粮库粮情智能监测系统的设计与实现

　　摘 要：开发一套基于物联网的粮库粮情监测系统.采集器多点实时采集仓内温湿度、粮食温湿度及仓内空气混浊度，并将以上参数实时传输到中继器，中继器汇总数据后再通过以太网传输到远程服务器;WEB端监控程序显示所有监测点的实时数据、历史数据及变化趋势.该系统可实现对粮仓存储环境24小时监控，使粮仓管理更加智能、便捷.

　　关键词：物联网;粮情;以太网;中继器

　　《物联网技术》杂志是目前国内第一本经国家新闻出版总署批准，手续齐全的物联网专业科技期刊。物联网是继计算机、互联网之后世界信息技术的第三次革命，据美国独立市场研究机构Forreter预测，物联网所带来的产业价值要比互联网大30倍，将形成下一个上万亿元规模的高科技市场。

　　我国是农业大国，粮食安全关系到国计民生.粮食储备安全问题是粮食储备工作中的关键，为了保证粮食品质，最大限度减少粮食仓储过程中的损失，必须准确地掌握粮食仓储过程中温湿度等各种粮情参数的变化情况，并做出相应的处理.[1]随着物联网技术的兴起，粮库粮情智能化研究向网络化、智能化和数字化方面发展.孙茜莉提出了结合ARM和232串口，采用以太网通信的方式采集粮仓内特定点参数，对粮仓内粮情进行监测.[2]段天浩提出通过3G无线网络实现粮仓数据通信.[3]林泽等人采用分布式网络构建粮仓网络拓扑.[4]李理提出通过Zigbee构建粮仓无线监测网络.[5]钟志杰提出基于“云外包”模式的粮情监测系统.[6]总体上看，粮仓粮情监测研究大多集中在网络通信方式和拓扑结构上，对数据采集本身缺少关注，大多终端采集采用“固定采集-传输”模式，采集的传感器接口是固定的，网络通信方式也是固定的，当更换传感器或網络结构时，系统大部分需要更换.本文研究一套基于物联网的数字化粮情监测系统，重点关注传感器接口的一致性和通信模式的可选性，整个系统的框架确定后，网络内部结构及采样参数可以任意更换，适用面更广.

　　1 系统整体设计

　　硬件以STC15W4K32S4单片机作为采集器和执行器处理器，功能性的模块主要由温湿度传感器、烟雾传感器、单片机配合使用.采用C语言、Java语言编程开发.

　　系统包括采集器、中继器、执行器和上位机.采集器采集粮仓环境温湿度、粮食温湿度、仓内有害气体浓度等参数.为方便扩展连接不同标准件的传感器，采集器上的传感器接口设计为标准的485接口和4～20 mA电流接口.中继器通过轮巡的方式查询采集器的采样值，汇总后再通过以太网传输到远程服务器.开发的远程WEB程序可以实时监控粮仓内各个采样点的参数值，并能设定阈值，当温度、湿度、有害气体浓度等超过设定值后，会通过中继器发送指令给执行器.执行器设计为标准接口，包括继电器接口、485接口等.

　　2 硬件设计

　　2.1 采集器设计

　　采集器的处理器选用STC15W4K60S，5 V供电.参数收集采用“1—N”的模式，多点的数据汇总到一个中继节点.采集器和中继器之间的数据汇总可以根据现场环境选择大功率170 M无线、WIFI传输或者485有线传输.传感器采集接口则集成常规的数据接口，便于后期扩展使用，包括485接口、4～20 mA接口和IO接口.

　　采集器的整体结构如图1所示.传感器是一种能够感受规定的被测量、并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置.[7]温湿度传感器板载集成了485采样接口、0～5 V采样接口和4～20 mA采样接口.采集器定时采集相关温湿度及空气信息，并将数据传递给中继器，并由中继器上传给远程服务器.数据传输选择WIFI传输、433 M大功率无线传输和485传输.单片机最小系统电路的采集器处理器选用STC15W4K32S4系列单片机，兼容传统8051类型机的指令代码，宽电压2.2～5.5 V供电，内部晶振可选，USB口下载.采样板采用485接口或4～20 mA电流接口.

　　I/V转换电路见图2.4～20 mA电流从接口P7送入，0～5 V电压从P8输出后送到单片机内部AD引脚.运放选用高精度低失调的OP07，由DIP封装的TL431组成的高精度稳压电源对运放供电，DIP封装确保了散热性能，散热功耗达到1W.I/V电路要求输入电流和输出电压满足线性对应关系.转换关系为V=-1.25+312.5I.R40，R41，R42组成负稳压电源，V1=-(1+R41R40)×2.5V=-3.125V.R39和R38组成分压电路，V2=R38R38+R39×V1=-0.1V，U3反向输入端电位V3=V2=-0.1V，PNP型三极管用于扩展输出能力.R33是4～20 mA的I/V转换电阻，由于运放的作用，这个电阻的最小取值可以很小，电阻越小越能减轻前方传感变送器的供电要求.[8]V4=V3+R33×Iin=-0.1+2.5×Iin.滤波电容C56和两只1N4148(D15和D16)用于对输入电压进行保护，防止干扰信号的串入.采样电压V4送到U21的同向输入端，V5=V4=V3+R33×Iin=-0.1+25×Iin.U21输出端R34和R44分压后从P8端口送出I/V转换的结果，Vout=(1+R43R44×V5=-1.25+312.5Iin.为确保测量精度和系统稳定性，I/V电路中所有电阻均选用温漂不大于50 mmp的精度0.1%的E96分度金属膜电阻.

