基于總線技術(shù)的倉庫溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：溫濕度是倉庫環(huán)境重要參數(shù)之一，針對倉庫溫濕度監(jiān)測問題，提出了一種基于總線技術(shù)的倉庫溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。詳細(xì)闡述了倉庫溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計思想、硬件結(jié)構(gòu)和軟件的設(shè)計方法。采用CAN總線技術(shù)對倉庫進(jìn)行分布式節(jié)點設(shè)計，以低功耗單片機(jī)MSP430F149為控制核心，通過數(shù)字式溫濕度傳感器獲取節(jié)點參數(shù)，實現(xiàn)對倉庫多點溫濕度實時監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：倉庫;溫度;濕度;CAN

中圖分類號：TP301? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）07-0109-03

1 概述

溫濕度是倉庫重要的環(huán)境參數(shù)，保持合適的溫濕度對貯存物品非常重要。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、制造業(yè)等行業(yè)中許多產(chǎn)品在高溫環(huán)境下易燃易爆炸，低溫環(huán)境容易失去活性效用，陰潮環(huán)境下易受潮發(fā)霉等，如果在貯藏存儲這一環(huán)節(jié)發(fā)生了事故將會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此監(jiān)測倉庫的溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)非常有必要[1-2]。文章提出一種低功耗、分布式的CAN總線倉庫溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對倉庫多點溫濕度實時監(jiān)測與顯示。系統(tǒng)具有適應(yīng)性廣泛、抗干擾能力強(qiáng)且具備遠(yuǎn)程傳輸處理能力。

2 CAN總線概述

CAN（Controller Area Network）總線技術(shù)屬于現(xiàn)場總線技術(shù)的一種，是ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議，又名為控制器局域網(wǎng)絡(luò)，它作為一種分布式控制串行通信總線，雙絞線、同軸電纜、光導(dǎo)纖維等介質(zhì)都可以作為它的通信介質(zhì)。目前，比較常用的現(xiàn)場總線有：Profibus總線、LonWorks總線、CAN總線、WorldFIP總線和基金會現(xiàn)場總線等。根據(jù)在倉儲管理中各個現(xiàn)場設(shè)備呈分散式分布的特點，CAN總線因為其通信協(xié)議的特性及優(yōu)勢，使其成為應(yīng)用于倉儲管理的現(xiàn)場通信總線的理想選擇。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計

本倉庫溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的硬件部分的主要構(gòu)成如下：MSP430F149作為主控制器，將CAN控制器MCP2515和CAN收發(fā)器TJA1050以及光電耦合器6N137整合為CAN通信模塊，而溫濕度測量模塊則主要由SHT11構(gòu)成。

3.1 微控制器MSP430F149

系統(tǒng)采用美國德州儀器公司的MSP430F149單片機(jī)作為微控制器，工作電壓較低，范圍為1.8 V ～3.6V，有3種工作模式，分別為主動、待機(jī)和關(guān)閉，其對應(yīng)的工作電流分別為280μA、1.6μA和0.1μA。從低功耗模式到喚醒模式的轉(zhuǎn)換時間小于6μs，完全滿足實時系統(tǒng)的高效要求[3-4]。該處理器通過16位RISC系統(tǒng)、16位CPU、集成寄存器和常量發(fā)生器來獲得最大代碼效率。它具有豐富的片上資源：60KB+256B閃速存儲器、2KB的RAM、兩個16位定時器、一個8通道快速12位A/D轉(zhuǎn)換器、兩個通用USART接口，以及支持SPI通信，方便CAN總線接口通信，全滿足本系統(tǒng)的使用需求[5-6]。

