港口仓储库房无线温湿度监测系统研究

张斌

摘要：该研究了目前仓储库房室内温湿度监测的发展状况，结合无线传感网络技术和环境温湿度监控相融合的理念，根据港口仓储库房对室内温湿度控制的实际需求，设计了以Arduino为核心的温湿度信息采集系统，实现了通过温湿度传感器对仓储库房室内的温度和湿度参数进行实时测量和采集，并通过GPRS进行无线传输，在远程监控中心实现对港口仓储库房室内温湿度状况的进行实时监测。

关键词：无线传感网络；温湿度传感器；GPRS

中图分类号：TP368 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）03-0255-03

Study of the Port Warehouse Wireless Temperature and Humidity Monitoring System

ZHANG Bin

（Department of Electrical Engineering， Qingdao Harbor Vocational & Technical College， Qingdao 266404， China）

Abstract： This paper studies the current state of development of the storehouse of indoortemperature and humidity monitoring，combined with the concept of integration of wireless sensor network technology and environment temperature and humidity control， according to port warehouses on the actual demand of indoor temperature and humidity control， the design of the Arduino for the core temperature and humidity data acquisition system， the realization of the by temperature and humidity sensor of warehouse indoor temperature and humidity parameters for real-time measurement and acquisition and through GPRS of wireless transmission and in the remote monitoring center to realize for port storehouse of indoor temperature and humidity condition in real time monitoring.

Key words： wireless sensor network； temperature and humidity sensor； GPRS

1 研究背景

青岛港位于我国山东半岛的胶州湾内，目前主要从事集装箱、铁矿、煤炭、粮食、原油等大宗进出口货物的装卸运输服务，同时纸浆、棉花等货物也是青岛港每年进出口的主要的大宗货物，由于沿海城市的气候常年多雾、空气湿度较大的特点，也给纸浆、棉花的货物的仓储带来了新的问题，也就要求提供一个温度、湿度相对稳定的仓储场所来存储这类货物。本文依此为出发点，提出运用无线传感技术实现港口仓储库房温湿度的监测，进而达到货物的有效存储的目的，最大限度的减少存储纸浆、棉花等这类货物时给港口和业主带来的不必要的损失。

目前市面上众多温湿度采集监控系统中，在数据传输上通常采用的是有线的传输，这样就需要大量的数据连接线来实现异地或远距离的数据传输，有时甚至需要铺设专用的数据电缆线。在采用有线的数据传输，很容易受到地理位置、传输的距离、信号的抗干扰性以及投入成本等诸多方面因素的制约，有时效果也不明显。现如今无线通信技术的快速发展在远程无线数据的传输的到了非常广泛的应用，无线通讯技术无需架设专用的通讯线路，同时组建网络容易、不受地理条件和空间环境的限制，传输的距离和抗干扰性能得到大大的改善。本文阐述运用无线通信技术，将港口仓储库房的实时温湿度监测和无线数据传输紧密融合在一体，实现一种全新的温湿度无线数据传输、控制理念[1]。

2 系统组成

本系统共分为五大模块：分别为实时温湿度监测模块、数据信息采集模块、无线数据发送模块、无线数据接收模块和数据终端处理模块。通过温度传感器对实时温度进行检测，将监测到的温度参数送至微处理器进行信息采集，通过无线发射和接收模块对采集到的信息进行发射和接收，实现数据的远程无线监测[2]。系统框图如图1所示。

图1 系统总体设计框图

3 硬件系统设计

港口仓储库房的无线温湿度无线监控系统的硬件设计主要完成实时温度、湿度信息采集模块，无线数据发送模块、无线数据接收模块的硬件电路设计。

3.1 温度信息采集

目前，多种新型检测原理与技术在温度检测领域中取得了重大的进展，根据温度检测方式的不同，可将温度检测分为接触式检测和非接触式检测。接触式温度检测原理是感温元件直接和被测对象进行接触，两者通过直接的热传递进而实现热平衡，达到温度检测的目的，如体温计。对于接触式温度检测其检测温度的精度相对较高，但会因接触不良使温度检测误差加大等现象，同时对于被测对象具有较强的腐蚀性或温度过高，对于感温元件的性能和使用寿命要求也就越高。

非接触式温度检测感温元件与被测对象不直接接触，通过与被测对象的热辐射能来实现热能交换，从而检测出被测对象的温度。非接触式温度检测具有热惯性小，不受空间位置限制等特点，应用广泛。

本文采用非接触式温度检测方法实现仓储库房温度信息的采集，感温元件采用的是美国DALLAS公司推出的增强型单总线数字温度传感器DS18B20[3]。该温度传感器具有总线独特、体积小、经济适用等特点，能够方便的组建传感网络，为温度测量系统的构建引入全新的设计理念。该温度传感器可以实现“一线总线”的数字方式传输现场实时温度，提高了温度检测系统的抗干扰性。同时较低的供电电压范围，使系统设计和实现更灵活、可靠。本文采用DS18B20传感器组建传感器网络，进行多点温度检测，在一条数据总线上串接多个温度传感器器件。图2所示为由温度传感器DS18B20构成的多点温度检测网络。

图2 由DS18B20构成的测温传感网络

3.2 湿度信息采集

本系统研究的港口仓储库房存放的货物对象为纸浆、棉花等货物，对于这类货物对库房室内湿度要求在控制在35-55%RH，室内湿度过高货物容易变酶、腐烂，仓储库房室内湿度过低这造成空气干燥，纸浆等货物容易变干、易碎，不易存储。通过选用湿度传感器HS1101对库房湿度进行采集检测，更加实时、精确的反映出库房的湿度信息。

