王運(yùn)生 黃澈 吳瀛 王愿 陳蘊(yùn)

摘要：針對(duì)當(dāng)前糧食受到環(huán)境影響而發(fā)生霉變，變質(zhì)的問題，以及現(xiàn)有糧庫測(cè)控系統(tǒng)控制節(jié)點(diǎn)少、功能單一、不能進(jìn)行遠(yuǎn)程控制等問題。系統(tǒng)采用Delphi開發(fā)語言，以ARM處理器為主控制器，利用多個(gè)霍尼韋爾傳感器采集數(shù)據(jù)，結(jié)合超遠(yuǎn)距離無線傳輸技術(shù)和云技術(shù)，實(shí)現(xiàn)糧情監(jiān)測(cè)、通風(fēng)控制、大范圍儲(chǔ)糧管理等功能，從而提高糧庫管理的信息化、智能化。

關(guān)鍵詞：糧情檢測(cè)；Delphi；霍尼韋爾；云技術(shù)

一 前言

近年來，國家糧食局和全國各地區(qū)單位積極探索以數(shù)字糧庫為主要內(nèi)容的糧食行業(yè)信息化建設(shè)，全國糧食行業(yè)提高了政府宏觀調(diào)控能力和安全保障水平，為全面推進(jìn)糧食行業(yè)信息化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。但是，大部分糧倉庫仍為人工監(jiān)控管理，如降倉溫通風(fēng)是倉房日常管理中，尤其是低溫儲(chǔ)糧管理中的一項(xiàng)操作較為頻繁、辛苦的工作，為此需要大量的人力物力進(jìn)行維持，并且依靠人工監(jiān)測(cè)也會(huì)出現(xiàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)的結(jié)果1。

本系統(tǒng)充分利用ARM處理器的I/O口，部署到單個(gè)倉房內(nèi)的單分機(jī)最大可實(shí)現(xiàn)64路輸入和64路控制輸出，可以有效管理每個(gè)倉房內(nèi)的所有設(shè)備；系統(tǒng)信號(hào)傳輸采用SX1278超遠(yuǎn)距離無線串口模塊，可實(shí)現(xiàn)10KM無障礙信號(hào)傳輸，能滿足當(dāng)前國內(nèi)規(guī)模糧庫的通信需要。

二 總體結(jié)構(gòu)

（一）總體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)每個(gè)倉房存儲(chǔ)物的不同以及不同的存儲(chǔ)溫度要求，運(yùn)用“分布控制、集中管理”的原理，系統(tǒng)由客戶端，云控制系統(tǒng)，通信系統(tǒng)，終端設(shè)備四部分組成。下位機(jī)完成溫濕度數(shù)據(jù)的采集并通過網(wǎng)絡(luò)模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器端；云主機(jī)需要進(jìn)行初始化并處理大量從分布式傳感器采集到的信息并做出有效決策；客戶端負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，以保持上位機(jī)與下位機(jī)的通信?？傮w結(jié)構(gòu)方框圖如圖1所示：

基于B/S架構(gòu)的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)丟失或者延遲等不可獲知的變化干擾，在實(shí)時(shí)控制方面有時(shí)候難以達(dá)到用戶的需求?；谠瓶刂频募Z庫測(cè)控系統(tǒng)是在原有網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上結(jié)合云計(jì)算技術(shù)的優(yōu)勢(shì)以及深度學(xué)習(xí)等智能算法的智能控制系統(tǒng)。云端后臺(tái)是網(wǎng)頁版登陸，你可以在任何地點(diǎn)，使用任何一個(gè)智能聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，都可以連入云服務(wù)器。將整個(gè)系統(tǒng)的控制功能遷移到云上，在控制器和用戶端之間采用網(wǎng)關(guān)服務(wù)器，而網(wǎng)關(guān)作為云服務(wù)器的客戶端，需要?jiǎng)?chuàng)建Socket客戶端設(shè)計(jì)，，用來連接服務(wù)器。連接后創(chuàng)建讀寫線程以實(shí)現(xiàn)云服務(wù)器的收發(fā)數(shù)據(jù)2。

（二）系統(tǒng)硬件架構(gòu)

硬件系統(tǒng)主要由主控服務(wù)器，通風(fēng)控制板以及溫濕度傳感器等，通過通訊電纜把他們連在一起形成測(cè)控網(wǎng)絡(luò)。整體框架圖如圖2所示。