3.2 CAN控制器MCP2515

MCP2515是由Microchip推出的一款具有SPI口可以獨立控制器局域網(wǎng)絡(luò)協(xié)議控制器。工業(yè)級的工作溫度范圍為-40℃至+85℃，滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。CAN協(xié)議處理模塊和發(fā)送、接收緩沖器包括過濾器和屏蔽器共同構(gòu)成了MCP2515的CAN模塊。CAN協(xié)議處理模塊連接于CAN總線，SPI接口連接于MCU。MCP2515對CAN總線數(shù)據(jù)的發(fā)送流程是微處理器通過SPI接口將待發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入MCP2515的發(fā)送緩沖器，緊接著調(diào)用發(fā)送請求的命令就可以將發(fā)送數(shù)據(jù)到CAN總線上。MCP2515具有發(fā)送、接收中斷，各自錯誤中斷以及總線喚醒中斷等8個中斷源。MCP2515既支持CAN的標(biāo)準(zhǔn)幀格式，也支持CAN2.0B的擴(kuò)展幀格式。MCP2515共有114個寄存器，有效地址范圍為0x00～0x7F。在使用MCU對MCP2515進(jìn)行初始化時，只有通過SPI接口用其內(nèi)置的讀寫命令才能完成接收緩沖器和發(fā)送緩沖器的設(shè)置。

3.3 CAN收發(fā)器 TJA1050

TJA1050具有差分發(fā)射和接收能力，具有較高的電磁抗干擾性。TJA1050由于在輸出信號中CANH能最大限度地匹配CANL，電磁輻射相對更低，改善了在節(jié)點未通電時的性能，因此它非常適合設(shè)計低功耗節(jié)點。其最高通信速率可達(dá)1Mb/s，可連接110個節(jié)點，非常適用于分布式大范圍的節(jié)點布置。TJA1050有高速或靜音兩種工作模式，通過自身S引腳選擇工作模式。其中高速模式為默認(rèn)模式，總線上輸出信號的斜率切換時能夠在較高的速率上進(jìn)行，因此這種模式適合于較大的位速率和大總線。當(dāng)S引腳處于接地時處于高速模式，而接工作電源時為靜音模式。在電路中TJA1050的1號引腳TXD的功能為從CAN總控制器當(dāng)中輸入發(fā)送到總線上的數(shù)據(jù)，2號引腳GND為接地，3號引腳VCC為電源，4號引腳RXD的功能為從總線接收的數(shù)據(jù)發(fā)送給CAN總線控制器，6號引腳CANH和7號引腳CANL分別為高低電平的電壓輸入和輸出。

3.4 光電耦合器6N137

6N137是適用于單通道的高速光耦合器，它可以在極低的輸入電流下完成光電的轉(zhuǎn)換。具備溫度、電流和電壓補(bǔ)償?shù)墓δ?，輸入輸出隔離程度較高，轉(zhuǎn)換速率可達(dá)10Mbit/s，可帶8個TTL負(fù)載，工作溫度范圍為-40℃～+85℃。在實際應(yīng)用中6N137的引腳1與4未連接，2和3兩腳分為陰陽兩極，5腳接地，6腳為開路集電極輸出，7腳為使能端，8腳接工作電源。正常情況下，當(dāng)光敏管處于非導(dǎo)通狀態(tài)時，發(fā)光二極管正向電流為0～250uA。當(dāng)光敏管處于導(dǎo)通狀態(tài)時，其二極管正向電壓為1.2V～1.7V，正向電流為6.5 mA ～15mA。6N137在不加限流電阻或者所加電阻阻值較小的情況下，仍然能夠工作，但是處于數(shù)字波形較為陡峭的時候，Vcc1將會受到發(fā)光二極管導(dǎo)通電流的影響，此時上升和下降沿的頻譜比較寬，由此產(chǎn)生的尖峰脈沖造成將極其尖銳，一般情況下無法抑制這種噪聲，所以電路設(shè)計時需用阻值較大的限流電阻。而對于輸出端而言，應(yīng)該在腳5和腳8附近放置一個0.1uF的去耦電容以此來吸收電源線上的紋波，同時也能起到保護(hù)光電隔離器接收端在運作時所受到的影響。腳6是集電極開路輸出端，一般情況下需接保護(hù)電阻。當(dāng)使能端腳7處于0～0.8V時強(qiáng)制輸出為開路，在2.0V～Vcc2時允許接收端工作。

