粮库粮情智能监测系统的设计与实现

龙夏 檀明 王晓峰 刘原

摘 要：开发一套基于物联网的粮库粮情监测系统.采集器多点实时采集仓内温湿度、粮食温湿度及仓内空气混浊度，并将以上参数实时传输到中继器，中继器汇总数据后再通过以太网传输到远程服务器;WEB端监控程序显示所有监测点的实时数据、历史数据及变化趋势.该系统可实现对粮仓存储环境24小时监控，使粮仓管理更加智能、便捷.

关键词：物联网;粮情;以太网;中继器

[中图分类号]TP392    [文献标志码]A

Design and Implementation of Intelligent MonitoringSystem for Grain Situation in Grain Depot

LONG Xia1， TAN Ming1， WANG Xiaofeng1， LIU Yuan2

（1. Department of Computer Science and Technology，Hefei University，Hefei  230001，China;2. Hefei Taite Information Technology Co.，Ltd.，Hefei 230001，China）

Abstract：Developing a monitoring system for grain depot based on Internet of Things. The collector collects temperature and humidity， grain temperature and humidity， and air turbidity in the warehouse in real time， and transmits the above parameters to the repeater in real time. The repeater collects the data and then transmits it to the remote server through ethernet. The WEB monitor displays real-time data， historical data， and trends from all monitoring points. This system realizes 24-hour monitoring of the storage environment of the granary， makes the management of the granary more intelligent and convenient， and has practical value.

Key words：internet of things; grain condition; ethernet; repeater

我国是农业大国，粮食安全关系到国计民生.粮食储备安全问题是粮食储备工作中的关键，为了保证粮食品质，最大限度减少粮食仓储过程中的损失，必须准确地掌握粮食仓储过程中温湿度等各种粮情参数的变化情况，并做出相应的处理.[1]随着物联网技术的兴起，粮库粮情智能化研究向网络化、智能化和数字化方面发展.孙茜莉提出了结合ARM和232串口，采用以太网通信的方式采集粮仓内特定点参数，对粮仓内粮情进行监测.[2]段天浩提出通过3G无线网络实现粮仓数据通信.[3]林泽等人采用分布式网络构建粮仓网络拓扑.[4]李理提出通过Zigbee构建粮仓无线监测网络.[5]钟志杰提出基于“云外包”模式的粮情监测系统.[6]总体上看，粮仓粮情监测研究大多集中在网络通信方式和拓扑结构上，对数据采集本身缺少关注，大多终端采集采用“固定采集-传输”模式，采集的传感器接口是固定的，网络通信方式也是固定的，当更换传感器或網络结构时，系统大部分需要更换.本文研究一套基于物联网的数字化粮情监测系统，重点关注传感器接口的一致性和通信模式的可选性，整个系统的框架确定后，网络内部结构及采样参数可以任意更换，适用面更广.

1 系统整体设计

硬件以STC15W4K32S4单片机作为采集器和执行器处理器，功能性的模块主要由温湿度传感器、烟雾传感器、单片机配合使用.采用C语言、Java语言编程开发.

系统包括采集器、中继器、执行器和上位机.采集器采集粮仓环境温湿度、粮食温湿度、仓内有害气体浓度等参数.为方便扩展连接不同标准件的传感器，采集器上的传感器接口设计为标准的485接口和4～20 mA电流接口.中继器通过轮巡的方式查询采集器的采样值，汇总后再通过以太网传输到远程服务器.开发的远程WEB程序可以实时监控粮仓内各个采样点的参数值，并能设定阈值，当温度、湿度、有害气体浓度等超过设定值后，会通过中继器发送指令给执行器.执行器设计为标准接口，包括继电器接口、485接口等.

2 硬件设计

2.1 采集器设计

采集器的处理器选用STC15W4K60S，5 V供电.参数收集采用“1—N”的模式，多点的数据汇总到一个中继节点.采集器和中继器之间的数据汇总可以根据现场环境选择大功率170 M无线、WIFI传输或者485有线传输.传感器采集接口则集成常规的数据接口，便于后期扩展使用，包括485接口、4～20 mA接口和IO接口.

采集器的整体结构如图1所示.传感器是一种能够感受规定的被测量、并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置.[7]温湿度传感器板载集成了485采样接口、0～5 V采样接口和4～20 mA采样接口.采集器定时采集相关温湿度及空气信息，并将数据传递给中继器，并由中继器上传给远程服务器.数据传输选择WIFI传输、433 M大功率无线传输和485传输.单片机最小系统电路的采集器处理器选用STC15W4K32S4系列单片机，兼容传统8051类型机的指令代码，宽电压2.2～5.5 V供电，内部晶振可选，USB口下载.采样板采用485接口或4～20 mA电流接口.

I/V转换电路见图2.4～20 mA电流从接口P7送入，0～5 V电压从P8输出后送到单片机内部AD引脚.运放选用高精度低失调的OP07，由DIP封装的TL431组成的高精度稳压电源对运放供电，DIP封装确保了散热性能，散热功耗达到1W.I/V电路要求输入电流和输出电压满足线性对应关系.转换关系为V=-1.25+312.5I.R40，R41，R42组成负稳压电源，V1=-（1+R41R40）×2.5V=-3.125V.R39和R38组成分压电路，V2=R38R38+R39×V1=-0.1V，U3反向输入端电位V3=V2=-0.1V，PNP型三极管用于扩展输出能力.R33是4～20 mA的I/V转换电阻，由于运放的作用，这个电阻的最小取值可以很小，电阻越小越能减轻前方传感变送器的供电要求.[8]V4=V3+R33×Iin=-0.1+2.5×Iin.滤波电容C56和两只1N4148（D15和D16）用于对输入电压进行保护，防止干扰信号的串入.采样电压V4送到U21的同向输入端，V5=V4=V3+R33×Iin=-0.1+25×Iin.U21输出端R34和R44分压后从P8端口送出I/V转换的结果，Vout=（1+R43R44×V5=-1.25+312.5Iin.为确保测量精度和系统稳定性，I/V电路中所有电阻均选用温漂不大于50 mmp的精度0.1%的E96分度金属膜电阻.

