湖北文理學(xué)院物理與電子學(xué)院　樊國(guó)龍　游必輝　王培元

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糧倉(cāng)溫濕度監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)的研究

湖北文理學(xué)院物理與電子學(xué)院樊國(guó)龍游必輝王培元

【摘要】針對(duì)現(xiàn)有的糧倉(cāng)溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在傳輸距離短，速率低，組網(wǎng)復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)間依賴性強(qiáng)，缺少自動(dòng)控制環(huán)節(jié)等問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)出了一種以遠(yuǎn)距離無(wú)線模塊SX1278為基礎(chǔ)的閉環(huán)溫濕度監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，其組網(wǎng)簡(jiǎn)單，傳輸距離遠(yuǎn)，穿墻效果好，支持多種低功耗模式，下位機(jī)加入PID控制算法對(duì)環(huán)境溫濕度進(jìn)行閉環(huán)控制，接收上位機(jī)設(shè)置的參數(shù)，同時(shí)將當(dāng)前的溫濕度值通過(guò)SX1278發(fā)回上位機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)糧倉(cāng)溫濕度的有效的監(jiān)測(cè)與控制。

【關(guān)鍵詞】SX1278；溫濕度傳感器；PID控制算法；RS232

0　引言

糧食是人類賴以生存的基本物質(zhì)，糧食安全問(wèn)題受到了各國(guó)政府的高度重視。溫、濕度是影響糧食保存品質(zhì)的重要環(huán)境參數(shù)，對(duì)糧倉(cāng)的溫、濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并在溫、濕度超出正常范圍時(shí)采取對(duì)應(yīng)的措施有利于防止糧食出現(xiàn)發(fā)熱、霉變等問(wèn)題[1][2]。

SX1278是一種用于長(zhǎng)距離擴(kuò)頻通信收發(fā)器，不僅抗干擾性強(qiáng)，而且功耗低，適用于電池待機(jī)的收發(fā)電路，MCU只需要通過(guò)SX1278的SPI接口進(jìn)行寄存器的配置和數(shù)據(jù)的接收發(fā)送[3]。利用SX1278技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)代溫、濕度傳感器模塊，構(gòu)成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端檢測(cè)子節(jié)點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境實(shí)時(shí)檢測(cè)，從而能實(shí)現(xiàn)規(guī)模型糧庫(kù)設(shè)施的智能化、現(xiàn)代化管理[4]。

1　系統(tǒng)架構(gòu)

如圖1所示，該系統(tǒng)研究?jī)?nèi)容包含“溫濕度指標(biāo)與傳感器選型”、“SX1278通信網(wǎng)絡(luò)的建立”、“下位機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)的調(diào)試”、“上位機(jī).NET平臺(tái)人機(jī)界面編程”幾個(gè)部分。

圖1　系統(tǒng)研究?jī)?nèi)容拓?fù)鋱D

如圖2所示，該系統(tǒng)通信部分由終端——集中器——監(jiān)控PC三級(jí)結(jié)構(gòu)組成。終端匯集了溫濕度傳感器、溫差發(fā)電片、抽濕器以及電控系統(tǒng)，PC機(jī)通過(guò)上位機(jī)軟件將設(shè)定的參數(shù)發(fā)送給集中器，由SX1278傳輸給指定終端設(shè)備，終端根據(jù)傳感器檢測(cè)的當(dāng)前值控制溫差電片、抽濕器，并將傳感器檢測(cè)的信息傳輸給集中器。集中器自動(dòng)收集附近多個(gè)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到的信號(hào)，再通過(guò)RS232總線發(fā)送給PC機(jī)。

圖2　系統(tǒng)組成框圖

2　系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

2.1軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)和下位機(jī)，上位機(jī)運(yùn)行于PC端，完成人機(jī)界面交互以及指令轉(zhuǎn)換服務(wù)。下位機(jī)運(yùn)行在硬件MCU處理器，主要完成數(shù)據(jù)采集、顯示、上傳以及閉環(huán)控制任務(wù)。集中器用來(lái)協(xié)調(diào)PC機(jī)與多個(gè)終端的數(shù)據(jù)通信，負(fù)責(zé)上傳下達(dá)數(shù)據(jù)和指令。

