糧倉環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

　　摘要:隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，糧食行業(yè)信息化發(fā)展得到了強有力的科技支撐。為滿足糧庫整體信息化建設(shè)的要求，打破“信息孤島”現(xiàn)狀，實現(xiàn)資源整合、數(shù)據(jù)共享，為大數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，設(shè)計一款能夠?qū)崟r采集糧倉內(nèi)溫濕度、氧氣、二氧化碳?xì)怏w濃度、糧堆高度的數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)。系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，由數(shù)據(jù)集中器和多種傳感器模塊組成，數(shù)據(jù)集中器與各傳感器模塊間通過RS485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，并由數(shù)據(jù)集中器通過網(wǎng)絡(luò)專線傳輸匯總的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過專用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和挖掘，從而實現(xiàn)糧倉環(huán)境監(jiān)測和預(yù)警等功能。

　　關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)共享;傳感器;RS485總線;UART通訊;TCP/IP服務(wù)器;SPI接口

　　1引言

　　我國是糧食生產(chǎn)和消耗大國，糧食產(chǎn)后的儲糧、儲藏、運輸、加工等環(huán)節(jié)損失浪費巨大，保障國家糧食安全仍面臨著嚴(yán)峻的形勢和新的挑戰(zhàn)[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，科技手段的提高，糧食行業(yè)信息化發(fā)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(shù)據(jù)傳遞不一致，各自形成信息孤島，無法實現(xiàn)一個真正全面共享、全面聯(lián)通的信息系統(tǒng)有機體，亟需通過資源整合，溝通上下聯(lián)通，互聯(lián)互通的業(yè)務(wù)交互平臺，整合各級的數(shù)據(jù)資源，構(gòu)建糧食數(shù)據(jù)大資源地，從而為大數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[4]。

　　食品論文投稿刊物：《糧油食品科技》(曾用刊名：商業(yè)科技開發(fā);科研與設(shè)計)，1991年創(chuàng)刊，是由國家糧食局科學(xué)研究院主辦的綜合性科技期刊。《糧油食品科技》以傳播和弘揚先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)為宗旨，以服務(wù)行業(yè)為已任，以選文嚴(yán)格、內(nèi)容精煉、信息豐富、印刷精美為特色，是行業(yè)內(nèi)的國家隊。

　　糧倉環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)為某糧庫整體信息化建設(shè)項目的子項目之一。項目要求監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集糧倉內(nèi)溫濕度、氧氣、二氧化碳?xì)怏w濃度、糧堆高度等數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)專線上傳采集數(shù)據(jù)，為糧情的大數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。在此，僅闡述糧倉環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計方法。

　　2系統(tǒng)組成

　　根據(jù)糧倉環(huán)境數(shù)據(jù)采集要求，系統(tǒng)設(shè)計為分層分布式結(jié)構(gòu)[5]。系統(tǒng)由數(shù)據(jù)集中器和若干個傳感器模塊(包括溫濕度監(jiān)測模塊、氧氣濃度監(jiān)測模塊、二氧化碳濃度監(jiān)測模塊、測試模塊等)組成，數(shù)據(jù)集中器與傳感器模塊通過RS485總線連接。數(shù)據(jù)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。傳感器模塊內(nèi)置MCU，完成環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換。在數(shù)據(jù)集中器的請求下，傳感器模塊按約定的通訊格式，向數(shù)據(jù)集中器傳送測量數(shù)據(jù)。

　　數(shù)據(jù)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(fā)送請求，并將接收到的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和存儲;同時，數(shù)據(jù)集中器內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊并配置為TCP服務(wù)器模式，實時監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)端口是否有數(shù)據(jù)傳送請求，如接收到傳送請求，則將存儲的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，通過網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送給中心控制臺。傳感器模塊與數(shù)據(jù)集中器模塊中MCU程序是在Keil4集成開發(fā)環(huán)境下，使用C語言進(jìn)行程序開發(fā)。與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢[6]。采用分層分布式結(jié)構(gòu)一是為了滿足糧倉內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)多點采集的要求，二是縮短傳感器與信號轉(zhuǎn)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(zhǔn)確性。

