糧倉環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

葉建新　武斌　王安瀾

摘要：在糧食倉儲過程中，為給糧食提供較好的倉儲環(huán)境，往往需要對糧倉環(huán)境進(jìn)行實時監(jiān)測。因此設(shè)計采用STM32單片機(jī)為核心控制單元的實時監(jiān)測系統(tǒng)，通過傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)并實時顯示，定時通過無線模塊將數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器平臺。系統(tǒng)能實現(xiàn)糧倉內(nèi)溫濕度、氧氣濃度和二氧化碳濃度的實時采集。

關(guān)鍵詞：STM32;糧倉環(huán)境監(jiān)測;傳感器;無線傳輸

中圖分類號：TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8228（2020）08-42-03

0 引言

糧食是國民之所必須，糧食的質(zhì)量和儲量都是社會穩(wěn)定的保障，因此做好糧食的生產(chǎn)和儲備工作具有重大的意義。影響儲備糧質(zhì)量的主要環(huán)境因素有溫度、濕度、氧氣濃度和二氧化碳濃度等[1]。因此，快速準(zhǔn)確的檢測這些參數(shù)并及時做出處理對減少每年的儲糧損失具有十分重要的意義。

針對糧倉環(huán)境，很多學(xué)者做了相關(guān)的研究，例如，Hemanth Kumar G[2]等人設(shè)計了一種基于ARM9和Zigbee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)用于監(jiān)測糧倉環(huán)境;孫瑤瑤[3]等設(shè)計的基于51單片機(jī)的糧倉環(huán)境檢測系統(tǒng);高寧[4]等設(shè)計的基于智能小車的糧倉環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。這些監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測量都比較單一，因此針對監(jiān)測量單一的問題，本文設(shè)計了—套基于STM32單片機(jī)的糧倉環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，本系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集糧倉中的溫度、濕度、氧氣濃度和二氧化碳濃度，間隔時間將數(shù)據(jù)傳輸至云服務(wù)器平臺。

1 糧倉環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)采用STM32單片機(jī)作為主控單元[6-7]，各個模塊通過相應(yīng)的接口與STM32相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖l所示。

1.1 環(huán)境監(jiān)測傳感器選型

1.1.1 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器采用的是瑞士Sensirion公司設(shè)計生產(chǎn)的新一代數(shù)字溫濕度傳感器SHT20，SHT20內(nèi)配全新設(shè)計的CMOSens芯片、一個經(jīng)過改進(jìn)的電容式濕度傳感元件和一個溫度傳感元件，可靠性水平相較于前一代產(chǎn)品得到了很大的提升。該傳感器具有低功耗、高精度、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點。通過傳感器采集到的溫濕度值以數(shù)字量進(jìn)行輸出，其中溫度轉(zhuǎn)換通過式（1）完成，相對濕度通過式（2）進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

SHT20的使用比較簡單，在VDD和VSS間連接一個104電容用于去耦合，SDA和SCL連接一個電阻作為上拉電阻。傳感器單元采集到數(shù)據(jù)后輸出模擬信號，通過SHT20內(nèi)置的AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換后輸出數(shù)字信號，之后通過nc串口傳輸?shù)街骺啬K。

1.1.2氧氣濃度傳感器

氧氣濃度采用ZE03-02電化學(xué)氧氣模組進(jìn)行檢測，它采用三電極電化學(xué)氣體傳感器和高性能微處理器，其內(nèi)搭載氧氣傳感器進(jìn)行氧氣濃度的測量。內(nèi)置有溫度傳感器，可以實現(xiàn)溫度補(bǔ)償，能都精確的測量環(huán)境中的氧氣濃度。測量結(jié)果輸出有數(shù)字和模擬兩種形式的信號，可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇，更加方便使用者進(jìn)行調(diào)試。模組具有高分辨率、高靈敏度和低功耗等特點，具有較好穩(wěn)定性和較高的抗干擾能力。在本系統(tǒng)中采用UART串口與主控單元進(jìn)行連接與通訊。

