基于ARM和組態(tài)技術(shù)的糧食存儲環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計*

趙 方 ， 朱海云

（鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450121)

0 引言

糧食是國家的戰(zhàn)略物資之一，糧食安全問題是關(guān)系國計民生的重要問題，其中糧食的可靠存儲是糧食安全中的重點任務(wù)之一。當(dāng)前在糧食存儲過程中，國內(nèi)外都存在嚴重的浪費現(xiàn)象，據(jù)統(tǒng)計，糧食的損耗達到10%以上[1]。其中，存儲過程中的損耗占主要部分，糧食在存儲過程中對存儲環(huán)境的溫度、濕度的控制是減少糧食存儲損耗的關(guān)鍵。如果糧食存儲環(huán)境的溫度、濕度控制不當(dāng)，會出現(xiàn)糧食霉變、蟲害、發(fā)熱等情況，直接導(dǎo)致糧食質(zhì)量下降。為了保證糧食的存儲質(zhì)量，必須保證其存儲環(huán)境的溫度、濕度保持在合適的范圍內(nèi)。當(dāng)前糧庫的溫濕度控制一般采用人工巡檢的方式，不但耗費人力、增加糧食存儲的成本，還存在控制不夠及時的缺陷；另外，溫濕度的檢測通常采用模擬式傳感器，存在精度低、易損壞、傳輸誤差大等不足；控制器一般采用成本較高的PLC[2]。當(dāng)前糧庫環(huán)境一般不能實現(xiàn)遠程集中監(jiān)控，能實現(xiàn)遠程集中監(jiān)控的也大都采用有線傳輸?shù)姆绞絺鬏敂?shù)據(jù)，如CAN總線傳輸、RS485傳輸，不但布線繁雜，而且線路過長會引起電磁場干擾，從而導(dǎo)致傳輸數(shù)據(jù)的錯誤。

課題組以某地一小型糧倉為研究對象，克服當(dāng)前技術(shù)的不足，提出一種以ARM Cortex-M3控制器STM32F103VET6為核心，采用GSM無線通信技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸，結(jié)合KingView 6.55組態(tài)技術(shù)的糧倉溫度、濕度自動控制及實時遠程監(jiān)控系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)構(gòu)成

本設(shè)計由集中監(jiān)控中心、管理員手機、糧倉溫濕度控制系統(tǒng)組成。采用ARM Cortex-M3 32位微處理器STM32F103VET6為核心控制器，采用數(shù)字溫濕度傳感器DHT11實時采集糧倉內(nèi)環(huán)境溫濕度，并將檢測信息傳輸給STM32F103VET6，STM32F103VET6根據(jù)實際值和設(shè)定值的關(guān)系進行決策（以自然通風(fēng)為例），自動調(diào)整環(huán)境的溫濕度，使其保持在在設(shè)定的范圍內(nèi)，設(shè)計了溫度設(shè)定以及超限、故障報警、溫度顯示等功能。還設(shè)計了遠程監(jiān)控功能，通過GSM無線網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)、故障等信息實時上傳至遠端監(jiān)控中心，同時將報警信息發(fā)送到管理員手機，從而實現(xiàn)雙重保險。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控制器的選擇

當(dāng)前市面上糧食存儲環(huán)境自動控制系統(tǒng)大都采用價格昂貴的PLC作為主控制器，本設(shè)計采用了32位的RISC STM32F103VET6單片機，它是ARM Cortex-M3系列中的主流處理芯片，價格與8位機和16位機相當(dāng)，具有工業(yè)級的抗干擾能力。STM32F103VET6有100個引腳，512 K Flash，64 K SRAM，80個GPIO口，2個PWM定時器，4個通用定時器，2個高級定時器，2個基本定時器，3個SPI，2個I2C，2個I2S接口，5個USART，1個USB接口，1個CAN通信接口，1個SDIO接口。3路12位ADC，共16個通道；2路12位的DAC，共2個通道。可運行于72 MHz的頻率下，工作速度快。工作電壓是直流2.0 V～3.6 V，功耗低，可在－40 ℃～＋105 ℃的溫度范圍內(nèi)工作。

STM32F103VET6單片機要想正常工作，必須接上復(fù)位電路、振蕩電路、啟動電路等核心部分構(gòu)成其最小系統(tǒng)。其中，STM32F103VET6的時鐘電路由兩個外部時鐘源組成，一個低速時鐘源接到PC14和PC15引腳，接32.768 kHz的晶振；一個是高速時鐘源，接到OSCIN和OSCOUT引腳，接8 MHz的晶振。STM32F103VET6用低電平復(fù)位，復(fù)位電路設(shè)計一個開關(guān)電路即可。由于STM32F103VET6可以從內(nèi)置Flash啟動，可從系統(tǒng)存儲器啟動，還可從內(nèi)置SRAM啟動，本系統(tǒng)的啟動電路設(shè)計為從內(nèi)置Flash啟動。