　　3傳感器模塊設(shè)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(guī)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(tǒng)所要監(jiān)測的環(huán)境參數(shù)均為較常用的參數(shù)，因此，相應(yīng)的傳感器芯片/模塊產(chǎn)品較多，從設(shè)計周期、成本角度考慮，本設(shè)計采用在成熟的傳感器基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，以適應(yīng)本系統(tǒng)設(shè)計要求。

　　3.1傳感器選型

　　采用氣調(diào)儲糧技術(shù)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(nèi)糧食是否發(fā)生沉降，還要對糧堆高度進(jìn)行檢測，高度檢測范圍為0~5m，精度不低于5cm。根據(jù)上述指標(biāo)要求，選擇以下傳感器芯片/模塊來實現(xiàn)系統(tǒng)功能。

　　1、溫濕度傳感器芯片溫濕度監(jiān)測選用CHT8305溫濕度傳感器芯片。CHT8305內(nèi)部集成高精度帶隙基準(zhǔn)電路，14-BIT模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路;溫濕度數(shù)據(jù)通過I2C數(shù)字接口傳輸給MCU、藍(lán)牙芯片或其它SOC芯片，I2C總線傳輸速率高達(dá)400kHz。主要應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、可穿戴溫濕度監(jiān)測等場景。其主要技術(shù)指標(biāo)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(jiān)測選用SprintIR型二氧化碳傳感器。它可測量最高達(dá)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(yīng)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(jié)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(yīng)用很好選擇。其主要技術(shù)指標(biāo)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(shù)的5%)

　　3、氧氣濃度監(jiān)測模塊氧氣濃度監(jiān)測選用LuminOx型熒光傳感器。LuminOx是應(yīng)用熒光猝滅原理測量氧氣濃度，同時可檢測氧分壓。內(nèi)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(wěn)定和環(huán)保。LuminOx不需要額外的信號調(diào)節(jié)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(tǒng)設(shè)計。其主要技術(shù)指標(biāo)如下：工作電壓：4.5~5.5V工作電流：<7.5mA(1Hz數(shù)據(jù)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(huán)境(溫度、電壓和聲學(xué)及電氣噪音)具備實時自動標(biāo)定功能，確保每次采集的讀數(shù)都是最可靠(空氣中)的數(shù)據(jù)。XL-MaxSonar-EZ傳感器能在小而緊湊的外形結(jié)構(gòu)中提供長短距離檢測和測距并提供數(shù)字輸出。其主要技術(shù)指標(biāo)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(shè)計

　　根據(jù)分層分布式的總設(shè)計思路及傳感器輸出方式和數(shù)據(jù)格式，必須在傳感器輸出和數(shù)據(jù)集中器輸入間增加一個數(shù)據(jù)采集和格式轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。本設(shè)計選用C8051F410來實現(xiàn)這一功能。設(shè)計時在保證功能和可靠性前提下，盡量節(jié)省成本，因此，第一要充分利用MCU內(nèi)部資源，減少外圍器件;第二將所有傳感器芯片/模塊設(shè)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(nèi)部的復(fù)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(shè)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(jié)果，C8051F410在接收傳感器輸出的同時，還要與數(shù)據(jù)集中器進(jìn)行數(shù)據(jù)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(shè)計通過軟件編程，使用IO端口模擬UART通訊時序進(jìn)行擴展。

　　4數(shù)據(jù)集中器設(shè)計

　　數(shù)據(jù)集中器作為數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站，對下通過RS485總線收集匯總各傳感器監(jiān)測的環(huán)境數(shù)據(jù)，對上通過網(wǎng)絡(luò)專線按約定格式向控制臺傳送匯總數(shù)據(jù)。當(dāng)控制臺無數(shù)據(jù)傳送請求時，數(shù)據(jù)集中器還可將匯總數(shù)據(jù)保存在非易失性存儲器中。數(shù)據(jù)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(tǒng)運行的配置數(shù)據(jù)外，還可保存1000條環(huán)境數(shù)據(jù)。S3530為I2C接口時鐘芯片，用于提供系統(tǒng)時間。以太網(wǎng)協(xié)議芯片選用CH395，該芯片自帶10/100M以太網(wǎng)介質(zhì)傳輸層(MAC)和物理層(PHY)，完全兼容IEEE802.310/100M協(xié)議。本設(shè)計中C8051F410通過SPI接口控制CH395芯片進(jìn)行以太網(wǎng)通訊。

