糧庫糧情智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

龍夏 檀明 王曉峰 劉原

摘?要：開發(fā)一套基于物聯(lián)網(wǎng)的糧庫糧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng).采集器多點(diǎn)實(shí)時(shí)采集倉內(nèi)溫濕度、糧食溫濕度及倉內(nèi)空氣混濁度，并將以上參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)街欣^器，中繼器匯總數(shù)據(jù)后再通過以太網(wǎng)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器;WEB端監(jiān)控程序顯示所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)及變化趨勢(shì).該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)糧倉存儲(chǔ)環(huán)境24小時(shí)監(jiān)控，使糧倉管理更加智能、便捷.

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);糧情;以太網(wǎng);中繼器

[中圖分類號(hào)]TP392 ???[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

Design and Implementation of Intelligent MonitoringSystem for Grain Situation in Grain Depot

LONG Xia1， TAN Ming1， WANG Xiaofeng1， LIU Yuan2

（1. Department of Computer Science and Technology，Hefei University，Hefei ?230001，China;2. Hefei Taite Information Technology Co.，Ltd.，Hefei 230001，China）

Abstract：Developing a monitoring system for grain depot based on Internet of Things. The collector collects temperature and humidity， grain temperature and humidity， and air turbidity in the warehouse in real time， and transmits the above parameters to the repeater in real time. The repeater collects the data and then transmits it to the remote server through ethernet. The WEB monitor displays real-time data， historical data， and trends from all monitoring points. This system realizes 24-hour monitoring of the storage environment of the granary， makes the management of the granary more intelligent and convenient， and has practical value.

Key words：internet of things; grain condition; ethernet; repeater

我國是農(nóng)業(yè)大國，糧食安全關(guān)系到國計(jì)民生.糧食儲(chǔ)備安全問題是糧食儲(chǔ)備工作中的關(guān)鍵，為了保證糧食品質(zhì)，最大限度減少糧食倉儲(chǔ)過程中的損失，必須準(zhǔn)確地掌握糧食倉儲(chǔ)過程中溫濕度等各種糧情參數(shù)的變化情況，并做出相應(yīng)的處理.[1]隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，糧庫糧情智能化研究向網(wǎng)絡(luò)化、智能化和數(shù)字化方面發(fā)展.孫茜莉提出了結(jié)合ARM和232串口，采用以太網(wǎng)通信的方式采集糧倉內(nèi)特定點(diǎn)參數(shù)，對(duì)糧倉內(nèi)糧情進(jìn)行監(jiān)測(cè).[2]段天浩提出通過3G無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)糧倉數(shù)據(jù)通信.[3]林澤等人采用分布式網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建糧倉網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?[4]李理提出通過Zigbee構(gòu)建糧倉無線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò).[5]鐘志杰提出基于“云外包”模式的糧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng).[6]總體上看，糧倉糧情監(jiān)測(cè)研究大多集中在網(wǎng)絡(luò)通信方式和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，對(duì)數(shù)據(jù)采集本身缺少關(guān)注，大多終端采集采用“固定采集-傳輸”模式，采集的傳感器接口是固定的，網(wǎng)絡(luò)通信方式也是固定的，當(dāng)更換傳感器或網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時(shí)，系統(tǒng)大部分需要更換.本文研究一套基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字化糧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，重點(diǎn)關(guān)注傳感器接口的一致性和通信模式的可選性，整個(gè)系統(tǒng)的框架確定后，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及采樣參數(shù)可以任意更換，適用面更廣.

1?系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

硬件以STC15W4K32S4單片機(jī)作為采集器和執(zhí)行器處理器，功能性的模塊主要由溫濕度傳感器、煙霧傳感器、單片機(jī)配合使用.采用C語言、Java語言編程開發(fā).

系統(tǒng)包括采集器、中繼器、執(zhí)行器和上位機(jī).采集器采集糧倉環(huán)境溫濕度、糧食溫濕度、倉內(nèi)有害氣體濃度等參數(shù).為方便擴(kuò)展連接不同標(biāo)準(zhǔn)件的傳感器，采集器上的傳感器接口設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)的485接口和4～20 mA電流接口.中繼器通過輪巡的方式查詢采集器的采樣值，匯總后再通過以太網(wǎng)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器.開發(fā)的遠(yuǎn)程WEB程序可以實(shí)時(shí)監(jiān)控糧倉內(nèi)各個(gè)采樣點(diǎn)的參數(shù)值，并能設(shè)定閾值，當(dāng)溫度、濕度、有害氣體濃度等超過設(shè)定值后，會(huì)通過中繼器發(fā)送指令給執(zhí)行器.執(zhí)行器設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)接口，包括繼電器接口、485接口等.

