粮仓环境监测系统设计

王笑怡

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

1 引言

我国是粮食生产和消耗大国，粮食产后的储粮、储藏、运输、加工等环节损失浪费巨大，保障国家粮食安全仍面临着严峻的形势和新的挑战[1]。随着科学技术的发展，科技手段的提高，粮食行业信息化发展得到了强有力的科技支撑[2-3]。但一直以来，粮仓储粮信息的数据传递不一致，各自形成信息孤岛，无法实现一个真正全面共享、全面联通的信息系统有机体，亟需通过资源整合，沟通上下联通，互联互通的业务交互平台，整合各级的数据资源，构建粮食数据大资源地，从而为大数据分析和数据应用提供数据基础[4]。粮仓环境监测系统为某粮库整体信息化建设项目的子项目之一。项目要求监测系统能够实时采集粮仓内温湿度、氧气、二氧化碳气体浓度、粮堆高度等数据，并通过网络专线上传采集数据，为粮情的大数据分析和应用提供数据基础。在此，仅阐述粮仓环境监测系统硬件部分的设计方法。

2 系统组成

根据粮仓环境数据采集要求，系统设计为分层分布式结构[5]。系统结构如图1所示。

系统由数据集中器和若干个传感器模块（包括温湿度监测模块、氧气浓度监测模块、二氧化碳浓度监测模块、测试模块等）组成，数据集中器与传感器模块通过RS485总线连接。数据集中器是总线中唯一主机，各传感器模块均为从机，主机与从机间通过问答方式进行数据传输。传感器模块内置MCU，完成环境数据的采集和转换。在数据集中器的请求下，传感器模块按约定的通讯格式，向数据集中器传送测量数据。数据集中器的核心为MCU，采用多机通讯方式，定期向传感器模块发送请求，并将接收到的环境数据进行解析和存储；同时，数据集中器内置网络传输模块并配置为TCP服务器模式，实时监听网络端口是否有数据传送请求，如接收到传送请求，则将存储的历史监测数据进行打包，通过网络接口发送给中心控制台。

传感器模块与数据集中器模块中MCU程序是在Keil4集成开发环境下，使用C语言进行程序开发。与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势[6]。

采用分层分布式结构一是为了满足粮仓内环境数据多点采集的要求，二是缩短传感器与信号转换器之间的距离，降低了信号传输过程中的衰减，减少了干扰，保证了测量的准确性。

3 传感器模块设计

传感器是一种能感受到被测量的信息[7]，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求的检测装置[8]。

本系统所要监测的环境参数均为较常用的参数，因此，相应的传感器芯片/模块产品较多，从设计周期、成本角度考虑，本设计采用在成熟的传感器基础上进行二次开发，以适应本系统设计要求。

3.1 传感器选型

采用气调储粮技术的粮仓，要求温度的检测范围为-30℃～55℃，测量精度不低于±2℃；湿度检测范围的为20%～90%，精度不低于±5%RH；氧气浓度的检测范围为0%～25%，精度不低于±2%；二氧化碳浓度的检测范围为0%～60%，精度不低于±4%。另外，为检测粮仓内粮食是否发生沉降，还要对粮堆高度进行检测，高度检测范围为0～5m，精度不低于5cm。

根据上述指标要求，选择以下传感器芯片/模块来实现系统功能。

1、温湿度传感器芯片

温湿度监测选用CHT8305温湿度传感器芯片。CHT8305内部集成高精度带隙基准电路，14-BIT模数转换器电路；温湿度数据通过I2C数字接口传输给MCU、蓝牙芯片或其它SOC芯片，I2C总线传输速率高达400kHz。主要应用于环境监测、可穿戴温湿度监测等场景。其主要技术指标如下：

工作电压：2.5～5.5V

工作电流：1.5μA（典型），3.0μA（最大）

测量范围：温度-40℃～125℃，湿度 0～100%RH

精度：±3.0%RH（湿度），±0.5℃（温度）

工作温度范围：-40℃～125℃

2、二氧化碳传感器模块

二氧化碳监测选用SprintIR型二氧化碳传感器。它可测量最高达100%的二氧化碳浓度，并配有流入式适配器，适合要求高速传感的应用和二氧化碳浓度快速变化的测量。采用UART通讯方式输出测试结果，接口可直接与MCU等芯片连接。它对功耗要求低，使其成为便携式、可穿戴式及自供电应用很好选择。其主要技术指标如下：

工作电压：3.25～5.5V

工作电流：平均电流＜15mA，峰值电流100mA

工作温度范围：-30°C～55°C

测量范围：0%～60%

精度：±(70ppm+读数的5%)

3、氧气浓度监测模块

氧气浓度监测选用LuminOx型荧光传感器。LuminOx是应用荧光猝灭原理测量氧气浓度，同时可检测氧分压。内置温度补偿，不含铅或其他任何有毒材料，且不受其他气体交叉干扰的影响，无污染，非常稳定和环保。LuminOx不需要额外的信号调节电路，可直接跟MCU的接口通过3.3V电平RS232连接，降低了成本，简化了系统设计。其主要技术指标如下：