3.5 溫濕度傳感器SHT11

SHT11是瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的數(shù)字式新型相對濕度和溫度傳感器。SHT11的測量范圍為0-100%RH，-40℃～+123.8℃，精度為±3.0%RH，±0.4℃，分辨率為0.03%RH，0.1℃，傳輸方式為I2C總線。SHT11的應(yīng)用電路中1號引腳接地，2號和3號引腳分別為數(shù)據(jù)和時鐘的串行接口，4號引腳接2.4V～5.5V的工作電壓。其工作原理是將所測得的濕度和溫度轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過微弱信號放大器放大之后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后輸出數(shù)字信號。

3.6 CAN通信模塊設(shè)計

系統(tǒng)采取在外部總線上進(jìn)行擴(kuò)展CAN總線接口芯片和CAN收發(fā)器的方案。為了能夠使報文數(shù)據(jù)在CAN通信協(xié)議下進(jìn)行發(fā)送和接收，在啟動報文發(fā)送的環(huán)節(jié)就要求能夠控制使能引腳或者通過SPI接口來發(fā)送命令。MCP2515將CAN總線上探查到的報文信息與用戶定義信息做對比，一旦確認(rèn)信息匹配，就會將報文數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送到接收緩存器中。CAN通信模塊設(shè)計如圖1所示。

為了提升MSP430F149工作的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性以及對抗外界、電路元器件產(chǎn)生的電磁干擾和噪聲，加入光電耦合器實現(xiàn)抑制干擾和隔離。在實際電路當(dāng)中， TJA1050的CANH和CANL兩個引腳與CAN總線接口需要串接兩個保護(hù)電阻以及并接兩個瞬態(tài)抑制二極管。限流作用的保護(hù)電阻的阻值為5Ω，瞬態(tài)抑制二極管選擇SA28A，放置在輸入端與地之間，并在這兩者之間并聯(lián)一個阻值大小為120Ω的終端電阻，它的作用除了在一定程度上防電磁輻射之外也能濾除CAN總線上存在的一些高頻干擾。另外在第8個引腳上接地來讓其進(jìn)入高速模式。

3.7 溫濕度測量電路設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計的溫濕度測量模塊主要由溫濕度測量一體的數(shù)字型傳感器SHT11完成。DATA數(shù)據(jù)線需要配置一個上拉電阻，工作電壓為5V， SCK數(shù)據(jù)線的最高頻率為10MHz。SHT11的電路設(shè)計如圖2所示。

3.8 電子報警電路

針對可能出現(xiàn)的倉庫內(nèi)溫度或者濕度反常的情況，本系統(tǒng)采用蜂鳴器報警電路來提示。無源蜂鳴器在采取方波作為理想的工作信號的狀態(tài)下會在程序中相應(yīng)地輸出一定頻率的方波。當(dāng)倉庫內(nèi)出現(xiàn)溫濕度超過設(shè)置的閾值時，蜂鳴器將會發(fā)出報警。電路采取NPN型三極管作為蜂鳴器的驅(qū)動。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計

4.1 CAN總線的通信程序設(shè)計

本系統(tǒng)將DeviceNet作為CAN作為底部的通訊協(xié)議，在應(yīng)用層領(lǐng)域?qū)τ诓煌脑O(shè)備定義不同的協(xié)議，它有重復(fù)節(jié)點的地點偵測的功能，同樣能夠在高噪聲的環(huán)境下使用。本系統(tǒng)采用的是DN1022協(xié)議芯片來進(jìn)行微處理器和DeviceNet的連接，通過高速串/并口與用戶處理器進(jìn)行連接。DN1022內(nèi)置DeviceNet Group2 Only Slave從站協(xié)議棧，DeviceNet處理器，高速串/并行口，CAN控制器等。它最大可輸入或輸出64個字節(jié)，并提供POLL（輪詢）、COS（狀態(tài)改變）、CYCLIC（循環(huán)）共三種數(shù)據(jù)觸發(fā)方式，其正常的供電電壓為3.0V～5.5V。程序先后完成CPU的初始化、讀保護(hù)器配置命令，接著配置DN1022，最后完成保護(hù)器與DeviceNet主站之間的交互數(shù)據(jù)等流程。