本系统运用电容传感器HS1101在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大的原理实现湿度的测量。将电容容量的变化量能够准确地转换为容易识别的电信号，通常有两种方法可以实现：一种方法是通过湿度传感器与桥式振荡电路构成转换电路，将桥式振荡电路所产生的正弦交流信号经过整流电路、放大电路、模/数转换电路后转换为数字信号进行输出；另一种方法是利用湿度传感器与集成555定时器构成振荡电路，将电容的容值的变化转为与之成反比的电压信号进行输出 [4]。本系统通过采用第二种方法，将湿度传感器HS1101置于由集成555定时器构成的振荡电路中，通过频率与电容容值的对应关系式，通过测量出555振荡器的输出信号频率，进而测量出被测室内环境的湿度。图3所示由HS1101湿度传感器构成的测量网络。

图3 由HS1101构成的湿度测量网络

3.3 无线数据发送与接收

在经过采用温度传感器和湿度传感器对港口仓储库房室内的温湿度数据信息进行采集存储后，要通过无线传输模块将采集到的数据信息发送到远程监控中心。无线通讯模块选择的是串口GSM/GPRS无线模块扩展板，该模块是一款功能非常强大的手机通讯模块，可以实现与PC机或单片机进行远距离无线通信，同时可快速、可靠地实现数据、指令的无线传输以及手机短消息服务，也适合远程控制开发，如无线抄表技术、智能家居以及超远距离控制等[5]。

4 数据终端处理

温湿度传感器集到的数据经过无线通信模块传输到远程的上位机监测中心，发送的数据需要在上位机上进行数据接收、处理、分析，下面主要对数据管理软件的设计和应用进行阐述。

港口仓储库房无线温湿度监控系统的远程终端监控中心的PC机的数据管理软件采用的是LabVIEW编写而成。LabVIEW提供了一个非常直观的可视化操作平台，其简单易懂的图形化的G语言形式代替了复杂的程序命令的编写，进而提高了系统软件开发的效率，方便快捷的实现测量系统的开发，操作界面更加人性化方便人机互动[6]。数据终端处理模块基于LabVIEW的模块化设计思想，主要由数据采集与显示、数据处理、数据存储等模块，使用者可以通过鼠标在界面上操作，便可以实现对采集来的温度信息进行显示、打印、保存、设置等操作，十分方便。图4为数据终端监控系统控制面板。

图4 监控系统控制面板

5 系统的干扰和抑制

在数字系统中，信号在高低电平的转换过程中会产生很强的冲击电流，同时在传输线路上以及供电电源的内阻上会产生很大的电压降，对系统的电源造成强烈的干扰，所以对于稳定的供电电源是该温湿度监控系统能否正常工作的前提条件[7]。为了抑制此类干扰信号，在电路的集成芯片的电源端和接地端外加退耦电容，一方面电路中器件产生的高频噪声干扰信号可以通过退耦电容进行滤除，另一方面利用退耦电容来吸收集成芯片工作过程中产生的瞬间开关门电能量，进而为系统提供稳定的电源，提高系统的稳定性。

同时在该系统PCB板设计过程中，又要考虑整个PCB板的设计能否符合抗电磁干扰的设计原则，不仅要考虑元器件的选择还要考虑到整个线路板的元器件布局和布线安排。对于元件的布局我们遵循同一单元模块的元器件尽可能的放在一起的原则，如本系统中采用的Arduino处理器的时钟电路要尽可能靠近该芯片，避免布线过长产生干扰信号影响系统的时钟信号。同时，通过对PCB板进行整板铺设铜膜的方法，用于屏蔽外界的干扰源，对于提高PCB板的抗干扰能力起到至关重要的作用。

6结束语

对港口仓储库房室内温湿度的有效监控，一方面可以改善以往温湿度监测的方法和手段，通过远程无线自动监控，降低了劳动成本，减少了港口和业主双方的不必要损失。另一方面，本系统具有也具有较强的代表性和可移植性，不仅仅用于港口仓储库房的温湿度信息采集，同时也可以应用到文物档案馆藏、温室大棚、水产养殖以及远程燃气泄漏报警的无线监控、远程车辆耗油量的无线监测等等，具有非常广泛的应用，同时也具有很大开发潜力和市场应用价值。

参考文献：

[1] 李凤保， 古天祥， 陈光禹. 网络化测试系统研究及其面向对象设计[J]. 电子测量与仪器学报， 2001（4）： 64-68.

[2] 毕卫红， 陈鑫. 基于GSM的智能温室监测系统[J]. 电子测量技术， 2009， 34（3）： 114-116.

[3] Dallas Semiconductor Corporation.DS18B20 Programmable Resolutional 1-Wire Digital Thermometer[Z]. Product Datasheet， 2002

[4] 张萍， 黄增双. 基于555定时器的数字化测湿方法的研究[J]. 自动化技术与应用， 2006， 26（9）： 106-107.

[5] 田小辉， 李明远， 田昕. 基于GPRS的远程无线透传终端系统的设计与实现[J].现代电子技术， 2005， 28（4）： 97-99.

[6] 雷振山， 魏丽， 赵晨光， 等. LabVIEW高级编程与虚拟仪器工程应用[M]. 北京： 中国铁道出版社， 2009.

[7] 朱祥贤， 葛素娟. 单片机应用系统的抗干扰技术[J]. 现代电子技术， 2007， 205（11）： 151-153.