工作电压：4.5～5.5V

工作电流：＜7.5mA（1Hz数据采样率），＜20mA（峰值）

工作温度范围：-30℃～60℃

测量范围：0%～25%

精度：＜2%FS

4、声呐测距模块

通过在粮仓棚顶与粮堆顶部间的距离可反映出粮堆的下沉情况。测距模块选用XL-MaxSonar-EZ型超声波测距传感器。该传感器输出功率高，针对变化的环境（温度、电压和声学及电气噪音）具备实时自动标定功能，确保每次采集的读数都是最可靠（空气中）的数据。XL-MaxSonar-EZ传感器能在小而紧凑的外形结构中提供长短距离检测和测距并提供数字输出。其主要技术指标如下：

工作电压：3.3～5.5V

工作电流：3.4mA（平均），100mA（最大）

工作温度：-40℃～65℃

测量范围：0～1608cm

精度：±1cm

3.2 硬件电路设计

根据分层分布式的总设计思路及传感器输出方式和数据格式，必须在传感器输出和数据集中器输入间增加一个数据采集和格式转换环节。本设计选用C8051F410来实现这一功能。

传感器模块原理图如图2所示。设计时在保证功能和可靠性前提下，尽量节省成本，因此，第一要充分利用MCU内部资源，减少外围器件；第二将所有传感器芯片/模块设计在同一块电路板上，使用时每块PCB板仅安装一种传感器芯片/模块。

图2 传感器模块原理图

图2中U1为C8051F410，该芯片内部的复位、时钟、UART控制器、I2C控制器、4个定时器、2个外中断电路可供使用，因此，外围仅增加了RS485接口芯片和必要的电源及滤波器件。本设计中氧气、二氧化碳、声纳测距传感器均采用UART通讯方式输出测量结果，C8051F410在接收传感器输出的同时，还要与数据集中器进行数据通讯，因此需要至少2个UART端口。C8051F410芯片本身仅有1个UART端口，设计通过软件编程，使用IO端口模拟UART通讯时序进行扩展。

4 数据集中器设计

数据集中器作为数据的中转站，对下通过RS485总线收集汇总各传感器监测的环境数据，对上通过网络专线按约定格式向控制台传送汇总数据。当控制台无数据传送请求时，数据集中器还可将汇总数据保存在非易失性存储器中。

数据集中器的核心控制器仍选择C8051F410。非易失性存储器选用AT24C256，该芯片除保存系统运行的配置数据外，还可保存1000条环境数据。S3530为I2C接口时钟芯片，用于提供系统时间。以太网协议芯片选用CH395，该芯片自带10/100M以太网介质传输层（MAC）和物理层（PHY），完全兼容IEEE802.3 10/100M协议。本设计中C8051F410通过SPI接口控制CH395芯片进行以太网通讯。数据集中器结构框图如图3所示。

图3 数据集中器结构框图

5 软件设计

5.1 软件UART通讯

通过对UART通讯时信号状态的分析，可以根据其信号状态变化的规律，使用软件控制IO端口模拟UART时序实现通讯。

在UART通讯中，数据线上共有两种状态，分别用逻辑1（高电平）和逻辑0（低电平）表示。在空闲时，数据线应该保持在逻辑1状态。在采用N，8，1设置发送数据时，首先发送一个逻辑0信号，表示传输字符的开始，然后是8位的数据位，最后时逻辑1的停止位，之后总线处于逻辑1状态，表示当前线路上没有资料传送，直到下次发送数据。数据线上起始、停止及各数据位间隔由波特率决定。

本设计中使用C8051F410的两个IO口作为软件UART的发送数据线SW_TXD和接收数据线SW_RXD；定时器2设置为双8位自动重装定时器方式，TMR2H用于产生发送波特率，TMR2L用于产生接收波特率；外中断0（INT0）设置为下降沿触发方式，信号输入端口与SW_RXD复用，用于检测SW_RXD上的起始位。

实现软件UART的源程序如下：

5.2 TCP/IP通讯

数据集中器中C8051F410通过以太网协议芯片CH395与控制台软件进行TCP/IP通讯。CH395初始化成功后，还要进行Socket配置才能进行网络通讯，本系统配置为TCP服务器模式。CH395初始化流程如图4所示。将Socket设置为TCP服务器模式的流程如图5所示。

在TCP服务器模式下，如果客户端进行连接，Socket一直处于监听状态，不会产生超时中断，如果TCP连接成功，CH395会产生SINT_STAT_CONNECT中断，此时单片机可以发送命令CMD_GET_REMOT_IPP_SN来获取客户端的IP地址和端口号。

图4 CH395初始化流程图

图5 设置Socket为TCP服务器模式流程图

6 结束语

采用本设计方法研制的粮仓环境监测系统，实现了对I2C接口的温湿度传感器、UART接口的二氧化碳传感器及声纳测距模块、3.3V电平RS232协议的氧气传感器的输出数据采集、解析功能。各传感器采集信息按粮库信息化平台数据格式打包、传输，实现不同信息间数据格式和传递方式的有效融合，便于数据被平台深度利用。系统样机体积小、安装简便，在用户现场试用稳定，功能满足用户需求。