糧倉環境監測系統設計

　　摘要:隨著科學技術的發展，糧食行業信息化發展得到了強有力的科技支撐。為滿足糧庫整體信息化建設的要求，打破“信息孤島”現狀，實現資源整合、數據共享，為大數據分析和數據應用提供數據基礎，設計一款能夠實時采集糧倉內溫濕度、氧氣、二氧化碳氣體濃度、糧堆高度的數據集成系統。系統采用分層分布式結構，由數據集中器和多種傳感器模塊組成，數據集中器與各傳感器模塊間通過RS485總線進行數據通訊，并由數據集中器通過網絡專線傳輸匯總的環境監測數據，通過專用軟件進行數據處理和挖掘，從而實現糧倉環境監測和預警等功能。

　　關鍵詞：數據共享;傳感器;RS485總線;UART通訊;TCP/IP服務器;SPI接口

　　1引言

　　我國是糧食生產和消耗大國，糧食產后的儲糧、儲藏、運輸、加工等環節損失浪費巨大，保障國家糧食安全仍面臨著嚴峻的形勢和新的挑戰[1]。隨著科學技術的發展，科技手段的提高，糧食行業信息化發展得到了強有力的科技支撐[2-3]。但一直以來，糧倉儲糧信息的數據傳遞不一致，各自形成信息孤島，無法實現一個真正全面共享、全面聯通的信息系統有機體，亟需通過資源整合，溝通上下聯通，互聯互通的業務交互平臺，整合各級的數據資源，構建糧食數據大資源地，從而為大數據分析和數據應用提供數據基礎[4]。

　　食品論文投稿刊物：《糧油食品科技》(曾用刊名：商業科技開發;科研與設計)，1991年創刊，是由國家糧食局科學研究院主辦的綜合性科技期刊�！都Z油食品科技》以傳播和弘揚先進的科學技術為宗旨，以服務行業為已任，以選文嚴格、內容精煉、信息豐富、印刷精美為特色，是行業內的國家隊。

　　糧倉環境監測系統為某糧庫整體信息化建設項目的子項目之一。項目要求監測系統能夠實時采集糧倉內溫濕度、氧氣、二氧化碳氣體濃度、糧堆高度等數據，并通過網絡專線上傳采集數據，為糧情的大數據分析和應用提供數據基礎。在此，僅闡述糧倉環境監測系統硬件部分的設計方法。

　　2系統組成

　　根據糧倉環境數據采集要求，系統設計為分層分布式結構[5]。系統由數據集中器和若干個傳感器模塊(包括溫濕度監測模塊、氧氣濃度監測模塊、二氧化碳濃度監測模塊、測試模塊等)組成，數據集中器與傳感器模塊通過RS485總線連接。數據集中器是總線中唯一主機，各傳感器模塊均為從機，主機與從機間通過問答方式進行數據傳輸。傳感器模塊內置MCU，完成環境數據的采集和轉換。在數據集中器的請求下，傳感器模塊按約定的通訊格式，向數據集中器傳送測量數據。

　　數據集中器的核心為MCU，采用多機通訊方式，定期向傳感器模塊發送請求，并將接收到的環境數據進行解析和存儲;同時，數據集中器內置網絡傳輸模塊并配置為TCP服務器模式，實時監聽網絡端口是否有數據傳送請求，如接收到傳送請求，則將存儲的歷史監測數據進行打包，通過網絡接口發送給中心控制臺。傳感器模塊與數據集中器模塊中MCU程序是在Keil4集成開發環境下，使用C語言進行程序開發。與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優勢[6]。采用分層分布式結構一是為了滿足糧倉內環境數據多點采集的要求，二是縮短傳感器與信號轉換器之間的距離，降低了信號傳輸過程中的衰減，減少了干擾，保證了測量的準確性。

　　3傳感器模塊設計

　　傳感器是一種能感受到被測量的信息[7]，并能將感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求的檢測裝置[8]。本系統所要監測的環境參數均為較常用的參數，因此，相應的傳感器芯片/模塊產品較多，從設計周期、成本角度考慮，本設計采用在成熟的傳感器基礎上進行二次開發，以適應本系統設計要求。

　　3.1傳感器選型

　　采用氣調儲糧技術的糧倉，要求溫度的檢測范圍為-30℃~55℃，測量精度不低于±2℃;濕度檢測范圍的為20%~90%，精度不低于±5%RH;氧氣濃度的檢測范圍為0%~25%，精度不低于±2%;二氧化碳濃度的檢測范圍為0%~60%，精度不低于±4%。另外，為檢測糧倉內糧食是否發生沉降，還要對糧堆高度進行檢測，高度檢測范圍為0~5m，精度不低于5cm。根據上述指標要求，選擇以下傳感器芯片/模塊來實現系統功能。

