无人值守粮食仓储电子系统的研究设计

(天津市经济贸易学校，天津 300381)

一、系统研究背景

所谓“民以食为天”，我国是农业大国，也是粮食消费大国。通过查阅文献资料我们得知：我国粮食在收获、存储、运输、加工、销售等环节中，单单存储过程的损失就约为4%，约占损失总量近四分之一，因此,研究设计现代化粮食仓储电子系统具有重大意义。在我国，早期的传统温湿度测量是将粮仓的温湿度计进行挂起，通过对粮仓温度和湿度的读数来了解粮仓的实际温度和湿度，属于人工操作为主的监测，耗费大量人力物力，但效率低，准确性差，说明我国粮食信息基础设施建设投入不足,缺乏网络平台建设,因此,就需要有一种智能监测系统对粮仓的温度、湿度、气体成分等参数进行监测。本文基于宏晶公司的STC系列STC89C52芯片，将粮仓内的温度、湿度、以及空气中气体成分情况利用相对应的传感器进行监测，将监测结果与设定范围值进行比较，超出范围的时候自动报警，并将报警信号利用TC35模块无线传输到粮仓管理员处，使管理人员在不进入粮仓的情况下就可以了解粮仓内的状况，及时进行通风、降温、除湿等调控措施，有效提高了工作效率,增强了粮仓存储安全,使粮仓的内部得到实时监控管理,实现自动化、智能化，形成一个小型物联网系统。

二、具体模块方案设计

设计温度采集监测模块时，一开始考虑了负温度系数的热敏电阻和数字温度传感器DS18B20两种方案，两种方案的原理框图如图1所示。

方案一

方案二

图1 两种方案的原理框图

对比两个方案，很明显方案二在电路结构上更为简单，而方案一中选用的热敏电阻由于输出信号是模拟信号，所以必须经过A/D转换电路，使得线性度不够好，测量误差增大，而方案二中的DS18B20接口电路简单，功耗低，抗干扰能力强，测量精度高。所以采用第二方案作为本设计的温度采集模块。DS18B20有两种供电方式，采用寄生电源方式进行供电时，引脚VDD必须接地，由I/O引脚为DS18B20提供电源电流。当VDD引脚接外部电源，直接为DS18B20提供电流时，这种供电方式而被称作外部电源方式。寄生电源供电方式虽然可以直接利用VDD引脚，但当多个DS18B20同时挂在同一根I/O线上进行温度转换时，由于供电不能确定持续，转换精确度会明显受影响。所以根据本设计的需要，在搭建电路时，选取了外部电源供电方式。

设计湿度检测模块时主要考虑了DHT11和HIH-3610两款湿敏传感器，对比资源占用、测量精度和电源供电等方面最终选取了由Honeywell公司生产的集成式湿度传感器HIH-3610。该传感器主要由电容式高分子湿敏材料构成，湿度测量范围宽，精度高，有极好的线性输出。由于输出量为模拟量，所以在与单片机连接时需要设计一个A/D转换电路。本设计选取了ADC0832芯片作为该转换电路的核心元件。

设计气敏传感器模块电路时主要考虑预防火灾的发生，因此要选择一个能够检测液化气、苯、烷、酒精、氢气等多种气体的传感器。MQ系列气体传感器基于气体的吸附效应，通过改变传感器内部电阻的电阻率，进而改变电阻值，致使输出信号发生改变。表1中列举了MQ系列气体传感器检测气体种类及范围，通过对比，发现MQ-2型气体传感器检测气体种类更为全面，浓度测量范围更广，因此最终选择其作为该模块电路的核心元件。

表1 MQ系列气体传感器检测气体种类及范围

由于粮仓内部是一个复杂多变量的非线性时变环境系统，温度、湿度等参数随时间变化而变化，因此很难利用传统的控制方式建立精确的数学模型，所以在本设计中引入了模糊控制技术。“模糊(Fuzzy)”的概念起源于1965年美国加利福尼亚大学自动控制理论专家扎德(L.A.Zadeh)的一篇名为《Fuzzy Set》的论文。他提出用语言变量代替数值变量来描述系统的行为，使人们找到了一种处理不确定性的方法。模糊控制的工作过程分为三部分：1、将被控量某一时刻实测值作为输入量进行模糊化处理，变成模糊量；2、根据预先设定的模糊规则将这些模糊量进行模糊推理，得到输出模糊量；3、把输出的模糊量进行反模糊化，反馈给被控对象以完成被控对象的模糊控制。

本系统结合温度、湿度相对更好控制和调节的实际情况，设计了温湿度双输入变量的二维结构模糊控制器，选择高斯函数、梯形函数和钟形函数作为输入变量的隶属函数，通过模糊控制规则表进行模糊判决计算，把论域中全部温度、湿度组合计算的输出控制量。