（三）數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中采用了SQL Server數(shù)據(jù)庫，我們需要在系統(tǒng)啟動(dòng)和關(guān)閉時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化和保存，以便數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)當(dāng)前及歷史溫度數(shù)據(jù)。通過Delphi中TADOConnection1控件，然后設(shè)置它的連接字符串ConnectionString，在Source Of Connection對(duì)話框下選擇Use ConnectionString設(shè)置為：

Provider=Microsoft.Jet.OLEDB.4.0；DataSource=ALLDATA.mdb；Persist Security Info=False。然后再窗體上放置ADOQuery控件，并設(shè)置它的Connection屬性指向TADOConnection1，這時(shí)就可以用ADOQuery1通過SQL語句對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作了。

數(shù)據(jù)庫部分主要按照測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)管理部分，報(bào)警管理部分，通風(fēng)設(shè)置部分等設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表。

此表是用來記錄糧庫的溫濕度及有關(guān)操作信息。我們將字段名設(shè)置為中文名的首字母，此表顯示各個(gè)列名的屬性，糧庫編號(hào)數(shù)據(jù)類型設(shè)置為varchar型；操作時(shí)間以及檢測(cè)時(shí)間的數(shù)據(jù)類型設(shè)置為DataTime型；溫濕度數(shù)據(jù)類型設(shè)為Numeric型；分機(jī)號(hào)和通道號(hào)設(shè)為int型。根據(jù)糧庫的現(xiàn)有情況其字段長度都要擴(kuò)大一點(diǎn)，以備以后進(jìn)行擴(kuò)展。

此表是用來記錄風(fēng)機(jī)的狀態(tài)和相關(guān)信息。設(shè)備名稱和設(shè)備類型設(shè)置為varchar型；設(shè)備功率設(shè)置為int型；路徑設(shè)置為int型；可根據(jù)糧倉的大小進(jìn)行擴(kuò)展。

其中字符型使用varchar型，varchar型存儲(chǔ)非統(tǒng)一編碼型字符數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型為變長，要指定該列的最大長度，存儲(chǔ)的長度不是列長，而是數(shù)據(jù)的長度。糧倉管理軟件完成對(duì)數(shù)據(jù)庫的更新，由于糧倉溫濕度變化幅度不是太大，并且有利于數(shù)據(jù)庫的管理維護(hù)，所以將溫濕度巡檢時(shí)間設(shè)置為半小時(shí)，并上傳至數(shù)據(jù)庫。

三 軟件設(shè)計(jì)

（一）云聯(lián)網(wǎng)軟件

云主機(jī)可以看做是連入云端的管理軟件平臺(tái)。云主機(jī)包含了計(jì)算，存儲(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)三大核心因素，云主機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的一環(huán)，起著重要橋梁的作用，同時(shí)在上位機(jī)與下位機(jī)之間起到協(xié)議轉(zhuǎn)換的作用。云具有虛擬化，通用性，高可靠性，可拓展性等特點(diǎn)。

系統(tǒng)在云計(jì)算技術(shù)和HTML平臺(tái)的基礎(chǔ)上構(gòu)建云端模塊，云端模塊集成了網(wǎng)絡(luò)接入單元實(shí)現(xiàn)無線的云端接入。系統(tǒng)與云技術(shù)的結(jié)合消除了只能在本地PC端進(jìn)行控制的弊端，實(shí)現(xiàn)了跨地區(qū)遠(yuǎn)程操作，減少維護(hù)成本；也能支持多個(gè)軟件應(yīng)用同時(shí)運(yùn)行，并在云端建立一個(gè)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)糧情數(shù)據(jù)的共享，方便拓展維護(hù)。

（二）主要功能

糧倉云平臺(tái)旨在通過物聯(lián)網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)，大數(shù)據(jù)，自動(dòng)化控制，信息采集等，打造區(qū)域性，開放性，一體性綜合服務(wù)平臺(tái)。

系統(tǒng)采用Delphi10.1進(jìn)行設(shè)計(jì)成集成控制與管理功能的軟件平臺(tái)，可以通過上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)查看現(xiàn)場(chǎng)情況。而上位機(jī)按其功能劃分為糧庫管理軟件平臺(tái)，糧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通風(fēng)控制系統(tǒng)，熏蒸控制系統(tǒng)；可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)降溫除濕、自動(dòng)熏蒸、出入庫管理系統(tǒng)等控制功能：

2.2.1 糧庫管理軟件平臺(tái)：采用SQL SERVER數(shù)據(jù)庫的實(shí)時(shí)糧情測(cè)控軟件，實(shí)現(xiàn)的功能有：

①接收并利用云主機(jī)實(shí)現(xiàn)糧庫數(shù)據(jù)的云端存儲(chǔ)糧情監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)；一方面保證了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性，同時(shí)可以隨時(shí)為移動(dòng)終端提供糧情信息3。

