粮食科技物流中心温湿度监控系统的设计-AET-电子技术应用

粮食科技物流中心温湿度监控系统的设计

2014年微型机与应用第14期

陈洁，王恩亮

江苏信息职业技术学院电信系，江苏无锡

摘要：在分析粮食科技物流中心的发展趋势的基础上，提出了一种基于SHT71的分层结构的温湿度监控系统，介绍了监控系统的网络结构。该系统以数字式温湿度传感器SHT71和STC单片机构成智能化的监控节点，结合触摸屏、GPRS模块构成仓房分布式监控系统实现温湿度的远程多点监控。对智能传感器节点电路及软件进行了设计，给出了详细的框图、程序流程图和组态画面。

关键词： 传感器SHT71 STC单片机 GPRS模块分布式控制

Abstract：

Key words :

摘要：在分析粮食科技物流中心的发展趋势的基础上，提出了一种基于SHT71的分层结构的温湿度监控系统，介绍了监控系统的网络结构。该系统以数字式温湿度传感器SHT71和STC单片机构成智能化的监控节点，结合触摸屏、GPRS模块构成仓房分布式监控系统实现温湿度的远程多点监控。对智能传感器节点电路及软件进行了设计，给出了详细的框图、程序流程图和组态画面。

　关键词：传感器SHT71；STC单片机；分布式控制

　　粮食的安全储藏是一个国家的重大战略决策，我国也不例外。自20世纪末,国家逐步增加粮食储备数量, 但是大部分粮库的现代化程度较低，致使粮食储藏期间品质劣变快,常见现象为结露、发热、霉变等。而先进的粮库储粮监测技术是科学储粮的关键技术之一。网络共用、数据共享、设备联动、作用互补和功能优化的一体化储粮新技术[1]，是当前粮食储存技术的发展方向，更是现代化的粮食科技物流中心的发展趋势。

　　温度和湿度是仓库环境的两个重要参数,以往温湿度检测系统多采用分离的传感器分别对温、湿度进行测量，再由A/D转换成数字信号。本文提出的系统采用数字式温湿度一体芯片SHT71, 能够一次性测量温度、湿度, 直接输出数字信号。由经济型的STC10系列单片机作为主控器，构成一个谷堆监测节点，SHT71采集的数据送至该节点。多个谷堆测量节点以485总线方式构成一个独立的仓房监测系统，管理员可以观测和控制某一个仓房，同时，每个仓房通过各自的GPRS模块以无线的方式上传数据至物流中心，管理部门可以通过Internet实时监测有关数据，实现粮仓的现代化管理。

　1 系统总体结构与工作原理

　　粮食科技物流中心温湿度监控系统采用混合网络拓扑（分层）结构，组网灵活[2]，系统架构如图1所示。系统主要包括数据采集层、数据管理层和数据共享层，系统能在无人值守时，实现物流中心数据的实时报送[3]。

　2 系统硬件设计

　　数据采集层由多个分布在不同地方、独立的仓房监控系统组成，彼此之间是相对平等和独立的，同时，各个仓房监控系统之间又是有联系的，通过Internet网络，仓房之间能够进行信息的交互。每个独立的仓房监控系统包括上位机（触摸屏）、智能传感器节点、GPRS模块。本设计采用基于RS485总线分布式智能控制系统，结构如图2所示。

　　2.1 仓房控制系统

分布式控制系统(DCS)是利用计算机技术、控制技术、通信技术和显示等有关技术实现对生产过程的集中管理和分散控制[4]，即实现系统管理的集中性和控制的分散性。本系统采用总线型结构，所有节点通过接口接到一条总线上，每次仅允许一个节点发送数据，所发数据可以同时被所有节点接收，通过地址设定的方式，每个节点接收指定节点的数据。

　　各部分主要功能如下：

　　智能测量与控制节点：负责现场温、湿度的采集与实时控制。根据触摸屏通过485总线下传的该点温度、湿度控制值进行温度、湿度调节，并实时将温度、湿度信息、控制信息等经过GPRS模块上传给数据管理层的控制计算机[5]。