如圖3所示為上位機(jī)控制界面框架，該框架通過(guò).NET編寫(xiě)程序，其核心部分是通過(guò)公用控件MSCOMM[5]和集中器交換數(shù)據(jù)，集中器和PC機(jī)通過(guò)RS232總線相連，一個(gè)集中器對(duì)應(yīng)一個(gè)選項(xiàng)卡，PC機(jī)通過(guò)該軟件對(duì)列表框所指定的設(shè)備進(jìn)行依次排隊(duì)訪問(wèn)。

通過(guò)該控制平臺(tái)，用戶可以方便的實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備的添加、刪除以及參數(shù)修改，也可以對(duì)集中器進(jìn)行添加和刪除操作，并且能直觀地瀏覽到每個(gè)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的溫濕度值隨時(shí)間的曲線圖，用戶使用時(shí)只需要配置設(shè)備地址，設(shè)置目標(biāo)溫濕度即可。

圖4所示為下位機(jī)程序流程圖，其中包括集中器和終端的程序流程。

集中器在初始化完畢之后，同時(shí)完成兩項(xiàng)任務(wù)，一項(xiàng)是和終端之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，將設(shè)定緩存區(qū)的參數(shù)發(fā)給終端，將終端采集到的溫濕度值放入采集緩存區(qū)；另一項(xiàng)是和PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)交互，當(dāng)PC機(jī)訪問(wèn)到該集中器之后，接收PC機(jī)發(fā)來(lái)的設(shè)定值放入設(shè)定緩存區(qū)，同時(shí)將采集緩存區(qū)的值發(fā)給PC機(jī)。終端在初始化完畢之后，根據(jù)集中器發(fā)來(lái)的參數(shù)，完成對(duì)溫濕度的閉環(huán)控制任務(wù)，同時(shí)不斷地采集當(dāng)前溫濕度并發(fā)送給集中器，并將該節(jié)點(diǎn)溫濕度的當(dāng)前值和設(shè)定值顯示在屏幕上。

圖3　上位機(jī)控制界面框架

圖4　下位機(jī)程序流程圖

2.2硬件設(shè)計(jì)

如圖5所示，集中器和終端可以共同采用該結(jié)構(gòu)模型，主要包含以下幾個(gè)部分組成：

電源，SX1278無(wú)線模塊，觸屏顯示器，溫濕度傳感器，通訊/下載。電路板搭載ARM處理器最小系統(tǒng)以及這些外設(shè)的相關(guān)接口。

SX1278用來(lái)連接集中器與終端的數(shù)據(jù)通信，RS232接口用來(lái)連接集中器與PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，傳感器接口用來(lái)連接終端與溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)通信，觸屏顯示屏用來(lái)顯示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)以及設(shè)定該終端地址。

圖5　掃描設(shè)備原理圖

3　結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)方案采用SX1278無(wú)線組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大范圍節(jié)點(diǎn)溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。功耗低、組網(wǎng)簡(jiǎn)單、為糧倉(cāng)環(huán)境的監(jiān)測(cè)與控制提供了一種高效、節(jié)能的解決方案。這種組網(wǎng)監(jiān)控架構(gòu)不僅局限于對(duì)溫濕度的監(jiān)控，通過(guò)改變傳感器，可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)各種參數(shù)的監(jiān)測(cè)與控制，在物聯(lián)網(wǎng)各個(gè)領(lǐng)域均可發(fā)揮出其作用。

參考文獻(xiàn)

[1]吳卓葵.基于GSM的糧倉(cāng)溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù),2014.

[2]劉朝純.基于FPGA的糧倉(cāng)溫濕度模糊監(jiān)控系統(tǒng)[D].東北農(nóng)業(yè)大學(xué),2008.

[3]王瑞.基于 SX1278 的水表端無(wú)線抄表控制器[J].電子質(zhì)量,2015.

[4]王培元,高潮.基于Zigbee的糧倉(cāng)溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].物流技術(shù),2015(20):49-152.

[5]章輝,葉建芳,葉建威.基于MSComm控件串口通信的實(shí)現(xiàn)[J].電子測(cè)量技術(shù),2011(8):126-129.

樊國(guó)龍（1994—），男，湖北襄陽(yáng)人，研究方向：電氣自動(dòng)化，嵌入式系統(tǒng)，物聯(lián)網(wǎng)。

王培元（1974—），男，湖北文理學(xué)院講師，研究方向：信號(hào)處理及FPGA應(yīng)用。

游必輝（1992—），男，湖北黃岡人，研究方向：嵌入式系統(tǒng)，電源。

通訊作者：

作者簡(jiǎn)介：

基金項(xiàng)目：湖北省省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：201510519016）。