趙 方 ， 朱海云

（鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450121)

0 引言

糧食是國(guó)家的戰(zhàn)略物資之一，糧食安全問題是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重要問題，其中糧食的可靠存儲(chǔ)是糧食安全中的重點(diǎn)任務(wù)之一。當(dāng)前在糧食存儲(chǔ)過程中，國(guó)內(nèi)外都存在嚴(yán)重的浪費(fèi)現(xiàn)象，據(jù)統(tǒng)計(jì)，糧食的損耗達(dá)到10%以上[1]。其中，存儲(chǔ)過程中的損耗占主要部分，糧食在存儲(chǔ)過程中對(duì)存儲(chǔ)環(huán)境的溫度、濕度的控制是減少糧食存儲(chǔ)損耗的關(guān)鍵。如果糧食存儲(chǔ)環(huán)境的溫度、濕度控制不當(dāng)，會(huì)出現(xiàn)糧食霉變、蟲害、發(fā)熱等情況，直接導(dǎo)致糧食質(zhì)量下降。為了保證糧食的存儲(chǔ)質(zhì)量，必須保證其存儲(chǔ)環(huán)境的溫度、濕度保持在合適的范圍內(nèi)。當(dāng)前糧庫的溫濕度控制一般采用人工巡檢的方式，不但耗費(fèi)人力、增加糧食存儲(chǔ)的成本，還存在控制不夠及時(shí)的缺陷；另外，溫濕度的檢測(cè)通常采用模擬式傳感器，存在精度低、易損壞、傳輸誤差大等不足；控制器一般采用成本較高的PLC[2]。當(dāng)前糧庫環(huán)境一般不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控的也大都采用有線傳輸?shù)姆绞絺鬏敂?shù)據(jù)，如CAN總線傳輸、RS485傳輸，不但布線繁雜，而且線路過長(zhǎng)會(huì)引起電磁場(chǎng)干擾，從而導(dǎo)致傳輸數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤。

課題組以某地一小型糧倉為研究對(duì)象，克服當(dāng)前技術(shù)的不足，提出一種以ARM Cortex-M3控制器STM32F103VET6為核心，采用GSM無線通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，結(jié)合KingView 6.55組態(tài)技術(shù)的糧倉溫度、濕度自動(dòng)控制及實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)構(gòu)成

本設(shè)計(jì)由集中監(jiān)控中心、管理員手機(jī)、糧倉溫濕度控制系統(tǒng)組成。采用ARM Cortex-M3 32位微處理器STM32F103VET6為核心控制器，采用數(shù)字溫濕度傳感器DHT11實(shí)時(shí)采集糧倉內(nèi)環(huán)境溫濕度，并將檢測(cè)信息傳輸給STM32F103VET6，STM32F103VET6根據(jù)實(shí)際值和設(shè)定值的關(guān)系進(jìn)行決策（以自然通風(fēng)為例），自動(dòng)調(diào)整環(huán)境的溫濕度，使其保持在在設(shè)定的范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)了溫度設(shè)定以及超限、故障報(bào)警、溫度顯示等功能。還設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，通過GSM無線網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境參數(shù)、故障等信息實(shí)時(shí)上傳至遠(yuǎn)端監(jiān)控中心，同時(shí)將報(bào)警信息發(fā)送到管理員手機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)雙重保險(xiǎn)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控制器的選擇

當(dāng)前市面上糧食存儲(chǔ)環(huán)境自動(dòng)控制系統(tǒng)大都采用價(jià)格昂貴的PLC作為主控制器，本設(shè)計(jì)采用了32位的RISC STM32F103VET6單片機(jī)，它是ARM Cortex-M3系列中的主流處理芯片，價(jià)格與8位機(jī)和16位機(jī)相當(dāng)，具有工業(yè)級(jí)的抗干擾能力。STM32F103VET6有100個(gè)引腳，512 K Flash，64 K SRAM，80個(gè)GPIO口，2個(gè)PWM定時(shí)器，4個(gè)通用定時(shí)器，2個(gè)高級(jí)定時(shí)器，2個(gè)基本定時(shí)器，3個(gè)SPI，2個(gè)I2C，2個(gè)I2S接口，5個(gè)USART，1個(gè)USB接口，1個(gè)CAN通信接口，1個(gè)SDIO接口。3路12位ADC，共16個(gè)通道；2路12位的DAC，共2個(gè)通道?？蛇\(yùn)行于72 MHz的頻率下，工作速度快。工作電壓是直流2.0 V～3.6 V，功耗低，可在－40 ℃～＋105 ℃的溫度范圍內(nèi)工作。