2?硬件設(shè)計(jì)

2.1?采集器設(shè)計(jì)

采集器的處理器選用STC15W4K60S，5 V供電.參數(shù)收集采用“1—N”的模式，多點(diǎn)的數(shù)據(jù)匯總到一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn).采集器和中繼器之間的數(shù)據(jù)匯總可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境選擇大功率170 M無線、WIFI傳輸或者485有線傳輸.傳感器采集接口則集成常規(guī)的數(shù)據(jù)接口，便于后期擴(kuò)展使用，包括485接口、4～20 mA接口和IO接口.

采集器的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示.傳感器是一種能夠感受規(guī)定的被測(cè)量、并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置.[7]溫濕度傳感器板載集成了485采樣接口、0～5 V采樣接口和4～20 mA采樣接口.采集器定時(shí)采集相關(guān)溫濕度及空氣信息，并將數(shù)據(jù)傳遞給中繼器，并由中繼器上傳給遠(yuǎn)程服務(wù)器.數(shù)據(jù)傳輸選擇WIFI傳輸、433 M大功率無線傳輸和485傳輸.單片機(jī)最小系統(tǒng)電路的采集器處理器選用STC15W4K32S4系列單片機(jī)，兼容傳統(tǒng)8051類型機(jī)的指令代碼，寬電壓2.2～5.5 V供電，內(nèi)部晶振可選，USB口下載.采樣板采用485接口或4～20 mA電流接口.

I/V轉(zhuǎn)換電路見圖2.4～20 mA電流從接口P7送入，0～5 V電壓從P8輸出后送到單片機(jī)內(nèi)部AD引腳.運(yùn)放選用高精度低失調(diào)的OP07，由DIP封裝的TL431組成的高精度穩(wěn)壓電源對(duì)運(yùn)放供電，DIP封裝確保了散熱性能，散熱功耗達(dá)到1W.I/V電路要求輸入電流和輸出電壓滿足線性對(duì)應(yīng)關(guān)系.轉(zhuǎn)換關(guān)系為V=-1.25+312.5I.R40，R41，R42組成負(fù)穩(wěn)壓電源，V1=-（1+R41R40）×2.5V=-3.125V.R39和R38組成分壓電路，V2=R38R38+R39×V1=-0.1V，U3反向輸入端電位V3=V2=-0.1V，PNP型三極管用于擴(kuò)展輸出能力.R33是4～20 mA的I/V轉(zhuǎn)換電阻，由于運(yùn)放的作用，這個(gè)電阻的最小取值可以很小，電阻越小越能減輕前方傳感變送器的供電要求.[8]V4=V3+R33×Iin=-0.1+2.5×Iin.濾波電容C56和兩只1N4148（D15和D16）用于對(duì)輸入電壓進(jìn)行保護(hù)，防止干擾信號(hào)的串入.采樣電壓V4送到U21的同向輸入端，V5=V4=V3+R33×Iin=-0.1+25×Iin.U21輸出端R34和R44分壓后從P8端口送出I/V轉(zhuǎn)換的結(jié)果，Vout=（1+R43R44×V5=-1.25+312.5Iin.為確保測(cè)量精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性，I/V電路中所有電阻均選用溫漂不大于50 mmp的精度0.1%的E96分度金屬膜電阻.

采集器中集成了多種通信方式，包括485通信、WIFI通信以及大功率無線通信.當(dāng)糧倉現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境良好，可以選擇WIFI通信.糧倉無外接無線信號(hào)強(qiáng)干擾并且對(duì)通信距離有要求的前提下，可以選用大功率無線通信170 M.通信距離遠(yuǎn)且無線干擾比較嚴(yán)重的情況下，則可以選擇485通信接口.可隨機(jī)測(cè)試，也可連續(xù)測(cè)試，抗干擾設(shè)計(jì)能提高系統(tǒng)精度和可靠性.[9]WIFI通信實(shí)測(cè)空曠地通信距離為100米，最大發(fā)射功率100 mW，寬供電電壓2.4～3.6 V，便于電池供電，電路圖如圖3所示，通過單片機(jī)串口和E103-W02實(shí)現(xiàn)通信，完成配置及數(shù)據(jù)收發(fā).