　　触摸屏：充当工控机完成各个测量点的温度、湿度的实时显示及控制，具备一定的数据处理能力，进行数据统计和分析，并可以完成温湿度控制曲线的生成。触摸屏选用昆仑通态触摸屏TPC7062K[6]，它是一套以嵌入式低功耗CPU为核心(主频为400 MHz)的高性能嵌入式一体化工控机，采用高亮度TFT液晶显示屏，具有一个RS485通信口，一个RS232通信口。RS232通信口用于连接GPRS模块，RS485通信口连接多个智能节点。采用MCGS嵌入版组态软件进行组态，完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制。

　　GPRS模块：为数据采集层和数据管理层之间建立通信链路，实现无线数据通信[7]。GPRS模块选用天同诚业的WG-8010 GPRS DTU，其内置工业级GPRS无线模块[8]，提供标准RS232/485的数据接口，一次性初始化配置，全透明传输数据，支持报文模式，需要配置ID号。

　　仓房监控系统工作原理：每个智能节点采集到相应粮堆的环境参数（温度和湿度)，上传至STC10系列单片机，单片机可以控制相应的器件使空调工作，或启动除虫装置，同时数据经485总线送至充当工控机的触摸屏，并由触摸屏驱动GPRS模块向数据层发送数据。

　　2.2 智能测量与控制节点设计

　　智能传感器节点的结构图如图3所示，控制器选用性价比较高的STC10F04单片机[9]，STC10F04是增强型的8051CPU，1T/机器周期，指令完全兼容8051；5.5 V～3.8 V/3.3 V工作电压；工作频率为0～40 MHz；36根I/O口线；2个DPTR；双倍速模式；2个定时/计数器；1个看门狗定时器WDT；2个增强全双工串口UART等。

　　温湿度传感器SHT71是高度集成的数字式一体化芯片[10]，响应时间快、精度高(在25 ℃时温度精度为±0．40 ℃，相对湿度精度为±3．0％)、可编程设置测量分辨率(湿度8/12 bit，温度12/14 bit)。

　　本系统设定传感器的测量分辨率为：湿度8位、温度12位，分别对应O．5％和0．04 ℃的测量分辨率，既能满足测量要求，也能实现测量节点超低功耗设计。

　　STC10F04单片机与SHT71的硬件接口、与75176构成485总线的硬件接口如图4所示。

　　测量时序如图5所示[10]：STC10F04单片机发起启动传输时序(TS)、通过DATA线发起测量命令(“00000101”—测量相对湿度；“00000011”—测量温度)、SHT71返回一个低电平作正确接收应答、等待测量结束、测量结束(SHT71拉低数据线为低电平)；SHT71的数据线向外发送数据；STC10F04单片机接收高字节并应答(ACK)(一个低电平)、低字节接收并应答(一个低电平)；SHT71的数据线向外发送CRC-8校验数据，单片机确认ACK信号并保持为高电平，通信结束，SHTXX自动转入休眠状态[10]。

　　其中，TS为传输启动，Checksum为CRC-8校验和。

　　为将传感器输出的数字量转换为直观的物理单位量，需进行数据转换处理。

　　SHT71传感器的温度输出可用式(1)将数字量输出转换为温度值：

　　T=-40 ℃+0.04·SOT(1)

　　其中，SOT为SHT71的12位数字温度输出。

　　湿度输出与温度有关，采取补偿方法以获取准确数据：

　　RHlinear=-4+0.648×SORH-7.2×10-4×SORH2(2)

　　其中，RHlinear为25 ℃时的实际相对湿度，SORH为25 ℃时8位数字相对湿度值。

　　由于实际温度与25 ℃有差别，使用式（3）进行补偿修正，修正后的相对湿度值为RHtrue：

　　RHtrue=(T-25)×(0.01+0.00128×SORH)+RHlinear(3)

　　3 软件设计

　　3.1 智能节点数据采集程序设计

　　软件设计成低功耗方式，每隔5 s检测一次数据，温湿度测量结束后，等待上位机的通信请求，根据上位机要求向触摸屏发送数据。SHT71内部集成了循环冗余校验电路，在传送信息时，SHT71根据所发信息的内容计算出一个CRC值，同样，接收方也用相同的方法计算出一个相应的CRC值。比较两个CRC值，若一致，则确认信息传送正确[11]；否则，丢弃，再发。其数据采集程序流程图如图6所示。