港口倉(cāng)儲(chǔ)庫(kù)房無線溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

張斌

摘要：該研究了目前倉(cāng)儲(chǔ)庫(kù)房室內(nèi)溫濕度監(jiān)測(cè)的發(fā)展?fàn)顩r，結(jié)合無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和環(huán)境溫濕度監(jiān)控相融合的理念，根據(jù)港口倉(cāng)儲(chǔ)庫(kù)房對(duì)室內(nèi)溫濕度控制的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了以Arduino為核心的溫濕度信息采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了通過溫濕度傳感器對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)庫(kù)房室內(nèi)的溫度和濕度參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和采集，并通過GPRS進(jìn)行無線傳輸，在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)對(duì)港口倉(cāng)儲(chǔ)庫(kù)房室內(nèi)溫濕度狀況的進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡(luò)；溫濕度傳感器；GPRS

中圖分類號(hào)：TP368 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）03-0255-03

Study of the Port Warehouse Wireless Temperature and Humidity Monitoring System

ZHANG Bin

（Department of Electrical Engineering， Qingdao Harbor Vocational & Technical College， Qingdao 266404， China）

Abstract： This paper studies the current state of development of the storehouse of indoortemperature and humidity monitoring，combined with the concept of integration of wireless sensor network technology and environment temperature and humidity control， according to port warehouses on the actual demand of indoor temperature and humidity control， the design of the Arduino for the core temperature and humidity data acquisition system， the realization of the by temperature and humidity sensor of warehouse indoor temperature and humidity parameters for real-time measurement and acquisition and through GPRS of wireless transmission and in the remote monitoring center to realize for port storehouse of indoor temperature and humidity condition in real time monitoring.

Key words： wireless sensor network； temperature and humidity sensor； GPRS

1 研究背景

青島港位于我國(guó)山東半島的膠州灣內(nèi)，目前主要從事集裝箱、鐵礦、煤炭、糧食、原油等大宗進(jìn)出口貨物的裝卸運(yùn)輸服務(wù)，同時(shí)紙漿、棉花等貨物也是青島港每年進(jìn)出口的主要的大宗貨物，由于沿海城市的氣候常年多霧、空氣濕度較大的特點(diǎn)，也給紙漿、棉花的貨物的倉(cāng)儲(chǔ)帶來了新的問題，也就要求提供一個(gè)溫度、濕度相對(duì)穩(wěn)定的倉(cāng)儲(chǔ)場(chǎng)所來存儲(chǔ)這類貨物。本文依此為出發(fā)點(diǎn)，提出運(yùn)用無線傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)港口倉(cāng)儲(chǔ)庫(kù)房溫濕度的監(jiān)測(cè)，進(jìn)而達(dá)到貨物的有效存儲(chǔ)的目的，最大限度的減少存儲(chǔ)紙漿、棉花等這類貨物時(shí)給港口和業(yè)主帶來的不必要的損失。

目前市面上眾多溫濕度采集監(jiān)控系統(tǒng)中，在數(shù)據(jù)傳輸上通常采用的是有線的傳輸，這樣就需要大量的數(shù)據(jù)連接線來實(shí)現(xiàn)異地或遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸，有時(shí)甚至需要鋪設(shè)專用的數(shù)據(jù)電纜線。在采用有線的數(shù)據(jù)傳輸，很容易受到地理位置、傳輸?shù)木嚯x、信號(hào)的抗干擾性以及投入成本等諸多方面因素的制約，有時(shí)效果也不明顯?，F(xiàn)如今無線通信技術(shù)的快速發(fā)展在遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)的傳輸?shù)牡搅朔浅V泛的應(yīng)用，無線通訊技術(shù)無需架設(shè)專用的通訊線路，同時(shí)組建網(wǎng)絡(luò)容易、不受地理?xiàng)l件和空間環(huán)境的限制，傳輸?shù)木嚯x和抗干擾性能得到大大的改善。本文闡述運(yùn)用無線通信技術(shù)，將港口倉(cāng)儲(chǔ)庫(kù)房的實(shí)時(shí)溫濕度監(jiān)測(cè)和無線數(shù)據(jù)傳輸緊密融合在一體，實(shí)現(xiàn)一種全新的溫濕度無線數(shù)據(jù)傳輸、控制理念[1]。