STM32F103VET6單片機(jī)要想正常工作，必須接上復(fù)位電路、振蕩電路、啟動(dòng)電路等核心部分構(gòu)成其最小系統(tǒng)。其中，STM32F103VET6的時(shí)鐘電路由兩個(gè)外部時(shí)鐘源組成，一個(gè)低速時(shí)鐘源接到PC14和PC15引腳，接32.768 kHz的晶振；一個(gè)是高速時(shí)鐘源，接到OSCIN和OSCOUT引腳，接8 MHz的晶振。STM32F103VET6用低電平復(fù)位，復(fù)位電路設(shè)計(jì)一個(gè)開關(guān)電路即可。由于STM32F103VET6可以從內(nèi)置Flash啟動(dòng)，可從系統(tǒng)存儲(chǔ)器啟動(dòng)，還可從內(nèi)置SRAM啟動(dòng)，本系統(tǒng)的啟動(dòng)電路設(shè)計(jì)為從內(nèi)置Flash啟動(dòng)。

2.2 溫濕度傳感器的選擇及鍵盤的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的糧食存儲(chǔ)環(huán)境的檢測(cè)大都采用模擬式熱電偶、熱電阻等溫度傳感器，其特點(diǎn)是輸出信號(hào)微弱，并且需要后期數(shù)據(jù)處理，電路復(fù)雜，且模擬信號(hào)不易遠(yuǎn)傳[3-4]。本設(shè)計(jì)選用了溫濕度傳感器DHT11實(shí)時(shí)檢測(cè)糧食存儲(chǔ)環(huán)境的溫度和濕度。DHT11是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的數(shù)字溫濕度復(fù)合傳感器。它包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接，具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。其供電電壓是3 V～5.5 V，濕度精度為±5%RC，溫度精度為±2 ℃，濕度分辨率為1%RH，溫度分辨率為1 ℃，濕度測(cè)量范圍為20%RH～90%RH，溫度測(cè)量范圍為0～50 ℃。DHT11采用單總線通信，有4個(gè)引腳：VCC、VDD、DATA、NC。DHT11和STM32F103VET6的連接如圖2所示。

在實(shí)際中，需要人工根據(jù)不同的季節(jié)設(shè)定糧食存儲(chǔ)環(huán)境的溫度和濕度。因此，課題組根據(jù)需要設(shè)計(jì)了一個(gè)3×4的矩陣式鍵盤，分別表示數(shù)字0～9鍵和設(shè)置鍵、確認(rèn)鍵，矩陣式鍵盤連接到STM32F103VET6 GPIOA口的PA1～PA7口，如圖2所示。

圖2 溫濕度采集和鍵盤電路

2.3 液晶顯示、報(bào)警、風(fēng)機(jī)控制、轉(zhuǎn)換開關(guān)、時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中LCD液晶顯示器用來顯示糧食存儲(chǔ)環(huán)境的溫度、濕度、通風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況是否正常等關(guān)鍵信息，設(shè)計(jì)中選用了帶有中文字庫的LCD12864作為顯示器，LCD12864具有硬件電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易用、程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、功耗低等優(yōu)點(diǎn)[5]。系統(tǒng)時(shí)鐘采用美國(guó)DALLAS公司的DS1302，其特點(diǎn)是功耗低、性能高、價(jià)格低、使用簡(jiǎn)單方便，自帶RAM可以對(duì)年、月、日、周、時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)，主要用來作為整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)鐘時(shí)基，以便準(zhǔn)確記錄超限報(bào)警等故障時(shí)間。由于STM32F103VET6的工作電壓是3.3 V，而LCD12864最穩(wěn)定的工作電壓是5 V，因此在LCD和STM32F103VET6進(jìn)行連接的時(shí)候采用電平轉(zhuǎn)換芯片74LVX4245把3.3 V轉(zhuǎn)換為5 V。當(dāng)糧食存儲(chǔ)環(huán)境的溫濕度或者通風(fēng)機(jī)工作異常時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行聲光報(bào)警，溫濕度報(bào)警紅燈閃爍、風(fēng)機(jī)故障黃燈閃爍，同時(shí)將報(bào)警信息通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至管理員手機(jī)和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，以便提醒管理員及時(shí)處理[6]。這些功能占據(jù)了STM32F103VET6的GPIOB和GPIOC端口。電路原理圖如圖3所示。