1.1.3二氧化碳濃度傳感器

二氧化碳濃度采用的是MH-219B二氧化碳?xì)怏w傳感器進(jìn)行采集，MH-219B是一種小型的利用非色散紅外（NDIR）原理對空氣中存在的C02進(jìn)行探測，具有很好的選擇性和無氧氣依賴性、高靈敏度、低功耗和壽命長等特點。內(nèi)置有溫度自補(bǔ)償，其輸出有串口輸出、模擬輸出和PWM輸出三種方式。在本系統(tǒng)中通過UART串口的與主控單元進(jìn)行信息交互。

1.2 無線傳輸模塊電路設(shè)計

無線傳輸采用合宙Air202芯片設(shè)計[8]，Air202是一款功耗低、穩(wěn)定性高的集成GPRS無線芯片，采用虛擬卡版本的Air202芯片，可實現(xiàn)無SIM卡網(wǎng)絡(luò)通信，通過穩(wěn)壓電路給Air202芯片供電，將芯片的程序下載接口外接以方便下載程序，通過USART與主控單元相連。

1.3 主控模塊電路設(shè)計

主控模塊采用的是STM32Fl03單片機(jī)為核心的最小系統(tǒng)，STM32Fl03是一款低功耗高性能Cortex-M3內(nèi)核的32位處理器，集成浮點運算和數(shù)字信號處理指令，內(nèi)存上自帶64KB SRAM、512KB FLASH，STM32Fl03可以通過電路將I/O口引出，引出的1/0口可以連接一些外設(shè)模塊，比如WIFI、藍(lán)牙、GPRS等，通過控制LCD可以實現(xiàn)各種類型圖片的顯示和處理，支持SWD和JTAG調(diào)試，方便在編程時進(jìn)行在線調(diào)試，其運行主頻高達(dá)72MHz，可以高速的進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并保證系統(tǒng)運行的流暢性[9]。

基于STM32Fl03的主控電路最小系統(tǒng)的設(shè)計包括JTAG電路、復(fù)位電路、外部晶振電路、穩(wěn)壓供電電路、電源指示電路等小的模塊，最小系統(tǒng)的電路如圖2所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件采用Keil平臺C語言設(shè)計[10]，其程序流程圖如圖3所示，主要實現(xiàn)對各傳感器的采集值的處理和顯示。

在接收采集值之前要進(jìn)行各個串口的初始化，其中UART/USART串口需要配置波特率、停止位、奇偶校驗等。IIC總線有一條時鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA，傳輸是需要根據(jù)相應(yīng)的時序配置起始信號和結(jié)束信號，以此來完成采集值的接收，每次接收單位為一個字節(jié)，每次接收都產(chǎn)生一個應(yīng)答信號，在所有數(shù)據(jù)傳輸完成后，SDA會保持為高電平，此時則會產(chǎn)生一個結(jié)束信號，結(jié)束傳輸。

初始化完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和處理，并將數(shù)據(jù)通過USART串口發(fā)送給Air202無線傳輸模塊，Air202通過lua腳本語言編有程序，只要串口接收到數(shù)據(jù)就會將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器平臺上。

3 系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果

調(diào)試采用分模塊調(diào)試的方法，對各個模塊分別進(jìn)行性能測試，測試方法如下。

（1）溫濕度模塊調(diào)試：在調(diào)試溫濕度模塊時，采用現(xiàn)成的溫濕度計作為對比，在不同環(huán)境下測試。通過對比相同環(huán)境下本系統(tǒng)的溫濕度采集值和成品溫濕度傳感器的測量值，來得出本系統(tǒng)溫濕度測量是否正常且精確。測試結(jié)果如表l所示。

（2）氧氣濃度傳感器調(diào)試：調(diào)試氧氣濃度傳感器時，同樣采用與成品氧濃度傳感器進(jìn)行對比的方式。在相同位置，傳感器傳回值會在LCD上顯示，然后和成品氧濃度傳感器對比以得出本系統(tǒng)的氧氣濃度傳感器是否正常運行。測試場地選在室外多樹的地方分時段多次測試。測試結(jié)果如表2所示。

（3）二氧化碳傳感器調(diào)試：與前面的調(diào)試方法相同，在相同條件下將本系統(tǒng)的二氧化碳濃度值與成品測量的二氧化碳濃度值進(jìn)行對比以確定本系統(tǒng)的二氧化碳傳感器是否正常。測試環(huán)境與氧氣濃度測試環(huán)境相同。測試結(jié)果如表3所示。