RS485總線是串行總線標(biāo)準(zhǔn)，采用平衡發(fā)送與差分接收的方式.為確保通信正常，在電路中加入總線保護(hù)和隔離電路，電路如圖4所示.TTL端選用NEC的光耦PS2501（J9，J10，J11）實(shí)現(xiàn)總線端和控制端的隔離，同時(shí)控制端和總線端的電源通過DC-DC器件B0505S-1W實(shí)現(xiàn)隔離，確?？偩€中的干擾不會(huì)影響到控制系統(tǒng).485總線端A，B引腳分別通過R96，R97電阻上、下拉，確保485無數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)，總線端的干擾會(huì)造成數(shù)據(jù)誤接收.D30，D31和D32是6.8 V鉗位二極管，用于保護(hù)485端口，避免總線電壓過高燒壞控制端.C31，C32，L21和L22用于提高電路的EMI性能，屏蔽總線工頻干擾.

2.2?中繼器設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)采取1-N的布網(wǎng)模式，采集器的數(shù)據(jù)匯總到一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，再由中繼節(jié)點(diǎn)通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)程PC端.中繼器的結(jié)構(gòu)見圖5.中繼器采用有人物聯(lián)網(wǎng)公司生產(chǎn)的USR-TCP232-T2物聯(lián)網(wǎng)串口以太網(wǎng)模塊，實(shí)現(xiàn)RJ45網(wǎng)口與TTL 串口之間直接的數(shù)據(jù)透明傳輸設(shè)備，無需單片機(jī)驅(qū)動(dòng)，其內(nèi)部搭載M0系列處理器，運(yùn)行速度快、效率高、低功耗、體積小.模塊在透明傳輸過程提供TCP和UDP傳輸協(xié)議可供選擇，方便用戶根據(jù)需要選用.

3?軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)分為三層結(jié)構(gòu)：底層采集執(zhí)行器，中間傳輸層，上位機(jī).整個(gè)系統(tǒng)傳輸協(xié)議采用工業(yè)級(jí)MODBUS協(xié)議.底層采集執(zhí)行器在糧倉內(nèi)部，實(shí)時(shí)采集糧倉內(nèi)部環(huán)境參數(shù)和糧堆溫濕度參數(shù)，通過WIFI、485或無線傳送到中繼器.執(zhí)行器接收到中間層執(zhí)行命令，控制糧倉內(nèi)的加熱爐和鼓風(fēng)扇.中間傳輸層接收到底層采集到的數(shù)據(jù)，存放在緩存區(qū).當(dāng)上位機(jī)發(fā)送讀取命令時(shí)，通過以太網(wǎng)回傳數(shù)據(jù)，同時(shí)，接收寫控制命令，下傳到底層采集執(zhí)行器，控制糧倉設(shè)備.上位機(jī)由Java編輯開發(fā)，在數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議中采用TCP協(xié)議，TCP三次握手，保證數(shù)傳輸過程的可靠性.當(dāng)上位機(jī)發(fā)送讀取命令后，收到中繼器回傳的數(shù)據(jù)，進(jìn)行解析.上位機(jī)可以手動(dòng)控制糧倉內(nèi)部設(shè)備，也可以設(shè)置參數(shù)自動(dòng)控制設(shè)備開啟.上位機(jī)在顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的同時(shí)還可以查看往期數(shù)據(jù)記錄.

采集器軟件代碼主要負(fù)責(zé)環(huán)境參數(shù)的采集與上傳，進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換得到具體數(shù)值，溫濕度環(huán)境參數(shù)由DHT11模塊采集數(shù)字量輸出，無需ADC轉(zhuǎn)換.當(dāng)采集器接收到查詢命令后，將BUFF中的數(shù)字上傳到中繼器.上位機(jī)軟件由Java編程語言實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)分為三個(gè)模塊：數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)、人機(jī)界面設(shè)計(jì)和通信設(shè)計(jì).人機(jī)界面用于顯示糧庫內(nèi)2D監(jiān)測(cè)圖，各個(gè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)參數(shù)監(jiān)測(cè).采樣的數(shù)據(jù)定時(shí)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，通信支持TCP協(xié)議，數(shù)據(jù)交互通過socket包完成.

4?總結(jié)

設(shè)計(jì)了一款基于物聯(lián)網(wǎng)的糧庫糧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以完成現(xiàn)場(chǎng)糧堆及糧庫環(huán)境的測(cè)量，通過中繼器上傳到遠(yuǎn)程PC端.PC端可以通過三維模型監(jiān)測(cè)到糧倉內(nèi)各個(gè)點(diǎn)的參數(shù)，通過自動(dòng)或手動(dòng)方式控制鼓風(fēng)機(jī)、冰箱、加熱器和加濕器，用于保證糧倉內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定.該系統(tǒng)已在合肥某糧庫內(nèi)試運(yùn)行半年多，提高了糧庫監(jiān)測(cè)的效率，減少了人力.

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編輯：琳莉