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粮食科技物流中心温湿度监控系统的设计
2014年微型机与应用第14期
陈 洁,王恩亮
江苏信息职业技术学院 电信系,江苏 无锡
摘要: 在分析粮食科技物流中心的发展趋势的基础上,提出了一种基于SHT71的分层结构的温湿度监控系统,介绍了监控系统的网络结构。该系统以数字式温湿度传感器SHT71和STC单片机构成智能化的监控节点,结合触摸屏、GPRS模块构成仓房分布式监控系统实现温湿度的远程多点监控。对智能传感器节点电路及软件进行了设计,给出了详细的框图、程序流程图和组态画面。
Abstract:
Key words :

  摘  要: 在分析粮食科技物流中心的发展趋势的基础上,提出了一种基于SHT71的分层结构的温湿度监控系统,介绍了监控系统的网络结构。该系统以数字式温湿度传感器SHT71STC单片机构成智能化的监控节点,结合触摸屏、GPRS模块构成仓房分布式监控系统实现温湿度的远程多点监控。对智能传感器节点电路及软件进行了设计,给出了详细的框图、程序流程图和组态画面。

  关键词: 传感器SHT71;STC单片机;分布式控制

  粮食的安全储藏是一个国家的重大战略决策,我国也不例外。自20世纪末,国家逐步增加粮食储备数量, 但是大部分粮库的现代化程度较低,致使粮食储藏期间品质劣变快,常见现象为结露、发热、霉变等。而先进的粮库储粮监测技术是科学储粮的关键技术之一。网络共用、数据共享、设备联动、作用互补和功能优化的一体化储粮新技术[1],是当前粮食储存技术的发展方向,更是现代化的粮食科技物流中心的发展趋势。

  温度和湿度是仓库环境的两个重要参数,以往温湿度检测系统多采用分离的传感器分别对温、湿度进行测量,再由A/D转换成数字信号。本文提出的系统采用数字式温湿度一体芯片SHT71, 能够一次性测量温度、湿度, 直接输出数字信号。由经济型的STC10系列单片机作为主控器,构成一个谷堆监测节点,SHT71采集的数据送至该节点。多个谷堆测量节点以485总线方式构成一个独立的仓房监测系统,管理员可以观测和控制某一个仓房,同时,每个仓房通过各自的GPRS模块以无线的方式上传数据至物流中心,管理部门可以通过Internet实时监测有关数据,实现粮仓的现代化管理。

  1 系统总体结构与工作原理

  粮食科技物流中心温湿度监控系统采用混合网络拓扑(分层)结构,组网灵活[2],系统架构如图1所示。系统主要包括数据采集层、数据管理层和数据共享层,系统能在无人值守时,实现物流中心数据的实时报送[3]。

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  2 系统硬件设计

  数据采集层由多个分布在不同地方、独立的仓房监控系统组成,彼此之间是相对平等和独立的,同时,各个仓房监控系统之间又是有联系的,通过Internet网络,仓房之间能够进行信息的交互。每个独立的仓房监控系统包括上位机(触摸屏)、智能传感器节点、GPRS模块。本设计采用基于RS485总线分布式智能控制系统,结构如图2所示。

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  2.1 仓房控制系统

  分布式控制系统(DCS)是利用计算机技术、控制技术、通信技术和显示等有关技术实现对生产过程的集中管理和分散控制[4],即实现系统管理的集中性和控制的分散性。本系统采用总线型结构,所有节点通过接口接到一条总线上,每次仅允许一个节点发送数据,所发数据可以同时被所有节点接收,通过地址设定的方式,每个节点接收指定节点的数据。

  各部分主要功能如下:

  智能测量与控制节点:负责现场温、湿度的采集与实时控制。根据触摸屏通过485总线下传的该点温度、湿度控制值进行温度、湿度调节,并实时将温度、湿度信息、控制信息等经过GPRS模块上传给数据管理层的控制计算机[5]。

  触摸屏:充当工控机完成各个测量点的温度、湿度的实时显示及控制,具备一定的数据处理能力,进行数据统计和分析,并可以完成温湿度控制曲线的生成。触摸屏选用昆仑通态触摸屏TPC7062K[6],它是一套以嵌入式低功耗CPU为核心(主频为400 MHz)的高性能嵌入式一体化工控机,采用高亮度TFT液晶显示屏,具有一个RS485通信口,一个RS232通信口。RS232通信口用于连接GPRS模块,RS485通信口连接多个智能节点。采用MCGS嵌入版组态软件进行组态,完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制。

  GPRS模块:为数据采集层和数据管理层之间建立通信链路,实现无线数据通信[7]。GPRS模块选用天同诚业的WG-8010 GPRS DTU,其内置工业级GPRS无线模块[8],提供标准RS232/485的数据接口,一次性初始化配置,全透明传输数据,支持报文模式,需要配置ID号。

  仓房监控系统工作原理:每个智能节点采集到相应粮堆的环境参数(温度和湿度),上传至STC10系列单片机,单片机可以控制相应的器件使空调工作,或启动除虫装置,同时数据经485总线送至充当工控机的触摸屏,并由触摸屏驱动GPRS模块向数据层发送数据。

  2.2 智能测量与控制节点设计

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  智能传感器节点的结构图如图3所示,控制器选用性价比较高的STC10F04单片机[9],STC10F04是增强型的8051CPU,1T/机器周期,指令完全兼容8051;5.5 V~3.8 V/3.3 V工作电压;工作频率为0~40 MHz;36根I/O口线;2个DPTR;双倍速模式;2个定时/计数器;1个看门狗定时器WDT;2个增强全双工串口UART等。