2 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)共分為五大模塊：分別為實(shí)時(shí)溫濕度監(jiān)測(cè)模塊、數(shù)據(jù)信息采集模塊、無線數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、無線數(shù)據(jù)接收模塊和數(shù)據(jù)終端處理模塊。通過溫度傳感器對(duì)實(shí)時(shí)溫度進(jìn)行檢測(cè)，將監(jiān)測(cè)到的溫度參數(shù)送至微處理器進(jìn)行信息采集，通過無線發(fā)射和接收模塊對(duì)采集到的信息進(jìn)行發(fā)射和接收，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無線監(jiān)測(cè)[2]。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

港口倉(cāng)儲(chǔ)庫(kù)房的無線溫濕度無線監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要完成實(shí)時(shí)溫度、濕度信息采集模塊，無線數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、無線數(shù)據(jù)接收模塊的硬件電路設(shè)計(jì)。

3.1 溫度信息采集

目前，多種新型檢測(cè)原理與技術(shù)在溫度檢測(cè)領(lǐng)域中取得了重大的進(jìn)展，根據(jù)溫度檢測(cè)方式的不同，可將溫度檢測(cè)分為接觸式檢測(cè)和非接觸式檢測(cè)。接觸式溫度檢測(cè)原理是感溫元件直接和被測(cè)對(duì)象進(jìn)行接觸，兩者通過直接的熱傳遞進(jìn)而實(shí)現(xiàn)熱平衡，達(dá)到溫度檢測(cè)的目的，如體溫計(jì)。對(duì)于接觸式溫度檢測(cè)其檢測(cè)溫度的精度相對(duì)較高，但會(huì)因接觸不良使溫度檢測(cè)誤差加大等現(xiàn)象，同時(shí)對(duì)于被測(cè)對(duì)象具有較強(qiáng)的腐蝕性或溫度過高，對(duì)于感溫元件的性能和使用壽命要求也就越高。

非接觸式溫度檢測(cè)感溫元件與被測(cè)對(duì)象不直接接觸，通過與被測(cè)對(duì)象的熱輻射能來實(shí)現(xiàn)熱能交換，從而檢測(cè)出被測(cè)對(duì)象的溫度。非接觸式溫度檢測(cè)具有熱慣性小，不受空間位置限制等特點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。

本文采用非接觸式溫度檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)庫(kù)房溫度信息的采集，感溫元件采用的是美國(guó)DALLAS公司推出的增強(qiáng)型單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20[3]。該溫度傳感器具有總線獨(dú)特、體積小、經(jīng)濟(jì)適用等特點(diǎn)，能夠方便的組建傳感網(wǎng)絡(luò)，為溫度測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新的設(shè)計(jì)理念。該溫度傳感器可以實(shí)現(xiàn)“一線總線”的數(shù)字方式傳輸現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)溫度，提高了溫度檢測(cè)系統(tǒng)的抗干擾性。同時(shí)較低的供電電壓范圍，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)更靈活、可靠。本文采用DS18B20傳感器組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行多點(diǎn)溫度檢測(cè)，在一條數(shù)據(jù)總線上串接多個(gè)溫度傳感器器件。圖2所示為由溫度傳感器DS18B20構(gòu)成的多點(diǎn)溫度檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

圖2 由DS18B20構(gòu)成的測(cè)溫傳感網(wǎng)絡(luò)