圖3 液晶顯示、報(bào)警、時(shí)鐘、通風(fēng)機(jī)控制、自動(dòng)/手動(dòng)切換電路原理圖

2.4 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主控制器STM32F103VET6的工作電源是直流3.3 V[7-8]，LCD液晶顯示穩(wěn)定的工作電壓是直流5 V。單相220 V的交流電先經(jīng)變壓器降壓，采用的220 V變交流12 V的變壓器，變壓后經(jīng)二極管全波整流變?yōu)槊}動(dòng)的直流電，然后進(jìn)行電容濾波，再用7805三端穩(wěn)壓管進(jìn)行穩(wěn)壓，穩(wěn)壓后再次濾波，最后得到穩(wěn)定、平滑的5 V直流電壓。由于主控制器是3.3 V供電，因此用REG1117-3.3 V電壓轉(zhuǎn)換模塊將直流5 V轉(zhuǎn)換為直流3.3 V為主控制器STM32F103VET6供電。系統(tǒng)中的電容為濾波電容，容值大的電容用來濾低次諧波，容值小的電容主要用來濾高次諧波。二極管為電源指示燈。系統(tǒng)電源電路原理圖及參數(shù)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)電源電路

2.5 GSM通信電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用中國(guó)移動(dòng)公用GSM無線通信網(wǎng)絡(luò)作為傳輸數(shù)據(jù)的通道，GSM無線通信傳輸距離不受限制，覆蓋面廣，只要網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方數(shù)據(jù)都可以到達(dá)。GSM通信模塊采用Siemens公司的TC35，通信接口電路設(shè)計(jì)由兩部分組成，一是糧食存儲(chǔ)環(huán)境溫濕度測(cè)控裝置和TC35的接口電路，二是監(jiān)控中心PC機(jī)和TC35的接口電路設(shè)計(jì)。

TC35模塊支持中文短消息，工作電壓是直流3.3 V～5.5 V，典型值是4.2 V，可以在900 MHz和1 800 MHz兩個(gè)頻段工作，可以安全可靠地實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。TC35支持文本和PDU模式的短消息，主要由供電單元、射頻單元、閃存、零阻力插座、天線等部分組成。TC35與STM32F103VET6都是CMOS電平，相互兼容，可通過零阻力插座連接。STM32F103VET6單片機(jī)共有5個(gè)串口[9-11]，在設(shè)計(jì)中選擇了串口USART1（即PA9和PA10）和TC35通信。STM32F103VET6控制和驅(qū)動(dòng)TC35將現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的溫濕度、報(bào)警等信息，通過與TC35連接的SIM卡1發(fā)送至管理員手機(jī)SIM卡2和PC機(jī)監(jiān)控中心SIM卡3，并在上位機(jī)監(jiān)控軟件中存儲(chǔ)、顯示。上位機(jī)通過RS232串口和TC35模塊連接，TC35將接收到的來自現(xiàn)場(chǎng)的信息通過串口傳送至上位機(jī)監(jiān)控軟件。