　　采集器中集成了多种通信方式，包括485通信、WIFI通信以及大功率无线通信.当粮仓现场网络环境良好，可以选择WIFI通信.粮仓无外接无线信号强干扰并且对通信距离有要求的前提下，可以选用大功率无线通信170 M.通信距离远且无线干扰比较严重的情况下，则可以选择485通信接口.可随机测试，也可连续测试，抗干扰设计能提高系统精度和可靠性.[9]WIFI通信实测空曠地通信距离为100米，最大发射功率100 mW，宽供电电压2.4～3.6 V，便于电池供电，电路图如图3所示，通过单片机串口和E103-W02实现通信，完成配置及数据收发.

　　RS485总线是串行总线标准，采用平衡发送与差分接收的方式.为确保通信正常，在电路中加入总线保护和隔离电路，电路如图4所示.TTL端选用NEC的光耦PS2501(J9，J10，J11)实现总线端和控制端的隔离，同时控制端和总线端的电源通过DC-DC器件B0505S-1W实现隔离，确保总线中的干扰不会影响到控制系统.485总线端A，B引脚分别通过R96，R97电阻上、下拉，确保485无数据收发时，总线端的干扰会造成数据误接收.D30，D31和D32是6.8 V钳位二极管，用于保护485端口，避免总线电压过高烧坏控制端.C31，C32，L21和L22用于提高电路的EMI性能，屏蔽总线工频干扰.

　　2.2 中继器设计

　　现场采取1-N的布网模式，采集器的数据汇总到一个中继节点，再由中继节点通过以太网将数据上传到远程PC端.中继器的结构见图5.中继器采用有人物联网公司生产的USR-TCP232-T2物联网串口以太网模块，实现RJ45网口与TTL 串口之间直接的数据透明传输设备，无需单片机驱动，其内部搭载M0系列处理器，运行速度快、效率高、低功耗、体积小.模块在透明传输过程提供TCP和UDP传输协议可供选择，方便用户根据需要选用.

　　3 软件设计

　　系统分为三层结构：底层采集执行器，中间传输层，上位机.整个系统传输协议采用工业级MODBUS协议.底层采集执行器在粮仓内部，实时采集粮仓内部环境参数和粮堆温湿度参数，通过WIFI、485或无线传送到中继器.执行器接收到中间层执行命令，控制粮仓内的加热炉和鼓风扇.中间传输层接收到底层采集到的数据，存放在缓存区.当上位机发送读取命令时，通过以太网回传数据，同时，接收写控制命令，下传到底层采集执行器，控制粮仓设备.上位机由Java编辑开发，在数据传输协议中采用TCP协议，TCP三次握手，保证数传输过程的可靠性.当上位机发送读取命令后，收到中继器回传的数据，进行解析.上位机可以手动控制粮仓内部设备，也可以设置参数自动控制设备开启.上位机在显示实时数据的同时还可以查看往期数据记录.

　　采集器软件代码主要负责环境参数的采集与上传，进行ADC转换得到具体数值，温湿度环境参数由DHT11模块采集数字量输出，无需ADC转换.当采集器接收到查询命令后，将BUFF中的数字上传到中继器.上位机软件由Java编程语言实现，系统分为三个模块：数据库设计、人机界面设计和通信设计.人机界面用于显示粮库内2D监测图，各个点的实时参数监测.采样的数据定时存储在数据库中，通信支持TCP协议，数据交互通过socket包完成.

　　4 总结

　　设计了一款基于物联网的粮库粮情监测系统，可以完成现场粮堆及粮库环境的测量，通过中继器上传到远程PC端.PC端可以通过三维模型监测到粮仓内各个点的参数，通过自动或手动方式控制鼓风机、冰箱、加热器和加湿器，用于保证粮仓内环境的稳定.该系统已在合肥某粮库内试运行半年多，提高了粮库监测的效率，减少了人力.

　　参考文献

　　[1]周慧玲，甘典文，王智威，等.基于ARM/GPRS/ZigBee技术的无线粮情监控系统的设计与实现[J].测控技术，2011(2)：11-15.

　　[2]孙茜莉.基于ARM9的粮仓环境监测系统关键技术研究与实现[D].长沙：湖南大学，2013.

　　[3]段天浩.粮情无线监测系统的设计与研究[D].合肥：安徽大学，2016.

　　[4]林泽.分布式无线粮情监测系统的设计与应用[J].电子工程师，2008，37(7)：71-73.

　　[5]李理，刘柯岐.基于Zigbee的粮仓分布式传感器网络[J].兵工自动化，2008，27(9)：63-64.

　　[6]钟志杰.基于“云外包”模式的粮情测控系统设计与实现[D].合肥：安徽大学，2014.

　　[7]胡 毅，林其斌，党小宇，等. 金属应变片电阻传感器测量性能分析[J]. 牡丹江师范学院学报：自然科学版，2018(4)：35-38.

　　[8]杨坤，李文娟，杜坤梅.基于DSP的多级油泵测控系统[J].宁波职业技术学院学报，2008，12(2)：6-10.

　　[9]宁丽娟，张殿甲，毕凤可，等. 基于C8051F单片机动态测流系统平台的设计[J]. 牡丹江师范学院学报：自然科学版，2012(3)：11-12.