　　5軟件設(shè)計

　　5.1軟件

　　UART通訊通過對UART通訊時信號狀態(tài)的分析，可以根據(jù)其信號狀態(tài)變化的規(guī)律，使用軟件控制IO端口模擬UART時序?qū)崿F(xiàn)通訊。在UART通訊中，數(shù)據(jù)線上共有兩種狀態(tài)，分別用邏輯1(高電平)和邏輯0(低電平)表示。

　　在空閑時，數(shù)據(jù)線應(yīng)該保持在邏輯1狀態(tài)。在采用N，8，1設(shè)置發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先發(fā)送一個邏輯0信號，表示傳輸字符的開始，然后是8位的數(shù)據(jù)位，最后時邏輯1的停止位，之后總線處于邏輯1狀態(tài)，表示當(dāng)前線路上沒有資料傳送，直到下次發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)線上起始、停止及各數(shù)據(jù)位間隔由波特率決定。本設(shè)計中使用C8051F410的兩個IO口作為軟件UART的發(fā)送數(shù)據(jù)線SW_TXD和接收數(shù)據(jù)線SW_RXD;定時器2設(shè)置為雙8位自動重裝定時器方式，TMR2H用于產(chǎn)生發(fā)送波特率，TMR2L用于產(chǎn)生接收波特率;外中斷0(INT0)設(shè)置為下降沿觸發(fā)方式，信號輸入端口與SW_RXD復(fù)用，用于檢測SW_RXD上的起始位。實現(xiàn)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(jié)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(jié)中斷//TR2=0;禁止TMR2H運行//TF2CEN=1;T2XCLK=0;定時器2時鐘源為系統(tǒng)時鐘/12TMR2CN|=0x28;TMR2CN&=0xFA;//置定時器2高、低字節(jié)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(fā)IT0=1;//INT0為邊沿觸發(fā)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(wù)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(tài)}//定時器2中斷服務(wù)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(fā)送中斷TF2L=0;if(SW_TXBUSY){switch(TX_State){case0:SW_TXD=0;//發(fā)送起始位break;case9:SW_TXD=1;//發(fā)送停止位SW_TXBUSY=0;SW_TI=1;break;default:if((SW_TXBUF&0x01)==0x00){//發(fā)送數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)集中器中C8051F410通過以太網(wǎng)協(xié)議芯片CH395與控制臺軟件進(jìn)行TCP/IP通訊。CH395初始化成功后，還要進(jìn)行Socket配置才能進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊，本系統(tǒng)配置為TCP服務(wù)器模式。在TCP服務(wù)器模式下，如果客戶端進(jìn)行連接，Socket一直處于監(jiān)聽狀態(tài)，不會產(chǎn)生超時中斷，如果TCP連接成功，CH395會產(chǎn)生SINT_STAT_CONNECT中斷，此時單片機可以發(fā)送命令CMD_GET_REMOT_IPP_SN來獲取客戶端的IP地址和端口號。

　　6結(jié)束語

　　采用本設(shè)計方法研制的糧倉環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)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(xié)議的氧氣傳感器的輸出數(shù)據(jù)采集、解析功能。各傳感器采集信息按糧庫信息化平臺數(shù)據(jù)格式打包、傳輸，實現(xiàn)不同信息間數(shù)據(jù)格式和傳遞方式的有效融合，便于數(shù)據(jù)被平臺深度利用。系統(tǒng)樣機體積小、安裝簡便，在用戶現(xiàn)場試用穩(wěn)定，功能滿足用戶需求。

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　　作者：王笑怡

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