（4） Air202無線傳輸模塊調(diào)試：Air202程序下載后，通過STM32發(fā)送測試數(shù)據(jù)到Air202，查看服務(wù)器平臺是否接收到數(shù)據(jù)。測試結(jié)果如表4所示。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計并完成了基于STM32的糧倉環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)的搭建。由于人口總量巨大，為了維持社會穩(wěn)定，糧食的儲備極為重要，因此，糧食的倉儲技術(shù)應(yīng)用非常廣泛。本文設(shè)計的糧倉環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)能夠幫助農(nóng)業(yè)工作者更好的監(jiān)測糧倉內(nèi)溫濕度、氧氣濃度和二氧化碳濃度的變化，保證儲糧在最適宜的環(huán)境下存儲，減少因環(huán)境問題而產(chǎn)生的重大損失與浪費。該系統(tǒng)使用方便，能夠?qū)崿F(xiàn)長期的環(huán)境量監(jiān)控和數(shù)據(jù)保存，不僅可以滿足科學(xué)研究的需求，也能夠滿足農(nóng)業(yè)工作者對于糧食貯存時間的需求。農(nóng)業(yè)工作者可以隨時查看當(dāng)前數(shù)據(jù)，也可以調(diào)取之前的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行抽檢，可全程監(jiān)測糧倉的環(huán)境是否在正常范圍內(nèi)，保證了糧食貯存的質(zhì)量。

進(jìn)一步的研究可以圍繞環(huán)境因素的調(diào)節(jié)裝置展開，本文設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)僅實現(xiàn)環(huán)境的監(jiān)測，還沒有達(dá)到環(huán)境可控。后續(xù)可加入調(diào)節(jié)裝置，配合監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行糧倉環(huán)境調(diào)節(jié)，這樣既可起到環(huán)境監(jiān)測的作用，又可起到環(huán)境調(diào)節(jié)的作用，使系統(tǒng)更加完善。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1]范向東.糧食儲存注意事項研究探索[J].中國農(nóng)業(yè)信息， 2014.2014（11）：112

[2]王麗芬.禽舍環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J]湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013.52（6）：1432-1434

[3]Hemanth Kumar G，Manjunathlakkannavar. The Design ofGranaW Environmental Monitoring and Control SystemBased On ARM9 and ZIGBEE[Jl.International Journalof Innovative Technology and Exploring Engineering，2012.1（3）：25-29

[4]孫瑤瑤，張長利.基于單片機(jī)的數(shù)字化糧倉測控系統(tǒng)的研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008.39（9）：112-116

[5]高寧，彭力，陳凱健.糧倉環(huán)境檢測智能巡檢小車研制[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010.33（1）：153-155，159

[6]劉寧，陳冬瓊，楊克磊.基于STM32最小系統(tǒng)串口通信顯示系統(tǒng)設(shè)計[J].工業(yè)控制計算機(jī)，2017.30（8）：33-34，36

[7]方少雷，李鵬，蘇躍龍.STM32系列單片機(jī)多串口通訊系統(tǒng)簡述[J].山西電子技術(shù)，2016.3：55-57

[8]任肖麗，陳佳喜，王驥.基于GPRS技術(shù)在線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015.38（4）：60-62，65

[9]楊光祥，梁華，朱軍.STM32單片機(jī)原理與工程實踐[M].武漢理工大學(xué)出版社，2013.

[10]譚浩強(qiáng).c程序設(shè)計（第五版）[M].清華大學(xué)出版社，2017.

★基金項目：國家重點研發(fā)計劃（2018YFD0401403）：浙江省重點研發(fā)項目（2018C02050）;杭州市農(nóng)業(yè)與社會發(fā)展科研主動設(shè)計項目（20190IOIA07）

作者簡介：葉建新（1996-），男，浙江麗水人，碩士研究生，主要研究方向：農(nóng)林業(yè)智能設(shè)備與信息系統(tǒng)。

通訊作者：武斌（1982-），男，安徽池州人，碩士研究生，主要研究方向：圖像識別及人工語言處理。