  温湿度传感器SHT71是高度集成的数字式一体化芯片[10],响应时间快、精度高(在25 ℃时温度精度为±0.40 ℃,相对湿度精度为±3.0%)、可编程设置测量分辨率(湿度8/12 bit,温度12/14 bit)。

  本系统设定传感器的测量分辨率为:湿度8位、温度12位,分别对应O.5%和0.04 ℃的测量分辨率,既能满足测量要求,也能实现测量节点超低功耗设计。

  STC10F04单片机与SHT71的硬件接口、与75176构成485总线的硬件接口如图4所示。

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  测量时序如图5所示[10]:STC10F04单片机发起启动传输时序(TS)、通过DATA线发起测量命令(“00000101”—测量相对湿度;“00000011”—测量温度)、SHT71返回一个低电平作正确接收应答、等待测量结束、测量结束(SHT71拉低数据线为低电平);SHT71的数据线向外发送数据;STC10F04单片机接收高字节并应答(ACK)(一个低电平)、低字节接收并应答(一个低电平);SHT71的数据线向外发送CRC-8校验数据,单片机确认ACK信号并保持为高电平,通信结束,SHTXX自动转入休眠状态[10]。

  其中,TS为传输启动,Checksum为CRC-8校验和。

  为将传感器输出的数字量转换为直观的物理单位量,需进行数据转换处理。

  SHT71传感器的温度输出可用式(1)将数字量输出转换为温度值:

  T=-40 ℃+0.04·SOT(1)

  其中,SOT为SHT71的12位数字温度输出。

  湿度输出与温度有关,采取补偿方法以获取准确数据:

  RHlinear=-4+0.648×SORH-7.2×10-4×SORH2(2)

  其中,RHlinear为25 ℃时的实际相对湿度,SORH为25 ℃时8位数字相对湿度值。

  由于实际温度与25 ℃有差别,使用式(3)进行补偿修正,修正后的相对湿度值为RHtrue:

  RHtrue=(T-25)×(0.01+0.00128×SORH)+RHlinear(3)

  3 软件设计

  3.1 智能节点数据采集程序设计

  软件设计成低功耗方式,每隔5 s检测一次数据,温湿度测量结束后,等待上位机的通信请求,根据上位机要求向触摸屏发送数据。SHT71内部集成了循环冗余校验电路,在传送信息时,SHT71根据所发信息的内容计算出一个CRC值,同样,接收方也用相同的方法计算出一个相应的CRC值。比较两个CRC值,若一致,则确认信息传送正确[11];否则,丢弃,再发。其数据采集程序流程图如图6所示。

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  3.2 触摸屏设计

  通过对系统的分析,在本系统中,依靠MCGS(嵌入版)组态软件设计组态画面,实现对系统的操作与监控。图7为某仓房某个检测点的效果图。其中左边的组态是调温除湿机组的组成及工作情况,右边矩形框是对温湿度参数及曲线、报警进行组态。

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  3.3 数据管理层软件设计

  数据管理层采用性能较好的PC作为数据服务器,实现以下功能:

  (1)数据中转服务器[7]:与数据采集层的下位工控机进行数据通信,把下位工控机的相关信息传送到数据库;

  (2)数据库服务器:科学地组织各种数据信息,为中转服务器和Web服务器服务;

  (3)Web服务器:为各仓房之间提供数据交互平台, 对外发布数据, 实现信息共享。

  管理层的服务器监控程序可由MCGS(嵌入版)组态软件的通用版完成,主要负责数据处理、报表分析和发送控制命令。

  本文详细阐述了温湿度的监测与混合网络拓扑(分层)结构组网方式,具有结构简单、数据准确、调试方便、控制可靠的特点。结合组态软件能够清晰地检测与控制仓房的温湿度,方便地采集各个仓房的存量数据,便于管理与流通,为现代化的粮食储藏、流通提供了实用的软硬件设计参考。

  参考文献

  [1] 通讯员.粮食储备“四合一”新技术研究开发与集成创新[J].粮食储藏,2011(2):3-6.

  [2] 梁焕焕,熊庆宇,石为人.基于无线传感器网络的水质在线监测系统研究[J].传感器与微系统,2011,30(5):149-151.

  [3] 廖海洋,杜宇,温志渝.嵌入式多参数微小型水质监测系统的设计[J].电子技术应用,2011,37(1):36-39.

  [4] 郝铭,刘景泰,卢桂章.基于RS485总线分布式智能控制系统的设计与实现[J].自动化与仪表,2005,20(2):23-24.

  [5] 刘晋,杨一晨,郭健.嵌入式智能家居监控系统的设计与实现[J].微型机与应用,2012,31(19):24-27.

  [6] 北京昆仑通态自动化软件科技有限公司.昆仑通态选型手册[S].2011:4-6.

  [7] 周明,黄作维.基于GPRS技术的生态环境监测系统设计[J].计算机测量与控制,2010,18(5):987-989.

  [8] 天同诚业.COMWAY WG-8010 GPRS DTU使用手册Version1.2.0[S].2011:5-6.

  [9] 宏晶科技公司.STC11/10用户手册[S].2004:1-18.

  [10] The sensor company.SHT1x/SHT7x Relative Humidity & Temperature Sensor System[EB/OL].(2007-08).http//www.sen-sirion.com/.

  [11] 黄继雄,陈仔俊,莫易敏,等.新型SHT71温湿度传感器的数据通讯校验[J].控制工程,2005,12(1):64-66.