2.2 溫濕度傳感器的選擇及鍵盤的設(shè)計

傳統(tǒng)的糧食存儲環(huán)境的檢測大都采用模擬式熱電偶、熱電阻等溫度傳感器，其特點是輸出信號微弱，并且需要后期數(shù)據(jù)處理，電路復(fù)雜，且模擬信號不易遠傳[3-4]。本設(shè)計選用了溫濕度傳感器DHT11實時檢測糧食存儲環(huán)境的溫度和濕度。DHT11是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的數(shù)字溫濕度復(fù)合傳感器。它包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接，具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)點。其供電電壓是3 V～5.5 V，濕度精度為±5%RC，溫度精度為±2 ℃，濕度分辨率為1%RH，溫度分辨率為1 ℃，濕度測量范圍為20%RH～90%RH，溫度測量范圍為0～50 ℃。DHT11采用單總線通信，有4個引腳：VCC、VDD、DATA、NC。DHT11和STM32F103VET6的連接如圖2所示。

在實際中，需要人工根據(jù)不同的季節(jié)設(shè)定糧食存儲環(huán)境的溫度和濕度。因此，課題組根據(jù)需要設(shè)計了一個3×4的矩陣式鍵盤，分別表示數(shù)字0～9鍵和設(shè)置鍵、確認鍵，矩陣式鍵盤連接到STM32F103VET6 GPIOA口的PA1～PA7口，如圖2所示。

圖2 溫濕度采集和鍵盤電路

2.3 液晶顯示、報警、風(fēng)機控制、轉(zhuǎn)換開關(guān)、時鐘電路設(shè)計

本設(shè)計中LCD液晶顯示器用來顯示糧食存儲環(huán)境的溫度、濕度、通風(fēng)機運行情況是否正常等關(guān)鍵信息，設(shè)計中選用了帶有中文字庫的LCD12864作為顯示器，LCD12864具有硬件電路結(jié)構(gòu)簡單易用、程序設(shè)計簡單、功耗低等優(yōu)點[5]。系統(tǒng)時鐘采用美國DALLAS公司的DS1302，其特點是功耗低、性能高、價格低、使用簡單方便，自帶RAM可以對年、月、日、周、時、分、秒計時，主要用來作為整個系統(tǒng)的時鐘時基，以便準確記錄超限報警等故障時間。由于STM32F103VET6的工作電壓是3.3 V，而LCD12864最穩(wěn)定的工作電壓是5 V，因此在LCD和STM32F103VET6進行連接的時候采用電平轉(zhuǎn)換芯片74LVX4245把3.3 V轉(zhuǎn)換為5 V。當(dāng)糧食存儲環(huán)境的溫濕度或者通風(fēng)機工作異常時，現(xiàn)場進行聲光報警，溫濕度報警紅燈閃爍、風(fēng)機故障黃燈閃爍，同時將報警信息通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至管理員手機和上位機監(jiān)控系統(tǒng)，以便提醒管理員及時處理[6]。這些功能占據(jù)了STM32F103VET6的GPIOB和GPIOC端口。電路原理圖如圖3所示。

圖3 液晶顯示、報警、時鐘、通風(fēng)機控制、自動/手動切換電路原理圖

2.4 系統(tǒng)電源設(shè)計

本系統(tǒng)主控制器STM32F103VET6的工作電源是直流3.3 V[7-8]，LCD液晶顯示穩(wěn)定的工作電壓是直流5 V。單相220 V的交流電先經(jīng)變壓器降壓，采用的220 V變交流12 V的變壓器，變壓后經(jīng)二極管全波整流變?yōu)槊}動的直流電，然后進行電容濾波，再用7805三端穩(wěn)壓管進行穩(wěn)壓，穩(wěn)壓后再次濾波，最后得到穩(wěn)定、平滑的5 V直流電壓。由于主控制器是3.3 V供電，因此用REG1117-3.3 V電壓轉(zhuǎn)換模塊將直流5 V轉(zhuǎn)換為直流3.3 V為主控制器STM32F103VET6供電。系統(tǒng)中的電容為濾波電容，容值大的電容用來濾低次諧波，容值小的電容主要用來濾高次諧波。二極管為電源指示燈。系統(tǒng)電源電路原理圖及參數(shù)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)電源電路

2.5 GSM通信電路設(shè)計

本設(shè)計采用中國移動公用GSM無線通信網(wǎng)絡(luò)作為傳輸數(shù)據(jù)的通道，GSM無線通信傳輸距離不受限制，覆蓋面廣，只要網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方數(shù)據(jù)都可以到達。GSM通信模塊采用Siemens公司的TC35，通信接口電路設(shè)計由兩部分組成，一是糧食存儲環(huán)境溫濕度測控裝置和TC35的接口電路，二是監(jiān)控中心PC機和TC35的接口電路設(shè)計。

