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糧食科技物流中心溫濕度監控系統的設計

2014年微型機與應用第14期

陳潔，王恩亮

江蘇信息職業技術學院電信系，江蘇無錫

摘要： 在分析糧食科技物流中心的發展趨勢的基礎上，提出了一種基于SHT71的分層結構的溫濕度監控系統，介紹了監控系統的網絡結構。該系統以數字式溫濕度傳感器SHT71和STC單片機構成智能化的監控節點，結合觸摸屏、GPRS模塊構成倉房分布式監控系統實現溫濕度的遠程多點監控。對智能傳感器節點電路及軟件進行了設計，給出了詳細的框圖、程序流程圖和組態畫面。

關鍵詞： 傳感器SHT71 STC單片機 GPRS模塊分布式控制

Abstract：

Key words :

　　摘要：在分析糧食科技物流中心的發展趨勢的基礎上，提出了一種基于SHT71的分層結構的溫濕度監控系統，介紹了監控系統的網絡結構。該系統以數字式溫濕度傳感器SHT71和STC單片機構成智能化的監控節點，結合觸摸屏、GPRS模塊構成倉房分布式監控系統實現溫濕度的遠程多點監控。對智能傳感器節點電路及軟件進行了設計，給出了詳細的框圖、程序流程圖和組態畫面。

　　關鍵詞：傳感器SHT71；STC單片機；分布式控制

　　糧食的安全儲藏是一個國家的重大戰略決策，我國也不例外。自20世紀末,國家逐步增加糧食儲備數量, 但是大部分糧庫的現代化程度較低，致使糧食儲藏期間品質劣變快,常見現象為結露、發熱、霉變等。而先進的糧庫儲糧監測技術是科學儲糧的關鍵技術之一。網絡共用、數據共享、設備聯動、作用互補和功能優化的一體化儲糧新技術[1]，是當前糧食儲存技術的發展方向，更是現代化的糧食科技物流中心的發展趨勢。

　　溫度和濕度是倉庫環境的兩個重要參數,以往溫濕度檢測系統多采用分離的傳感器分別對溫、濕度進行測量，再由A/D轉換成數字信號。本文提出的系統采用數字式溫濕度一體芯片SHT71, 能夠一次性測量溫度、濕度, 直接輸出數字信號。由經濟型的STC10系列單片機作為主控器，構成一個谷堆監測節點，SHT71采集的數據送至該節點。多個谷堆測量節點以485總線方式構成一個獨立的倉房監測系統，管理員可以觀測和控制某一個倉房，同時，每個倉房通過各自的GPRS模塊以無線的方式上傳數據至物流中心，管理部門可以通過Internet實時監測有關數據，實現糧倉的現代化管理。

　　1 系統總體結構與工作原理

　　糧食科技物流中心溫濕度監控系統采用混合網絡拓撲（分層）結構，組網靈活[2]，系統架構如圖1所示。系統主要包括數據采集層、數據管理層和數據共享層，系統能在無人值守時，實現物流中心數據的實時報送[3]。

　　2 系統硬件設計

　　數據采集層由多個分布在不同地方、獨立的倉房監控系統組成，彼此之間是相對平等和獨立的，同時，各個倉房監控系統之間又是有聯系的，通過Internet網絡，倉房之間能夠進行信息的交互。每個獨立的倉房監控系統包括上位機（觸摸屏）、智能傳感器節點、GPRS模塊。本設計采用基于RS485總線分布式智能控制系統，結構如圖2所示。

　　2.1 倉房控制系統

　　分布式控制系統(DCS)是利用計算機技術、控制技術、通信技術和顯示等有關技術實現對生產過程的集中管理和分散控制[4]，即實現系統管理的集中性和控制的分散性。本系統采用總線型結構，所有節點通過接口接到一條總線上，每次僅允許一個節點發送數據，所發數據可以同時被所有節點接收，通過地址設定的方式，每個節點接收指定節點的數據。

　　各部分主要功能如下：

　　智能測量與控制節點：負責現場溫、濕度的采集與實時控制。根據觸摸屏通過485總線下傳的該點溫度、濕度控制值進行溫度、濕度調節，并實時將溫度、濕度信息、控制信息等經過GPRS模塊上傳給數據管理層的控制計算機[5]。

