籽棉温湿度监测系统设计

■ 吴国新 徐守东

〔安徽财经大学棉花工程研究所，安徽蚌埠233041〕

籽棉温湿度监测系统设计

■ 吴国新 徐守东

〔安徽财经大学棉花工程研究所，安徽蚌埠233041〕

一、引言

我国大部分的棉花加工企业，在棉花收购和加工期间，籽棉均采用堆垛储存。棉花加工企业从籽棉收购后堆垛到完成棉花加工生产，所需时间因籽棉的收购量、生产能力的差异，通常需要1个月，长的可能需要5～6个月时间。

在籽棉收购过程中，受到收购季节、气候或人为因素的影响，有时籽棉的回潮率会大于国家标准规定值。籽棉堆垛后因籽棉回潮率过高引起棉垛内温度升高，导致籽棉品质变异，甚至引起自燃。

近年来新疆棉区大力推广机采棉，而机采棉中叶屑等杂质的含量远高于手摘棉，机采棉的回潮率也高于手摘棉。

为了正确、及时地检测籽棉品质，使籽棉采后不受损失，研究籽棉垛内温湿度变化与内在品质变化的机理，棉花加工企业迫切需要研发一种棉垛内籽棉温湿度监测系统。在此背景下，笔者通过研究籽棉安全储存机制，开发了一套籽棉垛内温湿度监测系统。从科学的角度确定籽棉安全储存环境条件，实时监测籽棉品质，对我国棉花采后的籽棉安全、减损具有重要作用。

二、籽棉温湿度自动监测系统的构成

籽棉温湿度监测系统由监测发射机、接收机、中继装置、计算机及软件等构成。如图1所示。

监测发射机安置在棉垛内，微处理器控制温湿度传感器测量籽棉垛内的温湿度，并将测量结果通过无线数据传输模块发射出来，供接收装置接收。

接收机放置在监控室内，接收籽棉垛内的温湿度测量数据，将接收数据显示并发送给计算机。

为了增加传输距离，适应棉花加工企业生产的要求，笔者设计了中继接收发送装置，通过中继装置接收发射机发出的测量数据，并按照通讯协议发送所接收到的测试数据，使得测量数据能够进行远距离传输。

计算机和软件完成测量数据的存储、检索、打印和报警等功能。

三、籽棉温湿度监测系统的设计

1.发射机的设计。

发射机由微处理器、温湿度传感器和无线数据传输模块构成，如图2所示。在微处理器的控制下，对传感器周围的温湿度数据进行采集，并通过无线数据传输模块将数据发射出去。

（1）微处理器的选择。

由于棉花加工企业电磁干扰严重，测量环境比较恶劣，我们选用了TI公司的MSP430F系列单片机。MSP430F系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器（Mixed Signal Processor）。由于其针对实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案，因此，该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中。

在发射机内，笔者选择了MSP430F2131，它是一款超低功耗MCU，在1.8～3.6 V的工作电压范围内性能高达16 MIPS。其超低功耗主要表现在以下几个方面：0.1 μA RAM保持模式、0.3 μA待机模式（VLO）、0.7 μA实时时钟模式、220 μA/MIPS工作模式、在1 μs之内超快速地从待机模式唤醒。

（2）温湿度传感器的选择。

在籽棉温湿度监测系统发射机的设计上，笔者针对棉花加工厂籽棉垛货场的情况，采用低功耗的器件，使用电池供电，在整个棉花加工季节都能正常工作，对籽棉垛内部的温湿度进行实时、有效的监测。

在温湿度测量传感器的选择上，通过大量的对比试验，确定使用瑞士SENSIRON公司的SHT11数字温湿度传感器。它是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，该传感器具有很高的可靠性和长期稳定性。传感器集成了1个电容式聚合体测湿元件、1个能隙式测温元件、1个14位的A/D转换器以及串行接口电路。其主要参数如表1所示。

表1SHT 11参数

从表1的数据和实验室验证数据的结果上看，以上参数能够满足棉花加工厂的环境测试要求。

（3）微处理器与温湿度传感器的硬件接口设计。

微处理器MSP430F2131与温湿度传感器SHT11硬件的连接如图3所示。

微处理器MSP430F2131引脚P1.6、P1.7分别与温湿度传感器的DATA和SCK相连，其数据线DATA为三态门，所需要的上拉电阻通过设置MSP430F2131内部的上拉电阻开关为开而获得。在抗干扰设计上，要做好电源滤波和信号线之间的屏蔽措施。

（4）温湿度传感器的读写程序。

数字温湿度传感器SHT11的读写程序框图如图4所示。

（5）无线数据传输方式的硬件设计。

考虑到传输的可靠性，笔者采用了Nordic公司的NRF905数据传输芯片。NRF905可以自动完成处理字头和CRC（循环冗余码校验）的工作，可由片内硬件自动完成曼彻斯特编码/解码，使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便，其功耗非常低，以-10 dBm的输出功率发射时电流只有11 mA，在接收模式时电流为12.5 mA。NRF905单片无线收发器工作由1个完全集成的频率调制器、1个带解调器的接收器、1个功率放大器、1个晶体震荡器和1个调节器组成。ShockBurst工作模式的特点是自动产生前导码和CRC，可以很容易通过SPI接口进行编程配置。