TC35模塊有40個(gè)引腳，通過零阻力插座引出，有電源引腳、SIM卡連接引腳、數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳、音頻和控制接口引腳，共5類。1～5是正電源，并聯(lián)后接到電源正極。6～10是電源地，并聯(lián)后接地。16～23是數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳，符合RS-232接口標(biāo)準(zhǔn)。24～29引腳連接SIM卡。32引腳SYNC接指示燈，指示TC35的工作狀態(tài)。主控制器、無線通信模塊和上位機(jī)的接口電路如圖5所示。

圖5 通信接口電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制終端軟件設(shè)計(jì)

控制終端環(huán)境溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)主要完成對(duì)糧食存儲(chǔ)環(huán)境的溫濕度檢測(cè)，并和設(shè)定值比較，若超限則控制器啟動(dòng)通風(fēng)機(jī)以降溫、除濕，從而保證糧食存儲(chǔ)環(huán)境的溫濕度在要求的范圍內(nèi)。其軟件主要包括主控程序、溫濕度采集程序、鍵盤子程序、LCD液晶顯示子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、數(shù)據(jù)發(fā)送子程序、時(shí)鐘子程序等。控制終端的主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

3.2 電腦監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

糧食存儲(chǔ)環(huán)境的溫濕度控制系統(tǒng)的溫度、濕度數(shù)據(jù)可以通過GSM網(wǎng)絡(luò)傳給上位機(jī)監(jiān)控軟件，PC機(jī)上位機(jī)監(jiān)控軟件采用組態(tài)軟件組態(tài)王KingView 6.55進(jìn)行開發(fā)。上位機(jī)監(jiān)控軟件主要起到監(jiān)控作用，其數(shù)據(jù)曲線顯示功能清楚易懂，并能方便地通過動(dòng)畫設(shè)計(jì)把上位機(jī)監(jiān)控界面的顯示數(shù)據(jù)和環(huán)境監(jiān)控點(diǎn)的實(shí)際位置聯(lián)系起來。系統(tǒng)的上位機(jī)監(jiān)控軟件主要包括以下功能。

1）監(jiān)控軟件主界面：主界面主要顯示現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫濕度數(shù)據(jù)、風(fēng)機(jī)故障、溫濕度超限報(bào)警等信息。

2）歷史數(shù)據(jù)查詢：完成環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫濕度的歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢。

3）曲線顯示：用曲線圖直觀地顯示現(xiàn)場(chǎng)溫濕度的變化趨勢(shì)。

4）參數(shù)設(shè)定：完成對(duì)溫濕度監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度、濕度上下限值的遠(yuǎn)程設(shè)置。

5）溫濕度檢測(cè)：實(shí)時(shí)查詢現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)。

6）打印：打印監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫濕度的歷史數(shù)據(jù)。

7）存儲(chǔ)：存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的歷史溫濕度數(shù)據(jù)。

8）報(bào)警提示：用指示燈的不同顏色以提示用戶管理者溫濕度異常、風(fēng)機(jī)故障等報(bào)警信息，指示燈綠色為工作正常，紅色為工作異常。

4 結(jié)論

課題組以某糧食經(jīng)銷商的小型糧倉為研究對(duì)象，制作了試驗(yàn)樣機(jī)，設(shè)置了一個(gè)溫濕度采樣點(diǎn)，利用本控制系統(tǒng)能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)糧倉內(nèi)的溫濕度在設(shè)定的范圍內(nèi)。模擬了幾個(gè)故障點(diǎn)，上位機(jī)和用戶手機(jī)都收到了故障信息，上位機(jī)監(jiān)控軟件能按照設(shè)定的時(shí)間間隔實(shí)時(shí)獲取現(xiàn)場(chǎng)信息。

本設(shè)計(jì)利用GSM技術(shù)、組態(tài)技術(shù)和ARM單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了糧食存儲(chǔ)環(huán)境溫濕度的自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控，并且基于GSM網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)傳輸信息不受時(shí)間、空間的限制，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)控。用工業(yè)級(jí)的高性能ARM單片機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PLC控制，大大降低了成本，提高了糧食存儲(chǔ)質(zhì)量的可靠性，本設(shè)計(jì)在糧食存儲(chǔ)環(huán)境控制中具有廣泛的應(yīng)用前景和實(shí)際價(jià)值。