3.2 濕度信息采集

本系統(tǒng)研究的港口倉(cāng)儲(chǔ)庫(kù)房存放的貨物對(duì)象為紙漿、棉花等貨物，對(duì)于這類貨物對(duì)庫(kù)房室內(nèi)濕度要求在控制在35-55%RH，室內(nèi)濕度過高貨物容易變酶、腐爛，倉(cāng)儲(chǔ)庫(kù)房室內(nèi)濕度過低這造成空氣干燥，紙漿等貨物容易變干、易碎，不易存儲(chǔ)。通過選用濕度傳感器HS1101對(duì)庫(kù)房濕度進(jìn)行采集檢測(cè)，更加實(shí)時(shí)、精確的反映出庫(kù)房的濕度信息。

本系統(tǒng)運(yùn)用電容傳感器HS1101在電路構(gòu)成中等效于一個(gè)電容器件，其電容量隨著所測(cè)空氣濕度的增大而增大的原理實(shí)現(xiàn)濕度的測(cè)量。將電容容量的變化量能夠準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為容易識(shí)別的電信號(hào)，通常有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)：一種方法是通過濕度傳感器與橋式振蕩電路構(gòu)成轉(zhuǎn)換電路，將橋式振蕩電路所產(chǎn)生的正弦交流信號(hào)經(jīng)過整流電路、放大電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行輸出；另一種方法是利用濕度傳感器與集成555定時(shí)器構(gòu)成振蕩電路，將電容的容值的變化轉(zhuǎn)為與之成反比的電壓信號(hào)進(jìn)行輸出 [4]。本系統(tǒng)通過采用第二種方法，將濕度傳感器HS1101置于由集成555定時(shí)器構(gòu)成的振蕩電路中，通過頻率與電容容值的對(duì)應(yīng)關(guān)系式，通過測(cè)量出555振蕩器的輸出信號(hào)頻率，進(jìn)而測(cè)量出被測(cè)室內(nèi)環(huán)境的濕度。圖3所示由HS1101濕度傳感器構(gòu)成的測(cè)量網(wǎng)絡(luò)。

圖3 由HS1101構(gòu)成的濕度測(cè)量網(wǎng)絡(luò)

3.3 無線數(shù)據(jù)發(fā)送與接收

在經(jīng)過采用溫度傳感器和濕度傳感器對(duì)港口倉(cāng)儲(chǔ)庫(kù)房室內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集存儲(chǔ)后，要通過無線傳輸模塊將采集到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。無線通訊模塊選擇的是串口GSM/GPRS無線模塊擴(kuò)展板，該模塊是一款功能非常強(qiáng)大的手機(jī)通訊模塊，可以實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)或單片機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)距離無線通信，同時(shí)可快速、可靠地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、指令的無線傳輸以及手機(jī)短消息服務(wù)，也適合遠(yuǎn)程控制開發(fā)，如無線抄表技術(shù)、智能家居以及超遠(yuǎn)距離控制等[5]。

4 數(shù)據(jù)終端處理

溫濕度傳感器集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過無線通信模塊傳輸?shù)竭h(yuǎn)程的上位機(jī)監(jiān)測(cè)中心，發(fā)送的數(shù)據(jù)需要在上位機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)接收、處理、分析，下面主要對(duì)數(shù)據(jù)管理軟件的設(shè)計(jì)和應(yīng)用進(jìn)行闡述。

港口倉(cāng)儲(chǔ)庫(kù)房無線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程終端監(jiān)控中心的PC機(jī)的數(shù)據(jù)管理軟件采用的是LabVIEW編寫而成。LabVIEW提供了一個(gè)非常直觀的可視化操作平臺(tái)，其簡(jiǎn)單易懂的圖形化的G語言形式代替了復(fù)雜的程序命令的編寫，進(jìn)而提高了系統(tǒng)軟件開發(fā)的效率，方便快捷的實(shí)現(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)的開發(fā)，操作界面更加人性化方便人機(jī)互動(dòng)[6]。數(shù)據(jù)終端處理模塊基于LabVIEW的模塊化設(shè)計(jì)思想，主要由數(shù)據(jù)采集與顯示、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等模塊，使用者可以通過鼠標(biāo)在界面上操作，便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)采集來的溫度信息進(jìn)行顯示、打印、保存、設(shè)置等操作，十分方便。圖4為數(shù)據(jù)終端監(jiān)控系統(tǒng)控制面板。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)控制面板