TC35模塊支持中文短消息，工作電壓是直流3.3 V～5.5 V，典型值是4.2 V，可以在900 MHz和1 800 MHz兩個頻段工作，可以安全可靠地實現(xiàn)本設(shè)計的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。TC35支持文本和PDU模式的短消息，主要由供電單元、射頻單元、閃存、零阻力插座、天線等部分組成。TC35與STM32F103VET6都是CMOS電平，相互兼容，可通過零阻力插座連接。STM32F103VET6單片機共有5個串口[9-11]，在設(shè)計中選擇了串口USART1（即PA9和PA10）和TC35通信。STM32F103VET6控制和驅(qū)動TC35將現(xiàn)場檢測的溫濕度、報警等信息，通過與TC35連接的SIM卡1發(fā)送至管理員手機SIM卡2和PC機監(jiān)控中心SIM卡3，并在上位機監(jiān)控軟件中存儲、顯示。上位機通過RS232串口和TC35模塊連接，TC35將接收到的來自現(xiàn)場的信息通過串口傳送至上位機監(jiān)控軟件。

TC35模塊有40個引腳，通過零阻力插座引出，有電源引腳、SIM卡連接引腳、數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳、音頻和控制接口引腳，共5類。1～5是正電源，并聯(lián)后接到電源正極。6～10是電源地，并聯(lián)后接地。16～23是數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳，符合RS-232接口標(biāo)準。24～29引腳連接SIM卡。32引腳SYNC接指示燈，指示TC35的工作狀態(tài)。主控制器、無線通信模塊和上位機的接口電路如圖5所示。

圖5 通信接口電路

3 軟件設(shè)計

3.1 控制終端軟件設(shè)計

控制終端環(huán)境溫濕度自動控制系統(tǒng)主要完成對糧食存儲環(huán)境的溫濕度檢測，并和設(shè)定值比較，若超限則控制器啟動通風(fēng)機以降溫、除濕，從而保證糧食存儲環(huán)境的溫濕度在要求的范圍內(nèi)。其軟件主要包括主控程序、溫濕度采集程序、鍵盤子程序、LCD液晶顯示子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、數(shù)據(jù)發(fā)送子程序、時鐘子程序等。控制終端的主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

3.2 電腦監(jiān)控軟件設(shè)計

糧食存儲環(huán)境的溫濕度控制系統(tǒng)的溫度、濕度數(shù)據(jù)可以通過GSM網(wǎng)絡(luò)傳給上位機監(jiān)控軟件，PC機上位機監(jiān)控軟件采用組態(tài)軟件組態(tài)王KingView 6.55進行開發(fā)。上位機監(jiān)控軟件主要起到監(jiān)控作用，其數(shù)據(jù)曲線顯示功能清楚易懂，并能方便地通過動畫設(shè)計把上位機監(jiān)控界面的顯示數(shù)據(jù)和環(huán)境監(jiān)控點的實際位置聯(lián)系起來。系統(tǒng)的上位機監(jiān)控軟件主要包括以下功能。

1）監(jiān)控軟件主界面：主界面主要顯示現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測點的溫濕度數(shù)據(jù)、風(fēng)機故障、溫濕度超限報警等信息。

2）歷史數(shù)據(jù)查詢：完成環(huán)境監(jiān)測點溫濕度的歷史數(shù)據(jù)存儲、查詢。

3）曲線顯示：用曲線圖直觀地顯示現(xiàn)場溫濕度的變化趨勢。

4）參數(shù)設(shè)定：完成對溫濕度監(jiān)測點溫度、濕度上下限值的遠程設(shè)置。

5）溫濕度檢測：實時查詢現(xiàn)場環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)。

6）打印：打印監(jiān)測點溫濕度的歷史數(shù)據(jù)。

7）存儲：存儲監(jiān)測點的歷史溫濕度數(shù)據(jù)。

8）報警提示：用指示燈的不同顏色以提示用戶管理者溫濕度異常、風(fēng)機故障等報警信息，指示燈綠色為工作正常，紅色為工作異常。

4 結(jié)論

課題組以某糧食經(jīng)銷商的小型糧倉為研究對象，制作了試驗樣機，設(shè)置了一個溫濕度采樣點，利用本控制系統(tǒng)能夠自動調(diào)節(jié)糧倉內(nèi)的溫濕度在設(shè)定的范圍內(nèi)。模擬了幾個故障點，上位機和用戶手機都收到了故障信息，上位機監(jiān)控軟件能按照設(shè)定的時間間隔實時獲取現(xiàn)場信息。

本設(shè)計利用GSM技術(shù)、組態(tài)技術(shù)和ARM單片機技術(shù)實現(xiàn)了糧食存儲環(huán)境溫濕度的自動控制和遠程監(jiān)控，并且基于GSM網(wǎng)絡(luò)平臺傳輸信息不受時間、空間的限制，可實現(xiàn)遠距離監(jiān)控。用工業(yè)級的高性能ARM單片機代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PLC控制，大大降低了成本，提高了糧食存儲質(zhì)量的可靠性，本設(shè)計在糧食存儲環(huán)境控制中具有廣泛的應(yīng)用前景和實際價值。