葉建新　武斌　王安瀾

摘要：在糧食倉儲過程中，為給糧食提供較好的倉儲環(huán)境，往往需要對糧倉環(huán)境進行實時監(jiān)測。因此設(shè)計采用STM32單片機為核心控制單元的實時監(jiān)測系統(tǒng)，通過傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)并實時顯示，定時通過無線模塊將數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器平臺。系統(tǒng)能實現(xiàn)糧倉內(nèi)溫濕度、氧氣濃度和二氧化碳濃度的實時采集。

關(guān)鍵詞：STM32;糧倉環(huán)境監(jiān)測;傳感器;無線傳輸

中圖分類號：TP368.1 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8228（2020）08-42-03

0 引言

糧食是國民之所必須，糧食的質(zhì)量和儲量都是社會穩(wěn)定的保障，因此做好糧食的生產(chǎn)和儲備工作具有重大的意義。影響儲備糧質(zhì)量的主要環(huán)境因素有溫度、濕度、氧氣濃度和二氧化碳濃度等[1]。因此，快速準確的檢測這些參數(shù)并及時做出處理對減少每年的儲糧損失具有十分重要的意義。

針對糧倉環(huán)境，很多學(xué)者做了相關(guān)的研究，例如，Hemanth Kumar G[2]等人設(shè)計了一種基于ARM9和Zigbee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)用于監(jiān)測糧倉環(huán)境;孫瑤瑤[3]等設(shè)計的基于51單片機的糧倉環(huán)境檢測系統(tǒng);高寧[4]等設(shè)計的基于智能小車的糧倉環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。這些監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測量都比較單一，因此針對監(jiān)測量單一的問題，本文設(shè)計了—套基于STM32單片機的糧倉環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，本系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集糧倉中的溫度、濕度、氧氣濃度和二氧化碳濃度，間隔時間將數(shù)據(jù)傳輸至云服務(wù)器平臺。

1 糧倉環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)采用STM32單片機作為主控單元[6-7]，各個模塊通過相應(yīng)的接口與STM32相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖l所示。

1.1 環(huán)境監(jiān)測傳感器選型

1.1.1 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器采用的是瑞士Sensirion公司設(shè)計生產(chǎn)的新一代數(shù)字溫濕度傳感器SHT20，SHT20內(nèi)配全新設(shè)計的CMOSens芯片、一個經(jīng)過改進的電容式濕度傳感元件和一個溫度傳感元件，可靠性水平相較于前一代產(chǎn)品得到了很大的提升。該傳感器具有低功耗、高精度、穩(wěn)定性強等特點。通過傳感器采集到的溫濕度值以數(shù)字量進行輸出，其中溫度轉(zhuǎn)換通過式（1）完成，相對濕度通過式（2）進行轉(zhuǎn)換。

SHT20的使用比較簡單，在VDD和VSS間連接一個104電容用于去耦合，SDA和SCL連接一個電阻作為上拉電阻。傳感器單元采集到數(shù)據(jù)后輸出模擬信號，通過SHT20內(nèi)置的AD轉(zhuǎn)換器進行AD轉(zhuǎn)換后輸出數(shù)字信號，之后通過nc串口傳輸?shù)街骺啬K。

1.1.2氧氣濃度傳感器

氧氣濃度采用ZE03-02電化學(xué)氧氣模組進行檢測，它采用三電極電化學(xué)氣體傳感器和高性能微處理器，其內(nèi)搭載氧氣傳感器進行氧氣濃度的測量。內(nèi)置有溫度傳感器，可以實現(xiàn)溫度補償，能都精確的測量環(huán)境中的氧氣濃度。測量結(jié)果輸出有數(shù)字和模擬兩種形式的信號，可以根據(jù)需要進行選擇，更加方便使用者進行調(diào)試。模組具有高分辨率、高靈敏度和低功耗等特點，具有較好穩(wěn)定性和較高的抗干擾能力。在本系統(tǒng)中采用UART串口與主控單元進行連接與通訊。

1.1.3二氧化碳濃度傳感器

二氧化碳濃度采用的是MH-219B二氧化碳氣體傳感器進行采集，MH-219B是一種小型的利用非色散紅外（NDIR）原理對空氣中存在的C02進行探測，具有很好的選擇性和無氧氣依賴性、高靈敏度、低功耗和壽命長等特點。內(nèi)置有溫度自補償，其輸出有串口輸出、模擬輸出和PWM輸出三種方式。在本系統(tǒng)中通過UART串口的與主控單元進行信息交互。

1.2 無線傳輸模塊電路設(shè)計

無線傳輸采用合宙Air202芯片設(shè)計[8]，Air202是一款功耗低、穩(wěn)定性高的集成GPRS無線芯片，采用虛擬卡版本的Air202芯片，可實現(xiàn)無SIM卡網(wǎng)絡(luò)通信，通過穩(wěn)壓電路給Air202芯片供電，將芯片的程序下載接口外接以方便下載程序，通過USART與主控單元相連。

1.3 主控模塊電路設(shè)計

主控模塊采用的是STM32Fl03單片機為核心的最小系統(tǒng)，STM32Fl03是一款低功耗高性能Cortex-M3內(nèi)核的32位處理器，集成浮點運算和數(shù)字信號處理指令，內(nèi)存上自帶64KB SRAM、512KB FLASH，STM32Fl03可以通過電路將I/O口引出，引出的1/0口可以連接一些外設(shè)模塊，比如WIFI、藍牙、GPRS等，通過控制LCD可以實現(xiàn)各種類型圖片的顯示和處理，支持SWD和JTAG調(diào)試，方便在編程時進行在線調(diào)試，其運行主頻高達72MHz，可以高速的進行數(shù)據(jù)處理，并保證系統(tǒng)運行的流暢性[9]。