4.2 SPI通信程序設(shè)計

MCP2515與微處理器通過SPI模式通信，軟件設(shè)計需要完成初始、SPI讀寫等操作。本系統(tǒng)所用的SPI函數(shù)有：SPI初始化函數(shù)：SPI Init（VOID）;發(fā)送數(shù)據(jù)：SPI SendByte（BYTE bData，BYTE *pData）;讀取數(shù)據(jù)：SPI ReadByte（BYTE *pData）。在設(shè)計過程中，SPI是同時進(jìn)行發(fā)送一個數(shù)據(jù)和接收一個數(shù)據(jù)的操作。本系統(tǒng)將采用同一個函數(shù)來實現(xiàn)SPI的數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收來實現(xiàn)，唯一進(jìn)行區(qū)別的是將通過調(diào)用時對參數(shù)不同的數(shù)值。

4.3 CAN總線通信模塊設(shè)計

CAN總線通信模塊程序主要分成CAN總線的初始化，發(fā)送數(shù)據(jù)以及接收數(shù)據(jù)三部分。CAN總線的初始化的核心是針對CAN控制器的初始化，包括了對工作方式、驗收濾波方式以及驗收屏蔽寄存器和波特率參數(shù)的設(shè)置等。當(dāng)完成了初始化的工作后，MCP2515才能進(jìn)行正常的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的工作輔以子程序來進(jìn)行節(jié)點報文的發(fā)送。對于數(shù)據(jù)發(fā)送，只要確定發(fā)送緩沖器處于沒有被所鎖定的狀態(tài)，就可以進(jìn)行把現(xiàn)場的實時測量的數(shù)據(jù)發(fā)至MCP2515的發(fā)送緩沖區(qū)，接著再啟動MCP2515進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)的命令，流程如圖3所示。對于數(shù)據(jù)接收，在確認(rèn)系統(tǒng)已經(jīng)處于上電的狀態(tài)下，首先讓MCP2515進(jìn)入已知的狀態(tài)，強(qiáng)迫它復(fù)位進(jìn)行配置為定時器、屏蔽器以及濾波器，流程如圖4所示。

4.4 溫濕度采集模塊設(shè)計

溫濕度采集模塊的核心是SHT11，其溫濕度采集整體的流程為：1）啟動總線傳輸并進(jìn)行連接復(fù)位，2）測量溫濕度參數(shù)并查驗是否有錯誤，如有回到1），否則進(jìn)行溫濕度參數(shù)軟件補(bǔ)償。

MSP430F149單片機(jī)的I2C接口與SHT11連接方便。MSP430F149的I2C內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要分為時鐘控制、數(shù)據(jù)控制和控制邏輯等部分，它們主要負(fù)責(zé)實現(xiàn)I2C的時鐘產(chǎn)生、數(shù)據(jù)收發(fā)、總線裁斷和中斷等功能。SHT11有四種子程序，分別為啟動時序、讀一個字節(jié)、寫一個字節(jié)以及通信復(fù)位時序。這四種子程序在執(zhí)行的時候需按照嚴(yán)格的時序來操作。

5 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)倉庫溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的不足，利用CAN總線技術(shù)，結(jié)合低功耗單片機(jī)MSP430F149和數(shù)字型溫濕度傳感器SHT11提出了一種分布式總線倉庫溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)布線靈活，監(jiān)測節(jié)點布局?jǐn)U展方便，具有低功耗實時監(jiān)測功能，具有良好的應(yīng)用價值。

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】

收稿日期：2021-12-08

作者簡介：鄭淼淼（1984—），女，安徽淮南人，高級工程師，碩士，主要研究方向為電氣工程。