采集器中集成了多种通信方式，包括485通信、WIFI通信以及大功率无线通信.当粮仓现场网络环境良好，可以选择WIFI通信.粮仓无外接无线信号强干扰并且对通信距离有要求的前提下，可以选用大功率无线通信170 M.通信距离远且无线干扰比较严重的情况下，则可以选择485通信接口.可随机测试，也可连续测试，抗干扰设计能提高系统精度和可靠性.[9]WIFI通信实测空曠地通信距离为100米，最大发射功率100 mW，宽供电电压2.4～3.6 V，便于电池供电，电路图如图3所示，通过单片机串口和E103-W02实现通信，完成配置及数据收发.

RS485总线是串行总线标准，采用平衡发送与差分接收的方式.为确保通信正常，在电路中加入总线保护和隔离电路，电路如图4所示.TTL端选用NEC的光耦PS2501（J9，J10，J11）实现总线端和控制端的隔离，同时控制端和总线端的电源通过DC-DC器件B0505S-1W实现隔离，确保总线中的干扰不会影响到控制系统.485总线端A，B引脚分别通过R96，R97电阻上、下拉，确保485无数据收发时，总线端的干扰会造成数据误接收.D30，D31和D32是6.8 V钳位二极管，用于保护485端口，避免总线电压过高烧坏控制端.C31，C32，L21和L22用于提高电路的EMI性能，屏蔽总线工频干扰.

2.2 中继器设计

现场采取1-N的布网模式，采集器的数据汇总到一个中继节点，再由中继节点通过以太网将数据上传到远程PC端.中继器的结构见图5.中继器采用有人物联网公司生产的USR-TCP232-T2物联网串口以太网模块，实现RJ45网口与TTL 串口之间直接的数据透明传输设备，无需单片机驱动，其内部搭载M0系列处理器，运行速度快、效率高、低功耗、体积小.模块在透明传输过程提供TCP和UDP传输协议可供选择，方便用户根据需要选用.

3 软件设计

系统分为三层结构：底层采集执行器，中间传输层，上位机.整个系统传输协议采用工业级MODBUS协议.底层采集执行器在粮仓内部，实时采集粮仓内部环境参数和粮堆温湿度参数，通过WIFI、485或无线传送到中继器.执行器接收到中间层执行命令，控制粮仓内的加热炉和鼓风扇.中间传输层接收到底层采集到的数据，存放在缓存区.当上位机发送读取命令时，通过以太网回传数据，同时，接收写控制命令，下传到底层采集执行器，控制粮仓设备.上位机由Java编辑开发，在数据传输协议中采用TCP协议，TCP三次握手，保证数传输过程的可靠性.当上位机发送读取命令后，收到中继器回传的数据，进行解析.上位机可以手动控制粮仓内部设备，也可以设置参数自动控制设备开启.上位机在显示实时数据的同时还可以查看往期数据记录.

采集器软件代码主要负责环境参数的采集与上传，进行ADC转换得到具体数值，温湿度环境参数由DHT11模块采集数字量输出，无需ADC转换.当采集器接收到查询命令后，将BUFF中的数字上传到中继器.上位机软件由Java编程语言实现，系统分为三个模块：数据库设计、人机界面设计和通信设计.人机界面用于显示粮库内2D监测图，各个点的实时参数监测.采样的数据定时存储在数据库中，通信支持TCP协议，数据交互通过socket包完成.

4 总结

设计了一款基于物联网的粮库粮情监测系统，可以完成现场粮堆及粮库环境的测量，通过中继器上传到远程PC端.PC端可以通过三维模型监测到粮仓内各个点的参数，通过自动或手动方式控制鼓风机、冰箱、加热器和加湿器，用于保证粮仓内环境的稳定.该系统已在合肥某粮库内试运行半年多，提高了粮库监测的效率，减少了人力.

参考文献

[1]周慧玲，甘典文，王智威，等.基于ARM/GPRS/ZigBee技术的无线粮情监控系统的设计与实现[J].测控技术，2011（2）：11-15.

[2]孙茜莉.基于ARM9的粮仓环境监测系统关键技术研究与实现[D].长沙：湖南大学，2013.

[3]段天浩.粮情无线监测系统的设计与研究[D].合肥：安徽大学，2016.

[4]林泽.分布式无线粮情监测系统的设计与应用[J].电子工程师，2008，37（7）：71-73.

[5]李理，刘柯岐.基于Zigbee的粮仓分布式传感器网络[J].兵工自动化，2008，27（9）：63-64.

[6]钟志杰.基于“云外包”模式的粮情测控系统设计与实现[D].合肥：安徽大学，2014.

[7]胡 毅，林其斌，党小宇，等. 金属应变片电阻传感器测量性能分析[J]. 牡丹江师范学院学报：自然科学版，2018（4）：35-38.

[8]杨坤，李文娟，杜坤梅.基于DSP的多级油泵测控系统[J].宁波职业技术学院学报，2008，12（2）：6-10.

[9]宁丽娟，张殿甲，毕凤可，等. 基于C8051F单片机动态测流系统平台的设计[J]. 牡丹江师范学院学报：自然科学版，2012（3）：11-12.

编辑：琳莉