糧庫糧情智能監測系統的設計與實現

　　摘 要：開發一套基于物聯網的糧庫糧情監測系統.采集器多點實時采集倉內溫濕度、糧食溫濕度及倉內空氣混濁度，并將以上參數實時傳輸到中繼器，中繼器匯總數據后再通過以太網傳輸到遠程服務器;WEB端監控程序顯示所有監測點的實時數據、歷史數據及變化趨勢.該系統可實現對糧倉存儲環境24小時監控，使糧倉管理更加智能、便捷.

　　關鍵詞：物聯網;糧情;以太網;中繼器

　　《物聯網技術》雜志是目前國內第一本經國家新聞出版總署批準，手續齊全的物聯網專業科技期刊。物聯網是繼計算機、互聯網之后世界信息技術的第三次革命，據美國獨立市場研究機構Forreter預測，物聯網所帶來的產業價值要比互聯網大30倍，將形成下一個上萬億元規模的高科技市場。

　　我國是農業大國，糧食安全關系到國計民生.糧食儲備安全問題是糧食儲備工作中的關鍵，為了保證糧食品質，最大限度減少糧食倉儲過程中的損失，必須準確地掌握糧食倉儲過程中溫濕度等各種糧情參數的變化情況，并做出相應的處理.[1]隨著物聯網技術的興起，糧庫糧情智能化研究向網絡化、智能化和數字化方面發展.孫茜莉提出了結合ARM和232串口，采用以太網通信的方式采集糧倉內特定點參數，對糧倉內糧情進行監測.[2]段天浩提出通過3G無線網絡實現糧倉數據通信.[3]林澤等人采用分布式網絡構建糧倉網絡拓撲.[4]李理提出通過Zigbee構建糧倉無線監測網絡.[5]鐘志杰提出基于“云外包”模式的糧情監測系統.[6]總體上看，糧倉糧情監測研究大多集中在網絡通信方式和拓撲結構上，對數據采集本身缺少關注，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，網絡通信方式也是固定的，當更換傳感器或網絡結構時，系統大部分需要更換.本文研究一套基于物聯網的數字化糧情監測系統，重點關注傳感器接口的一致性和通信模式的可選性，整個系統的框架確定后，網絡內部結構及采樣參數可以任意更換，適用面更廣.

　　1 系統整體設計

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

　　系統包括采集器、中繼器、執行器和上位機.采集器采集糧倉環境溫濕度、糧食溫濕度、倉內有害氣體濃度等參數.為方便擴展連接不同標準件的傳感器，采集器上的傳感器接口設計為標準的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傳輸到遠程服務器.開發的遠程WEB程序可以實時監控糧倉內各個采樣點的參數值，并能設定閾值，當溫度、濕度、有害氣體濃度等超過設定值后，會通過中繼器發送指令給執行器.執行器設計為標準接口，包括繼電器接口、485接口等.

　　2 硬件設計

　　2.1 采集器設計

　　采集器的處理器選用STC15W4K60S，5 V供電.參數收集采用“1—N”的模式，多點的數據匯總到一個中繼節點.采集器和中繼器之間的數據匯總可以根據現場環境選擇大功率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的數據接口，便于后期擴展使用，包括485接口、4～20 mA接口和IO接口.

　　采集器的整體結構如圖1所示.傳感器是一種能夠感受規定的被測量、并按照一定規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置.[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.采集器定時采集相關溫濕度及空氣信息，并將數據傳遞給中繼器，并由中繼器上傳給遠程服務器.數據傳輸選擇WIFI傳輸、433 M大功率無線傳輸和485傳輸.單片機最小系統電路的采集器處理器選用STC15W4K32S4系列單片機，兼容傳統8051類型機的指令代碼，寬電壓2.2～5.5 V供電，內部晶振可選，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輸出后送到單片機內部AD引腳.運放選用高精度低失調的OP07，由DIP封裝的TL431組成的高精度穩壓電源對運放供電，DIP封裝確保了散熱性能，散熱功耗達到1W.I/V電路要求輸入電流和輸出電壓滿足線性對應關系.轉換關系為V=-1.25+312.5I.R40，R41，R42組成負穩壓電源，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型三極管用于擴展輸出能力.R33是4～20 mA的I/V轉換電阻，由于運放的作用，這個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)用于對輸入電壓進行保護，防止干擾信號的串入.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轉換的結果，Vout=(1+R43R44×V5=-1.25+312.5Iin.為確保測量精度和系統穩定性，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.當糧倉現場網絡環境良好，可以選擇WIFI通信.糧倉無外接無線信號強干擾并且對通信距離有要求的前提下，可以選用大功率無線通信170 M.通信距離遠且無線干擾比較嚴重的情況下，則可以選擇485通信接口.可隨機測試，也可連續測試，抗干擾設計能提高系統精度和可靠性.[9]WIFI通信實測空曠地通信距離為100米，最大發射功率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，通過單片機串口和E103-W02實現通信，完成配置及數據收發.