②對(duì)溫濕度異常情況進(jìn)行定位并提示報(bào)警信息；根據(jù)報(bào)警信息并結(jié)合設(shè)定的參數(shù)，自動(dòng)啟動(dòng)相應(yīng)的通風(fēng)控制子系統(tǒng)設(shè)備，進(jìn)行降溫除濕；

③建立糧情信息專家分析系統(tǒng)。對(duì)采集和存儲(chǔ)的糧情信息進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)出糧情信息的發(fā)展趨勢(shì)，及時(shí)為糧食的變質(zhì)提前采取相應(yīng)的措施。

2.2.2 糧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：采用DS18B20溫度傳感器和霍尼韋爾（AM2301）濕度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)糧庫存糧的溫濕度變化4。

2.2.3 通風(fēng)控制系統(tǒng)：糧庫管理軟件平臺(tái)在發(fā)現(xiàn)溫濕度異常情況后，根據(jù)設(shè)定的溫度控制參數(shù)及相應(yīng)設(shè)備的通信參數(shù)，生產(chǎn)通風(fēng)控制指令后，通過無線方式發(fā)送到發(fā)生異常情況倉房的分機(jī)上，分機(jī)得到指令后開啟相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行通風(fēng)，并將實(shí)時(shí)動(dòng)作狀態(tài)反饋到糧庫管理軟件平臺(tái)。當(dāng)經(jīng)過一段時(shí)間通風(fēng)，溫濕度恢復(fù)正常后，由糧庫管理軟件平臺(tái)發(fā)出相應(yīng)指令，關(guān)閉通風(fēng)設(shè)備。

2.2.4 環(huán)流熏蒸控制系統(tǒng)：糧庫管理軟件平臺(tái)根據(jù)設(shè)定發(fā)送控制指令后，控制板上通過繼電輸出開關(guān)量控制風(fēng)機(jī)的交流接觸器，實(shí)現(xiàn)環(huán)流熏蒸，并將實(shí)時(shí)動(dòng)作狀態(tài)傳送到糧庫管理軟件平臺(tái)進(jìn)行。

2.2.5 出入庫管理系統(tǒng)：針對(duì)糧食出人庫作業(yè)效率不高，嚴(yán)重缺乏監(jiān)管的現(xiàn)狀，綜合使用RFID、傳感器、智能圖像識(shí)別通過車輛稱重，自動(dòng)采集出入庫糧食重量，上傳糧庫管理軟件平臺(tái)處理，保證糧庫出人庫數(shù)量信息的準(zhǔn)確性。

（三）軟件操作頁面

在糧情測(cè)控系統(tǒng)中，為了防止非法用戶進(jìn)入，通過用戶名和密碼進(jìn)行驗(yàn)證（如圖5），以此明確使用者的身份和權(quán)限，讓接入互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備在經(jīng)過授權(quán)后都可以進(jìn)行訪問操作。軟件運(yùn)行后，整個(gè)頁面將會(huì)直觀的顯示出來，檢測(cè)完成后可以選擇不同的倉庫，不同的倉儲(chǔ)類型，即彈出顯示窗口。如圖6，圖7所示。圖6可以查看當(dāng)前倉庫的詳細(xì)信息，也可以選擇不同的倉庫進(jìn)行查看。圖7顯示當(dāng)前倉的設(shè)備不同層和不同列的信息。

在登錄頁面使用的異或函數(shù)對(duì)字符進(jìn)行加密。部分代碼如下圖5所示：

四 通信協(xié)議

所有控制程序都部署在主控服務(wù)器上，主控服務(wù)器與通風(fēng)控制板的通訊構(gòu)成主從式網(wǎng)絡(luò)，由于在線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，可能會(huì)受到干擾導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真，系統(tǒng)需要自定義通訊協(xié)議，從而保證系統(tǒng)傳輸穩(wěn)定性和有效性。

串口端口號(hào)：波特率為：9600；通信方式：一問一答；通信間隔：> 4.5-6秒；主叫碼以輪詢的方式進(jìn)行呼叫，如測(cè)量1號(hào)通道的1號(hào)分機(jī)的溫度，則發(fā)一次碼；測(cè)1號(hào)通道的2號(hào)分機(jī)的溫度，再發(fā)一次碼；兩次發(fā)送主叫碼之間要間隔5秒鐘，主要用于分機(jī)進(jìn)行溫度測(cè)量，并把數(shù)據(jù)發(fā)回給主機(jī)。