经过模糊控制处理的采集信号，传递给控制单元电路，该电路的核心元件选用的是单片机STC89C52，是一款由STC公司生产的低功耗、高性能微控制器。具有经典的MCS-51内核，同时由于做了许多改进，使得芯片兼顾传统51单片机的优点以外还增添了许多新功能。STC89C52在0Hz状态也可以进行逻辑操作，空闲模式与掉电模式相比，RAM、定时器/计数器、串口、中断等都可以在CPU停止工作时继续工作。而当单片机处于掉电保护方式时，单片机在下一个中断或硬件复位之前，由于RAM内容被保存，振荡器被冻结，停止工作。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。其速度是传统51单片机的8-12倍，价格也较便宜。所以本设计采用该芯片作为系统的核心芯片。

当温度、湿度、气体浓度超出标准范围时，报警信号通过无线通信模块以短信的方式发送给粮仓管理者，从而真正实现无人值守的目的，在无线通信模块的选择上主要考虑基于GMS的通信模块。当前常见的GMS模块主要有西门子公司的TC35系列、法国Wavecom公司的Q24系列、爱立信的F35系列和中兴的ZXGM18系列等。几种模块都具有接口丰富、功耗低等优点，但从本系统设计角度考虑，西门子公司的TC35模块能更好的兼容STC89C52，并且具备国内无线电设备入网证，所以最终选用该系列模块作为本设计的无线通信模块。TC35系列是一款高度集成双频900/1800MHz无线通信模块，由德国SIEMENS(西门子)公司生产，自带的LVTTL和RS232通信接口，可以方便与PC机，单片机通讯。对于系统方案中的数据传输、语音传输、短消息SMS服务等都能够快速、安全、可靠地实现 。表2为TC35和TC35i两款芯片的性能指标：

表2 TC35和TC35i芯片性能指标

对比以上两款芯片发现，虽然TC35i比TC35的工作电流损耗小，但是TC35的电源电压范围更宽，从系统电源电压角度考虑，后者更为合适，所以最终本系统采用TC35作为无线传输模块的核心芯片。

本系统中的控制电路主要利用空调对温度、湿度进行调节，由于空调是交流电源供电，所以采用GTJ2-1A型交流固态继电器作为执行机构电路控制器。固态继电器是一种由固态电子元件组成的开关器件，主要利用三极管或者双向可控硅的开关特性实现无触点、无火花方式接通或断开电路，比传统的机械触点继电器要好。由于单片机的输出电流不足以直接驱动固态继电器，因此应使用三极管放大电路进行信号放大，同时为了保护电路，在实际应用中通常把散热片加装在固态继电器旁边，同时并联RC浪涌吸收回路进行过压保护。

三、系统硬件搭接及数据测量

本系统是一个针对粮仓的温度、湿度、气体浓度三种参数进行检测的综合性设计，分别利用DS18B20温度传感器检测温度；HIH3610湿度传感器检测湿度；MQ2气敏传感器检测气体浓度，将检测结果传输给单片机STC89C52进行判断处理，如果超过警界值再通过基于GSM的无线通信TC35模块发送短信给指定手机，达到无人值守仍可监控粮仓的目的。该系统的硬件实物图如图2所示(注：图2此处省略)。

为了检测系统的准确性和可靠性，利用数字温度计对系统的温度测量值进行验证。将数字温度计与测温传感器置于同一个被测温度点上，在同一时刻测量该点温度，再通过计算得出温度测量精度，具体测量数值如表3所示。

表3 温度检测数据

通过数据证明温度检测的误差不大于±0.5℃，较好地实现了温度实时监控，同时，当温度超过警界线15℃，手机同样接收到了报警短信。当报警信息发送给手机时，作为动作执行模块核心元件的继电器也接收到来自单片机的触发信号，自动吸合，接通电路，使空调自动开启，进行降温。

四、小结

本文在深入分析研究国内外粮食仓储监控管理系统状况的前提下，确立了基于模糊控制原理，以STC89C52为核心的无人值守粮食仓储电子系统课题，对粮仓内主要参数进行研究，按照参数要求对相应的传感器进行选型及电路设计。在设计中，本着满足需求，低成本，高性能，可拓展的思路，对各种传感器，控制芯片，无线模块电路进行分析对比，最终选择DS18B20温度传感器、HIH3610湿度传感器、MQ2气敏传感器，作为信号采集电路的主要器件；STC89C52作为核心单元控制器件；TC35作为无线通信核心模块。由于粮仓内部是一个实时变化的非线性系统，因此引入模糊控制技术，用语言变量代替数值变量来描述系统的行为。设计了以温度、湿度作为输入量的模糊控制器，经过模糊判决后，再将其输出信号送入核心控制模块STC89C52进行处理。通过测试发现，当所监测信号超过预设数值范围时，STC89C52能够通过无线通信模块TC35发送报警短信给指定手机，并驱动继电器吸合，接通电路，达到无人值守的目的。

在粮食仓储监控管理系统中，传统的监控方法更多依靠人工，费时费力的同时效率相对低下。本设计基于模糊控制理论，通过测试能够实现远程报警的功能，具有一定的应用价值。但在系统的某些方面还存在一些问题，比如执行反馈模块电路目前只能利用交流继电器控制空调的开启和关闭，具有一定的局限性，如果再加入无线控制模块，就使得系统更加灵活完善。另外虫害也是导致粮食损失的重要因素之一，但由于其属于时变的生物因素，其对其进行监测和控制都相对更为困难，有待于进一步研究解决方案。

参考文献：

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