　　觸摸屏：充當工控機完成各個測量點的溫度、濕度的實時顯示及控制，具備一定的數據處理能力，進行數據統計和分析，并可以完成溫濕度控制曲線的生成。觸摸屏選用昆侖通態觸摸屏TPC7062K[6]，它是一套以嵌入式低功耗CPU為核心(主頻為400 MHz)的高性能嵌入式一體化工控機，采用高亮度TFT液晶顯示屏，具有一個RS485通信口，一個RS232通信口。RS232通信口用于連接GPRS模塊，RS485通信口連接多個智能節點。采用MCGS嵌入版組態軟件進行組態，完成現場數據的采集與監測、前端數據的處理與控制。

　　GPRS模塊：為數據采集層和數據管理層之間建立通信鏈路，實現無線數據通信[7]。GPRS模塊選用天同誠業的WG-8010 GPRS DTU，其內置工業級GPRS無線模塊[8]，提供標準RS232/485的數據接口，一次性初始化配置，全透明傳輸數據，支持報文模式，需要配置ID號。

　　倉房監控系統工作原理：每個智能節點采集到相應糧堆的環境參數（溫度和濕度)，上傳至STC10系列單片機，單片機可以控制相應的器件使空調工作，或啟動除蟲裝置，同時數據經485總線送至充當工控機的觸摸屏，并由觸摸屏驅動GPRS模塊向數據層發送數據。

　　2.2 智能測量與控制節點設計

　　智能傳感器節點的結構圖如圖3所示，控制器選用性價比較高的STC10F04單片機[9]，STC10F04是增強型的8051CPU，1T/機器周期，指令完全兼容8051；5.5 V～3.8 V/3.3 V工作電壓；工作頻率為0～40 MHz；36根I/O口線；2個DPTR；雙倍速模式；2個定時/計數器；1個看門狗定時器WDT；2個增強全雙工串口UART等。

　　溫濕度傳感器SHT71是高度集成的數字式一體化芯片[10]，響應時間快、精度高(在25 ℃時溫度精度為±0．40 ℃，相對濕度精度為±3．0％)、可編程設置測量分辨率(濕度8/12 bit，溫度12/14 bit)。

　　本系統設定傳感器的測量分辨率為：濕度8位、溫度12位，分別對應O．5％和0．04 ℃的測量分辨率，既能滿足測量要求，也能實現測量節點超低功耗設計。

　　STC10F04單片機與SHT71的硬件接口、與75176構成485總線的硬件接口如圖4所示。

　　測量時序如圖5所示[10]：STC10F04單片機發起啟動傳輸時序(TS)、通過DATA線發起測量命令(“00000101”—測量相對濕度；“00000011”—測量溫度)、SHT71返回一個低電平作正確接收應答、等待測量結束、測量結束(SHT71拉低數據線為低電平)；SHT71的數據線向外發送數據；STC10F04單片機接收高字節并應答(ACK)(一個低電平)、低字節接收并應答(一個低電平)；SHT71的數據線向外發送CRC-8校驗數據，單片機確認ACK信號并保持為高電平，通信結束，SHTXX自動轉入休眠狀態[10]。

　　其中，TS為傳輸啟動，Checksum為CRC-8校驗和。

　　為將傳感器輸出的數字量轉換為直觀的物理單位量，需進行數據轉換處理。

　　SHT71傳感器的溫度輸出可用式(1)將數字量輸出轉換為溫度值：

　　T=-40 ℃+0.04·SOT(1)

　　其中，SOT為SHT71的12位數字溫度輸出。

　　濕度輸出與溫度有關，采取補償方法以獲取準確數據：

　　RHlinear=-4+0.648×SORH-7.2×10-4×SORH2(2)

　　其中，RHlinear為25 ℃時的實際相對濕度，SORH為25 ℃時8位數字相對濕度值。

　　由于實際溫度與25 ℃有差別，使用式（3）進行補償修正，修正后的相對濕度值為RHtrue：

　　RHtrue=(T-25)×(0.01+0.00128×SORH)+RHlinear(3)

　　3 軟件設計

　　3.1 智能節點數據采集程序設計

　　軟件設計成低功耗方式，每隔5 s檢測一次數據，溫濕度測量結束后，等待上位機的通信請求，根據上位機要求向觸摸屏發送數據。SHT71內部集成了循環冗余校驗電路，在傳送信息時，SHT71根據所發信息的內容計算出一個CRC值，同樣，接收方也用相同的方法計算出一個相應的CRC值。比較兩個CRC值，若一致，則確認信息傳送正確[11]；否則，丟棄，再發。其數據采集程序流程圖如圖6所示。