在通信協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)必須在有效數(shù)據(jù)前添加協(xié)議頭，并且在有效數(shù)據(jù)的最后設(shè)置CRC8校驗(yàn)碼，通過這種方式來保證傳輸數(shù)據(jù)的有效性。

1：同步頭

當(dāng)無數(shù)據(jù)傳輸時(shí)標(biāo)記該狀態(tài)為邏輯 1。發(fā)送端發(fā)送信息時(shí)，必須要先發(fā)送一個(gè)低電平信號(hào)，即邏輯 0 信號(hào)，也就是起始位。而當(dāng)起始位傳送到接受端時(shí)，接受設(shè)備識(shí)別邏輯低電平后將開始準(zhǔn)備接受數(shù)據(jù)位信號(hào)。通信雙方在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信之前必須要設(shè)置同步頭，數(shù)據(jù)的發(fā)送都是以同步頭0x2B開始的，以最后的CRC校驗(yàn)字節(jié)結(jié)束。

2：功能碼

功能碼的作用就是判斷所傳數(shù)據(jù)的類型，分機(jī)溫度主叫碼和應(yīng)答碼的功能碼為0x13；分機(jī)濕度主叫碼和應(yīng)答碼的功能碼為0x14；設(shè)備通風(fēng)控制的功能碼設(shè)置為0x15。

3：路由點(diǎn)數(shù)和路由指針

路由點(diǎn)數(shù)和路由指針數(shù)據(jù)長度設(shè)置為4位。路由點(diǎn)數(shù)表示中間有多少個(gè)路由點(diǎn)；路由指針表示當(dāng)前數(shù)據(jù)是從幾號(hào)路徑點(diǎn)發(fā)來。

4：路徑0xxx

其中路徑0代表主機(jī)地址（目標(biāo)地址），其他路徑數(shù)據(jù)長度設(shè)置為255，以備以后擴(kuò)展備用。

5：分機(jī)和通道

分機(jī)數(shù)據(jù)長度設(shè)置為255，通道數(shù)據(jù)長度設(shè)置為20；在應(yīng)答碼中，數(shù)據(jù)塊前兩個(gè)兩位十六進(jìn)制數(shù)為溫度值（溫度值直接轉(zhuǎn)換成整數(shù)即可），之后每4位為一個(gè)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，前兩位為高八位，后兩位為低八位，相加后乘以0.0625即為溫度值。在設(shè)備控制中，每位16進(jìn)制數(shù)控制8個(gè)繼電器（1：高0：低），每兩位控制一個(gè)設(shè)備，高位為方向（1是向外，0是向內(nèi)）；低位為開關(guān)（1是開，0是關(guān)）。

6：校驗(yàn)碼

校驗(yàn)碼是在有效數(shù)據(jù)發(fā)送之后進(jìn)行的。為了判斷接收的數(shù)據(jù)是否正確，避免一些干擾以及在接收端的對(duì)讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷是否接受的是真實(shí)的數(shù)據(jù)，這時(shí)我們就要加上校驗(yàn)數(shù)據(jù)（即CRC8校驗(yàn)碼）。

以溫度數(shù)據(jù)為例，請(qǐng)求數(shù)據(jù)包和應(yīng)答數(shù)據(jù)包如下圖：

五 結(jié)語

該系統(tǒng)完成了對(duì)糧情監(jiān)測(cè)的上位機(jī)頁面設(shè)計(jì)，能夠?qū)崟r(shí)的監(jiān)測(cè)糧庫的溫濕度情況，并且測(cè)量精度高，針對(duì)有線方式布線工程量大，并且對(duì)糧庫智能化程度不高的弊端在設(shè)計(jì)方案上有很大的改進(jìn)。同時(shí)在“互聯(lián)網(wǎng)+”的環(huán)境下，云技術(shù)可以使糧庫各級(jí)人員通過授權(quán)對(duì)分布在不同位置的糧庫數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共享，云技術(shù)的應(yīng)用更是全面建設(shè)數(shù)字化糧庫的必然要求，使得系統(tǒng)能夠大幅提升糧食倉儲(chǔ)管理的信息化水平和管理反應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)糧食存儲(chǔ)的自動(dòng)化和智能化，逐步達(dá)到管理現(xiàn)代化。

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作者簡介：

王運(yùn)生（1993-），安徽淮北人，碩士研究生，主要研究方向：建筑物聯(lián)網(wǎng)。

黃澈（1992-），安徽安慶人，碩士研究生，主要研究方向：建筑信息獲取機(jī)器人研究

陳蘊(yùn)（1958-），安徽阜陽人，教授，主要研究方向：智能樓宇與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，嵌入式系統(tǒng)。