5 系統(tǒng)的干擾和抑制

在數(shù)字系統(tǒng)中，信號(hào)在高低電平的轉(zhuǎn)換過程中會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的沖擊電流，同時(shí)在傳輸線路上以及供電電源的內(nèi)阻上會(huì)產(chǎn)生很大的電壓降，對(duì)系統(tǒng)的電源造成強(qiáng)烈的干擾，所以對(duì)于穩(wěn)定的供電電源是該溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)能否正常工作的前提條件[7]。為了抑制此類干擾信號(hào)，在電路的集成芯片的電源端和接地端外加退耦電容，一方面電路中器件產(chǎn)生的高頻噪聲干擾信號(hào)可以通過退耦電容進(jìn)行濾除，另一方面利用退耦電容來吸收集成芯片工作過程中產(chǎn)生的瞬間開關(guān)門電能量，進(jìn)而為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

同時(shí)在該系統(tǒng)PCB板設(shè)計(jì)過程中，又要考慮整個(gè)PCB板的設(shè)計(jì)能否符合抗電磁干擾的設(shè)計(jì)原則，不僅要考慮元器件的選擇還要考慮到整個(gè)線路板的元器件布局和布線安排。對(duì)于元件的布局我們遵循同一單元模塊的元器件盡可能的放在一起的原則，如本系統(tǒng)中采用的Arduino處理器的時(shí)鐘電路要盡可能靠近該芯片，避免布線過長(zhǎng)產(chǎn)生干擾信號(hào)影響系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)。同時(shí)，通過對(duì)PCB板進(jìn)行整板鋪設(shè)銅膜的方法，用于屏蔽外界的干擾源，對(duì)于提高PCB板的抗干擾能力起到至關(guān)重要的作用。

6結(jié)束語

對(duì)港口倉(cāng)儲(chǔ)庫(kù)房室內(nèi)溫濕度的有效監(jiān)控，一方面可以改善以往溫濕度監(jiān)測(cè)的方法和手段，通過遠(yuǎn)程無線自動(dòng)監(jiān)控，降低了勞動(dòng)成本，減少了港口和業(yè)主雙方的不必要損失。另一方面，本系統(tǒng)具有也具有較強(qiáng)的代表性和可移植性，不僅僅用于港口倉(cāng)儲(chǔ)庫(kù)房的溫濕度信息采集，同時(shí)也可以應(yīng)用到文物檔案館藏、溫室大棚、水產(chǎn)養(yǎng)殖以及遠(yuǎn)程燃?xì)庑孤﹫?bào)警的無線監(jiān)控、遠(yuǎn)程車輛耗油量的無線監(jiān)測(cè)等等，具有非常廣泛的應(yīng)用，同時(shí)也具有很大開發(fā)潛力和市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李鳳保， 古天祥， 陳光禹. 網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)研究及其面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)[J]. 電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)， 2001（4）： 64-68.

[2] 畢衛(wèi)紅， 陳鑫. 基于GSM的智能溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J]. 電子測(cè)量技術(shù)， 2009， 34（3）： 114-116.

[3] Dallas Semiconductor Corporation.DS18B20 Programmable Resolutional 1-Wire Digital Thermometer[Z]. Product Datasheet， 2002

[4] 張萍， 黃增雙. 基于555定時(shí)器的數(shù)字化測(cè)濕方法的研究[J]. 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用， 2006， 26（9）： 106-107.

[5] 田小輝， 李明遠(yuǎn)， 田昕. 基于GPRS的遠(yuǎn)程無線透?jìng)鹘K端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)， 2005， 28（4）： 97-99.

[6] 雷振山， 魏麗， 趙晨光， 等. LabVIEW高級(jí)編程與虛擬儀器工程應(yīng)用[M]. 北京： 中國(guó)鐵道出版社， 2009.

[7] 朱祥賢， 葛素娟. 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)， 2007， 205（11）： 151-153.