粮食科技物流中心温湿度监控系统的设计

陈 洁，王恩亮

（江苏信息职业技术学院 电信系，江苏 无锡214153）

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

图1 系统总体结构

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]。

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。

图2 仓房控制系统

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

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。

图3 智能测量与控制节点

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。

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：

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：

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。

图4 STC10F04硬件接口

图5 SHT71测量时序

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：

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。

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。

3.3 数据管理层软件设计

图6 数据采集程序流程图

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。

图7 仓房某点温湿度监控窗口画面

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。

[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.sensirion.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.