　　1、溫濕度傳感器芯片溫濕度監測選用CHT8305溫濕度傳感器芯片。CHT8305內部集成高精度帶隙基準電路，14-BIT模數轉換器電路;溫濕度數據通過I2C數字接口傳輸給MCU、藍牙芯片或其它SOC芯片，I2C總線傳輸速率高達400kHz。主要應用于環境監測、可穿戴溫濕度監測等場景。其主要技術指標如下：工作電壓：2.5~5.5V工作電流：1.5μA(典型)，3.0μA(最大)測量范圍：溫度-40℃~125℃，濕度0~100%RH精度：±3.0%RH(濕度)，±0.5℃(溫度)工作溫度范圍：-40℃~125℃

　　2、二氧化碳傳感器模塊二氧化碳監測選用SprintIR型二氧化碳傳感器。它可測量最高達100%的二氧化碳濃度，并配有流入式適配器，適合要求高速傳感的應用和二氧化碳濃度快速變化的測量。采用UART通訊方式輸出測試結果，接口可直接與MCU等芯片連接。它對功耗要求低，使其成為便攜式、可穿戴式及自供電應用很好選擇。其主要技術指標如下：工作電壓：3.25~5.5V工作電流：平均電流<15mA，峰值電流100mA工作溫度范圍：-30°C~55°C測量范圍：0%～60%精度：±(70ppm+讀數的5%)

　　3、氧氣濃度監測模塊氧氣濃度監測選用LuminOx型熒光傳感器。LuminOx是應用熒光猝滅原理測量氧氣濃度，同時可檢測氧分壓。內置溫度補償，不含鉛或其他任何有毒材料，且不受其他氣體交叉干擾的影響，無污染，非常穩定和環保。LuminOx不需要額外的信號調節電路，可直接跟MCU的接口通過3.3V電平RS232連接，降低了成本，簡化了系統設計。其主要技術指標如下：工作電壓：4.5~5.5V工作電流：<7.5mA(1Hz數據采樣率)，<20mA(峰值)工作溫度范圍：-30℃~60℃測量范圍：0%~25%精度：<2%FS

　　4、聲吶測距模塊通過在糧倉棚頂與糧堆頂部間的距離可反映出糧堆的下沉情況。測距模塊選用XL-MaxSonarEZ型超聲波測距傳感器。該傳感器輸出功率高，針對變化的環境(溫度、電壓和聲學及電氣噪音)具備實時自動標定功能，確保每次采集的讀數都是最可靠(空氣中)的數據。XL-MaxSonar-EZ傳感器能在小而緊湊的外形結構中提供長短距離檢測和測距并提供數字輸出。其主要技術指標如下：工作電壓：3.3~5.5V工作電流：3.4mA(平均)，100mA(最大)工作溫度：-40℃~65℃測量范圍：0~1608cm精度：±1cm

　　3.2硬件電路設計

　　根據分層分布式的總設計思路及傳感器輸出方式和數據格式，必須在傳感器輸出和數據集中器輸入間增加一個數據采集和格式轉換環節。本設計選用C8051F410來實現這一功能。設計時在保證功能和可靠性前提下，盡量節省成本，因此，第一要充分利用MCU內部資源，減少外圍器件;第二將所有傳感器芯片/模塊設計在同一塊電路板上，使用時每塊PCB板僅安裝一種傳感器芯片/模塊。

　　該芯片內部的復位、時鐘、UART控制器、I2C控制器、4個定時器、2個外中斷電路可供使用，因此，外圍僅增加了RS485接口芯片和必要的電源及濾波器件。本設計中氧氣、二氧化碳、聲納測距傳感器均采用UART通訊方式輸出測量結果，C8051F410在接收傳感器輸出的同時，還要與數據集中器進行數據通訊，因此需要至少2個UART端口。C8051F410芯片本身僅有1個UART端口，設計通過軟件編程，使用IO端口模擬UART通訊時序進行擴展。

　　4數據集中器設計

　　數據集中器作為數據的中轉站，對下通過RS485總線收集匯總各傳感器監測的環境數據，對上通過網絡專線按約定格式向控制臺傳送匯總數據。當控制臺無數據傳送請求時，數據集中器還可將匯總數據保存在非易失性存儲器中。數據集中器的核心控制器仍選擇C8051F410。非易失性存儲器選用AT24C256，該芯片除保存系統運行的配置數據外，還可保存1000條環境數據。S3530為I2C接口時鐘芯片，用于提供系統時間。以太網協議芯片選用CH395，該芯片自帶10/100M以太網介質傳輸層(MAC)和物理層(PHY)，完全兼容IEEE802.310/100M協議。本設計中C8051F410通過SPI接口控制CH395芯片進行以太網通訊。

