時間、空間的限制，可實現遠距離監控。用工業級的高性能ARM單片機代替傳統的PLC控制，大大降低了成本，提高了糧食存儲質量的可靠性，本設計在糧食存儲環境控制中具有廣泛的應用前景和實際價值。