微处理器MSP430F2131与无线数据传输模块NRF905的硬件连接如图5所示。

（6）发射机的软件设计。

发射机在上电完成传感器和无线发射模块的自检后，即进入休眠模式。微处理器每隔1 min进入唤醒状态，自动对温湿度数据进行读取，并通过无线数据传输模式发送出来。其工作过程如图6所示。

为了适应棉花加工厂强电磁干扰的工作环境，在发射机软件设计上设置启动了单片机的内置看门狗电路，同时，为了提高工作的可靠性，又外置了一个看门狗电路，以保证发射机能够长期有效地对籽棉监测，保障籽棉品质的安全。

为了使接收机可靠接收，在发射机软件设计中，采用了软件防数据碰撞措施。

（5）发射机封装设计。

为适应不同地区、不同棉垛的堆垛形式，笔者采用外径分别为Φ21 mm和Φ32 mm两种硬质铝合金管封装，以满足不同籽棉垛测量时布装深度的要求，其外观如图7所示。

传感器置入籽棉垛内，其周围的小孔使得棉垛内部的空气进入传感器周围。内部的单片机控制传感器测量棉垛内部的温湿度数据，并控制无线数据传输模块将其发送出去。

2.接收机的设计。

在接收机的设计上，重点是抗干扰和高可靠性。

针对棉花加工厂电机多、电磁干扰严重等特点，针对接收机使用220 V交流电作为电源的情况，在抗干扰和电磁兼容性上主要采取的措施为：一是在电源的选择上采用安全可靠的电源；二是采用直流隔离措施，在AC/DC之后再采取DC/DC隔离电源；三是采用硬件看门狗，使仪器能够在遇到干扰情况下重新复位，保证仪器正常工作；四是在软件上采取冗余措施，保障仪器正常工作。

（1）接收机的硬件设计。

接收机的硬件构成如图8所示。

微处理器采用了MSP430F149低功耗处理器，以满足不同供电场合的需要。

MSP430F149是一种新型的混合信号处理器，采用了美国德州仪器（Texas Instruments）公司最新低功耗技术（工作电流为0.1～400 pA），它将大量的外围模块整合到片内，特别适合于开发和设计单片系统。

其主要具有如下特点：低电压、超低功耗；内部具有12位的模数转换器（ADC12），可以得到很高的精度，省去了使用专门的模数转换器给设计电路板带来的麻烦；拥有大容量的存储空间。存储器空间多达60 k Flash ROM和2 k RAM；两通道串行通信接口，可用于与计算机进行异步或同步串行通信；硬件乘法器独立于CPU进行乘法运算的操作，在提高乘法运算速度的同时也提升了CPU的利用效率。

接收芯片采用NRF905单片数据传输芯片。

显示器件采用液晶显示模块，为了适应不同供电方式的要求，笔者采用了低功耗的单色图形液晶显示模块。

（2）接收机的软件设计。

接收机的工作流程如图9所示。

接收机开机完成复位后，对外围芯片和模块进行自检，包括实时时钟芯片DS3231、铁电存储器FM24CL04、数据存储器AT45DB041、液晶显示模块等，在完成自检和NRF905模块参数设置后，接收机进入接收状态，当接收机接收到测量数据时，将其送液晶显示器显示并扫描有无键盘服务要求。

在时钟中断程序中，完成接收数据的存储、时钟的显示、RS232通讯口数据的发送等。

接收机键盘功能主要完成的任务有：时间设置、存储数据的显示、存储数据的清除、存储数据的通讯等。

3.中继装置的设计。

棉花加工厂货场形式多样，为了增加数据传输距离和信号传输的可靠性，针对棉花加工厂棉花露天堆放、不能布线的特点，笔者设计了一款中继接收装置，将棉垛内温湿度测量数据接收后发送出去。中继接收装置采用太阳能电池供电方式进行工作，将棉垛内测得的数据进行二次发射，如图10所示。

对于接收装置离棉垛较远，货场面积较大的企业，可以通过增加接收装置来提高数据的有效传输距离。

信号中继站内置一块12V12A·h铅酸电池，白天和晴天由太阳能电池板给铅酸电池充电，晚上和阴雨天则由铅酸电池供电，一般一次充电即可以满足连续7 d左右的系统工作需要。

由单片机控制的数据收发模块处于接收状态，当它接收到棉垛内温湿度的测量信号时，将其发送出去。为了增加发送距离，采用大功率数据传输模块。

四、小结

籽棉棉垛温湿度监测系统经现场使用，对监测籽棉垛内的温湿度状况、防止籽棉品质变异、保障籽棉安全、提高棉花采后效益均有较大的作用。

籽棉垛温湿度监测仪器标准化研究（ACJD1203）籽棉垛温湿度监测点布局及置入方式研究（ACJD1202）资助项目安徽财经大学2012年度基地招标项目课题