　　RS485總線是串行總線標準，采用平衡發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)實現總線端和控制端的隔離，同時控制端和總線端的電源通過DC-DC器件B0505S-1W實現隔離，確保總線中的干擾不會影響到控制系統.485總線端A，B引腳分別通過R96，R97電阻上、下拉，確保485無數據收發時，總線端的干擾會造成數據誤接收.D30，D31和D32是6.8 V鉗位二極管，用于保護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 中繼器設計

　　現場采取1-N的布網模式，采集器的數據匯總到一個中繼節點，再由中繼節點通過以太網將數據上傳到遠程PC端.中繼器的結構見圖5.中繼器采用有人物聯網公司生產的USR-TCP232-T2物聯網串口以太網模塊，實現RJ45網口與TTL 串口之間直接的數據透明傳輸設備，無需單片機驅動，其內部搭載M0系列處理器，運行速度快、效率高、低功耗、體積小.模塊在透明傳輸過程提供TCP和UDP傳輸協議可供選擇，方便用戶根據需要選用.

　　3 軟件設計

　　系統分為三層結構：底層采集執行器，中間傳輸層，上位機.整個系統傳輸協議采用工業級MODBUS協議.底層采集執行器在糧倉內部，實時采集糧倉內部環境參數和糧堆溫濕度參數，通過WIFI、485或無線傳送到中繼器.執行器接收到中間層執行命令，控制糧倉內的加熱爐和鼓風扇.中間傳輸層接收到底層采集到的數據，存放在緩存區.當上位機發送讀取命令時，通過以太網回傳數據，同時，接收寫控制命令，下傳到底層采集執行器，控制糧倉設備.上位機由Java編輯開發，在數據傳輸協議中采用TCP協議，TCP三次握手，保證數傳輸過程的可靠性.當上位機發送讀取命令后，收到中繼器回傳的數據，進行解析.上位機可以手動控制糧倉內部設備，也可以設置參數自動控制設備開啟.上位機在顯示實時數據的同時還可以查看往期數據記錄.

　　采集器軟件代碼主要負責環境參數的采集與上傳，進行ADC轉換得到具體數值，溫濕度環境參數由DHT11模塊采集數字量輸出，無需ADC轉換.當采集器接收到查詢命令后，將BUFF中的數字上傳到中繼器.上位機軟件由Java編程語言實現，系統分為三個模塊：數據庫設計、人機界面設計和通信設計.人機界面用于顯示糧庫內2D監測圖，各個點的實時參數監測.采樣的數據定時存儲在數據庫中，通信支持TCP協議，數據交互通過socket包完成.

　　4 總結

　　設計了一款基于物聯網的糧庫糧情監測系統，可以完成現場糧堆及糧庫環境的測量，通過中繼器上傳到遠程PC端.PC端可以通過三維模型監測到糧倉內各個點的參數，通過自動或手動方式控制鼓風機、冰箱、加熱器和加濕器，用于保證糧倉內環境的穩定.該系統已在合肥某糧庫內試運行半年多，提高了糧庫監測的效率，減少了人力.

　　參考文獻

　　[1]周慧玲，甘典文，王智威，等.基于ARM/GPRS/ZigBee技術的無線糧情監控系統的設計與實現[J].測控技術，2011(2)：11-15.

　　[2]孫茜莉.基于ARM9的糧倉環境監測系統關鍵技術研究與實現[D].長沙：湖南大學，2013.

　　[3]段天浩.糧情無線監測系統的設計與研究[D].合肥：安徽大學，2016.

　　[4]林澤.分布式無線糧情監測系統的設計與應用[J].電子工程師，2008，37(7)：71-73.

　　[5]李理，劉柯岐.基于Zigbee的糧倉分布式傳感器網絡[J].兵工自動化，2008，27(9)：63-64.

　　[6]鐘志杰.基于“云外包”模式的糧情測控系統設計與實現[D].合肥：安徽大學，2014.

　　[7]胡 毅，林其斌，黨小宇，等. 金屬應變片電阻傳感器測量性能分析[J]. 牡丹江師范學院學報：自然科學版，2018(4)：35-38.

　　[8]楊坤，李文娟，杜坤梅.基于DSP的多級油泵測控系統[J].寧波職業技術學院學報，2008，12(2)：6-10.

　　[9]寧麗娟，張殿甲，畢鳳可，等. 基于C8051F單片機動態測流系統平臺的設計[J]. 牡丹江師范學院學報：自然科學版，2012(3)：11-12.