一种粮仓智能温湿度检测方法研究

文/储鑫 罗艳艳 于海春

传统粮仓监测手段为人工定期测量，但是由于粮仓一般空间较大，多个粮仓分布地点也较分散，传统的监测手段效率低、周期长，也容易引入主观原因的漏检或数据误差。本文为了解决传统监测手段的问题，提出了一种基于单片机AT89C51CC01的智能化、自动化多点温湿度检测方法，并可通过总线技术将测试数据上传到数据监控中心，便于远程管理。本系统架构简洁，硬件结构精简，测量精度、数据传输均能得到保障，且具有较强的兼容性和可扩展性，满足了对粮仓温湿度是实时测控和管理的要求。

引言：

粮仓的温湿度环境很大程度上影响了粮食存储的质量，湿度一般低于12%，温度在10~22℃之间，相当于一个干藏库；湿度太大，容易受潮发芽；温度过高则容易霉变，造成损失，因此对粮仓进行温湿度监测很有必要。随着总线技术的快速发展，远程监控也越来越多地应用到粮仓的温湿度环境监控应用中。比如，RFID，无线射频识别，温湿度传感器、微处理器和RFID收发模块组成传感标签，另外微处理器和RFID收发模块组成读写器，通过射频收发模块将标签端的温湿度信息发送给读写器，但标签端和读写端均需要微处理器，硬件结构相对比较复杂；再比如ZigBee，采集温湿度数据的采集方式及数据传输方式，均通过无线网络，并进行远距离传输，但是传输距离通常为几百米，即使采用强穿透性的低频段设计方案，ZigBee的最远传输距离不超过6千米。

为了提高传输距离，同时不增加硬件成本，精简数据采集系统的硬件结构，本文以温湿度测量为核心，适应粮仓智能化自动化的应用管理需求，基于CAN总线技术和单片机AT89C51CC01，提出了一种智能温湿度检测方法。整个系统由下位机（包括温湿度采集单元、数据汇总及处理单元）、CAN总线、上位机组成。上位机是远程的数据管理中心，作用是可同时对多个不同地点的粮仓环境情况进行数据汇总分析及呈现，用于粮情的远程监控，提高企业的管理水平。下位机由多个温湿度测量单元以及数据汇总处理单元组成，其中数据汇总及处理单元由单片机系统实现，下文将对下位机的实现详细说明。

1.系统方案

如图1-1所示，系统由128路温度传感器、2路湿度传感器、CAN收发器、单片机最小系统组成。其中：

图1 -1系统方案框图

(1)128路温度传感器：分为十六个8路，分别以总线形式挂在P0、P2口上，每个传感器可返回一个16位的二进制数代表此刻的温度值。方案中选多路温度传感器的目的是增加测温点，采样点越多测到的温度越能准确表明粮仓内的实际温度，并且采用单总线one-wire的形式，不必占用过多硬件IO资源。

(2)2路湿度传感器：输出为模拟电压信号，直接连接到单片机内置的AD输入通道P1.0、P1.1。

(3)单片机：根据不同时序不同原理，分别执行对128路温度信号、2路湿度信号的读取，并按照指定的格式通过CAN接口发送给CAN收发器；其最小工作系统还包含复位、外部晶振、JTAG等外围电路。单片机选择Atmel公司的一款8位单片机，AT89C51CC01，由于其内置CAN控制器，无需额外的控制器，大大精简了硬件电路。

(4)CAN收发器：用于在单片机的CAN接口和CAN总线之间建立通信链路，从上位机接收指令传达给单片机，并将单片机获得的数据上传至CAN总线供上位机调用。

2.温湿度测量方案对比及设计

已在推广使用的温湿度测量方案有两种，一种是复合式的传感器，同时具备测量温度和湿度的功能，比如DHT11，这种方案具有更高的集成度，但其温度精度±2℃，湿度精度±5%，不能满足本系统设计要求。为了满足±1℃、±4%RH的测量精度，本文分别选用不同的温度传感器和湿度传感器进行温度和湿度测量，型号分别为DS18B20、HIH-4000-1。

2.1 温度测量单元

本文采用128路DS18B20温度传感器部署在粮仓的128个测温点。为了精简电路，节省硬件资源，降低功率损耗，并使用寄生供电模式。单片机的P0口和P2口分别有8个输入IO，每个IO连接8个传感器，组成128个网络式测温点。

DS18B20由ROM、传感器本体、温度报警触发器TH/TL和可配置的寄存器组成。每个DS18B20都有一个唯一的序列号存储在其内部ROM中。单片机对每个IO口总线上的8个传感器进行温度读取通过分时时序完成，工作流程为：

（1）复位初始化：例如，单片机在IO口P0.0发出一个脉宽为500us的低电平脉冲；置高后等待60us，传感器返回一个脉宽为60~240us的低电平响应脉冲，单片机检测到该脉冲表明完成初始化，可以进行下述操作；

（2）跳过ROM，操作码为0xCC；

（3）温度转换，操作码为0x44；

（4）等待温度转换完毕，再次复位初始化；

（5）发送匹配ROM指令，操作码为0x55；之后再发出对应传感器的64位序列号，等待应答，识别对应的测温点；

（6）读RAM，操作码为0xbe；依次读取总线上9个字节数据即为该传感器的温度数据。

2.2 湿度测量单元

本文采用两路湿度传感器，其电压输出端分别与单片机内置的AD端口P1.0和P1.1直接相连，将代表湿度的模拟电压值通过单片机内置的AD模块转换为二进制数据，并采用中位值滤波法对偶发干扰进行滤除，提高可靠性[6]。其中，AD转换器分辨率为10bit，包含两个寄存器：控制寄存器ADC_CONTR和数据寄存器ADC_DATA，具体工作流程如下：

（1）数据寄存器清零，开启内置AD的转换电源，ADC CONTR=ADCCONTR|OX80；

（2）等待内部电源稳定；

（3）P1.0、P1.1通道开始转换；

（4）等待转换结束，将数据寄存器中的值赋给变量。

3.C AN收发单元与总线数据传输

单片机AT89C51CC01内置了CAN控制器，可将温度、湿度的二进制数据转化为逻辑电平，符合CAN规范的CAN数据帧，下一步需要经过CAN收发器转换为差分电平，才能在CAN总线上进行数据/信息的交互。本文中收发器采用SCM3422ASA，数据传输速率1Mbps以上，总线耐压能力高达±40V，具有过热保护功能，抗电磁干扰能力极强，允许超过110个负载节点挂在总线上。

4.结 语

本文提出了基于CAN总线和AT89C51CC01的温湿度测量系统设计，为粮仓的温湿度环境智能监测提供了可靠的远距离传输实时监控方案。128路温度传感器DS18B20和2路湿度传感器HIH-4000-1，组成粮仓多点温湿度测量网络，作为一个智能温湿度测量节点挂在CAN总线上，实现了一种远程分布式节点形式的粮仓实情监测与管控系统，成本降低，线路简单；试验结果表明在远距离测量及传输情况下，测量精度提高、抗干扰性能增强、工作可靠稳定、安装维护方便，对粮仓温湿度测量具有参考价值。C