基于STM32Fl03的主控電路最小系統(tǒng)的設(shè)計包括JTAG電路、復(fù)位電路、外部晶振電路、穩(wěn)壓供電電路、電源指示電路等小的模塊，最小系統(tǒng)的電路如圖2所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件采用Keil平臺C語言設(shè)計[10]，其程序流程圖如圖3所示，主要實現(xiàn)對各傳感器的采集值的處理和顯示。

在接收采集值之前要進行各個串口的初始化，其中UART/USART串口需要配置波特率、停止位、奇偶校驗等。IIC總線有一條時鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA，傳輸是需要根據(jù)相應(yīng)的時序配置起始信號和結(jié)束信號，以此來完成采集值的接收，每次接收單位為一個字節(jié)，每次接收都產(chǎn)生一個應(yīng)答信號，在所有數(shù)據(jù)傳輸完成后，SDA會保持為高電平，此時則會產(chǎn)生一個結(jié)束信號，結(jié)束傳輸。

初始化完成后進行數(shù)據(jù)的接收和處理，并將數(shù)據(jù)通過USART串口發(fā)送給Air202無線傳輸模塊，Air202通過lua腳本語言編有程序，只要串口接收到數(shù)據(jù)就會將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器平臺上。

3 系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果

調(diào)試采用分模塊調(diào)試的方法，對各個模塊分別進行性能測試，測試方法如下。

（1）溫濕度模塊調(diào)試：在調(diào)試溫濕度模塊時，采用現(xiàn)成的溫濕度計作為對比，在不同環(huán)境下測試。通過對比相同環(huán)境下本系統(tǒng)的溫濕度采集值和成品溫濕度傳感器的測量值，來得出本系統(tǒng)溫濕度測量是否正常且精確。測試結(jié)果如表l所示。

（2）氧氣濃度傳感器調(diào)試：調(diào)試氧氣濃度傳感器時，同樣采用與成品氧濃度傳感器進行對比的方式。在相同位置，傳感器傳回值會在LCD上顯示，然后和成品氧濃度傳感器對比以得出本系統(tǒng)的氧氣濃度傳感器是否正常運行。測試場地選在室外多樹的地方分時段多次測試。測試結(jié)果如表2所示。

（3）二氧化碳傳感器調(diào)試：與前面的調(diào)試方法相同，在相同條件下將本系統(tǒng)的二氧化碳濃度值與成品測量的二氧化碳濃度值進行對比以確定本系統(tǒng)的二氧化碳傳感器是否正常。測試環(huán)境與氧氣濃度測試環(huán)境相同。測試結(jié)果如表3所示。

（4） Air202無線傳輸模塊調(diào)試：Air202程序下載后，通過STM32發(fā)送測試數(shù)據(jù)到Air202，查看服務(wù)器平臺是否接收到數(shù)據(jù)。測試結(jié)果如表4所示。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計并完成了基于STM32的糧倉環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)的搭建。由于人口總量巨大，為了維持社會穩(wěn)定，糧食的儲備極為重要，因此，糧食的倉儲技術(shù)應(yīng)用非常廣泛。本文設(shè)計的糧倉環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)能夠幫助農(nóng)業(yè)工作者更好的監(jiān)測糧倉內(nèi)溫濕度、氧氣濃度和二氧化碳濃度的變化，保證儲糧在最適宜的環(huán)境下存儲，減少因環(huán)境問題而產(chǎn)生的重大損失與浪費。該系統(tǒng)使用方便，能夠?qū)崿F(xiàn)長期的環(huán)境量監(jiān)控和數(shù)據(jù)保存，不僅可以滿足科學(xué)研究的需求，也能夠滿足農(nóng)業(yè)工作者對于糧食貯存時間的需求。農(nóng)業(yè)工作者可以隨時查看當(dāng)前數(shù)據(jù)，也可以調(diào)取之前的環(huán)境數(shù)據(jù)進行抽檢，可全程監(jiān)測糧倉的環(huán)境是否在正常范圍內(nèi)，保證了糧食貯存的質(zhì)量。

進一步的研究可以圍繞環(huán)境因素的調(diào)節(jié)裝置展開，本文設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)僅實現(xiàn)環(huán)境的監(jiān)測，還沒有達到環(huán)境可控。后續(xù)可加入調(diào)節(jié)裝置，配合監(jiān)測系統(tǒng)進行糧倉環(huán)境調(diào)節(jié)，這樣既可起到環(huán)境監(jiān)測的作用，又可起到環(huán)境調(diào)節(jié)的作用，使系統(tǒng)更加完善。

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[10]譚浩強.c程序設(shè)計（第五版）[M].清華大學(xué)出版社，2017.

★基金項目：國家重點研發(fā)計劃（2018YFD0401403）：浙江省重點研發(fā)項目（2018C02050）;杭州市農(nóng)業(yè)與社會發(fā)展科研主動設(shè)計項目（20190IOIA07）

作者簡介：葉建新（1996-），男，浙江麗水人，碩士研究生，主要研究方向：農(nóng)林業(yè)智能設(shè)備與信息系統(tǒng)。

通訊作者：武斌（1982-），男，安徽池州人，碩士研究生，主要研究方向：圖像識別及人工語言處理。