　　5軟件設計

　　5.1軟件

　　UART通訊通過對UART通訊時信號狀態的分析，可以根據其信號狀態變化的規律，使用軟件控制IO端口模擬UART時序實現通訊。在UART通訊中，數據線上共有兩種狀態，分別用邏輯1(高電平)和邏輯0(低電平)表示。

　　在空閑時，數據線應該保持在邏輯1狀態。在采用N，8，1設置發送數據時，首先發送一個邏輯0信號，表示傳輸字符的開始，然后是8位的數據位，最后時邏輯1的停止位，之后總線處于邏輯1狀態，表示當前線路上沒有資料傳送，直到下次發送數據。數據線上起始、停止及各數據位間隔由波特率決定。本設計中使用C8051F410的兩個IO口作為軟件UART的發送數據線SW_TXD和接收數據線SW_RXD;定時器2設置為雙8位自動重裝定時器方式，TMR2H用于產生發送波特率，TMR2L用于產生接收波特率;外中斷0(INT0)設置為下降沿觸發方式，信號輸入端口與SW_RXD復用，用于檢測SW_RXD上的起始位。實現軟件UART的源程序如下：//軟件UART初始化voidSWUARTInit(){//T2MH=0;定時器2高、低字節使用TMR2CN中的T2XCLK位定義的時鐘CKCON&=0xCF;//TF2LEN=1;允許定時器2低字節中斷//TR2=0;禁止TMR2H運行//TF2CEN=1;T2XCLK=0;定時器2時鐘源為系統時鐘/12TMR2CN|=0x28;TMR2CN&=0xFA;//置定時器2高、低字節重裝值TMR2RLL=-(SYSCLK/12/SWBAUDRATE);TMR2RLH=TMR2RLL;//允許定時器2中斷請求ET2=1;//INT0為下降沿觸發IT0=1;//INT0為邊沿觸發IT01CF&=0xF7;//IN0PL=0;INT0為低電平有效//分配INT0引腳。

　　IT01CF|=0x03;//IN0SL2-0=011;INT0端口引腳為P0.3//允許INT0引腳的中斷請求EX0=1;}//外中斷0中斷服務程序voidINT0_ISR()interruptINTERRUPT_INT0using1{EX0=0;TMR2H=-(SYSCLK/12/SWBAUDRATE+SYSCLK/12/SWBAUDRATE/2);TR2=1;//允許TMR2H運行SW_RXState=0;//全局變量，接收狀態}//定時器2中斷服務程序voidTIMER2_ISR()interruptINTERRUPT_TIMER2using2{staticunsignedcharSW_RXDTime;if(TF2H){//接收中斷TF2H=0;switch(SW_RXState){case8:SW_RI=SW_RXD;TR2=0;IE0=0;EX0=1;if(SW_RI){SW_RI=0;//此處添加用戶程序}break;default:SW_RXBUF>>=1;if(SW_RXD){SW_RXBUF|=0x80;}break;}SW_RXState=(SW_RXState+1)%9;}if(TF2L){//發送中斷TF2L=0;if(SW_TXBUSY){switch(TX_State){case0:SW_TXD=0;//發送起始位break;case9:SW_TXD=1;//發送停止位SW_TXBUSY=0;SW_TI=1;break;default:if((SW_TXBUF&0x01)==0x00){//發送數據位SW_TXD=0;}else{SW_TXD=1;}SW_TXBUF>>=1;break;}TX_State=(TX_State+1)%10;}else{TX_State=0;}}}

　　5.2TCP/IP通訊

　　數據集中器中C8051F410通過以太網協議芯片CH395與控制臺軟件進行TCP/IP通訊。CH395初始化成功后，還要進行Socket配置才能進行網絡通訊，本系統配置為TCP服務器模式。在TCP服務器模式下，如果客戶端進行連接，Socket一直處于監聽狀態，不會產生超時中斷，如果TCP連接成功，CH395會產生SINT_STAT_CONNECT中斷，此時單片機可以發送命令CMD_GET_REMOT_IPP_SN來獲取客戶端的IP地址和端口號。

　　6結束語

　　采用本設計方法研制的糧倉環境監測系統，實現了對I2C接口的溫濕度傳感器、UART接口的二氧化碳傳感器及聲納測距模塊、3.3V電平RS232協議的氧氣傳感器的輸出數據采集、解析功能。各傳感器采集信息按糧庫信息化平臺數據格式打包、傳輸，實現不同信息間數據格式和傳遞方式的有效融合，便于數據被平臺深度利用。系統樣機體積小、安裝簡便，在用戶現場試用穩定，功能滿足用戶需求。

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　　作者：王笑怡

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