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        糧庫遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究

        2013-12-10 07:13:08熊宗接陳良洲徐永杰
        計測技術(shù) 2013年3期
        關(guān)鍵詞:測量系統(tǒng)

        熊宗接,陳良洲,徐永杰

        (1. 中國人民解放軍92601 部隊,廣東 湛江524009;2. 華中科技大學(xué)機械學(xué)院,湖北 武漢430074)

        0 引言

        為實現(xiàn)科學(xué)存糧,必須對糧倉內(nèi)外環(huán)境溫度、濕度、糧食溫度、糧食水分、有害氣體濃度、儲糧害蟲等糧情參數(shù)進行綜合監(jiān)測,并進行相應(yīng)的控制。目前糧情采集監(jiān)測系統(tǒng)多采用有線通信,或近距離的Zigbee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測[1],由于通信距離短,并且與控制系統(tǒng)沒有集成在一起,系統(tǒng)智能化程序低,集成性差、監(jiān)測范圍小。因此糧食倉儲管理急需一套集成度高、智能化的遠程系統(tǒng)來進行科學(xué)管理。

        1 糧庫智能監(jiān)控系統(tǒng)總體方案

        系統(tǒng)組成如圖1 所示。由SHT11 數(shù)字溫濕度傳感器和DS18B20 單總線數(shù)字溫度傳感器構(gòu)成測量主體[2],前者測量糧倉中的溫度和濕度,后者測量糧食中的各層溫度。各個傳感節(jié)點將測量數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機檢測分機,單片機分機與GPRS DTU 模塊通過485 總線相連接,將各個分機的測量數(shù)據(jù)發(fā)送到遠程上位機上,并且測量過程可受遠程上位機命令控制。這個GPRS DTU 模塊根據(jù)各分機不同的地址可負責(zé)幾個分機的分時操作。另一個GPRS DTU 模塊可連接多個不同站號的PLC 進行遠程控制,上位機可根據(jù)單片機測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與設(shè)置的上、下限數(shù)據(jù)進行PLC 的自動控制。視頻監(jiān)控可通過網(wǎng)線或無線WIFI 連接至PC 系統(tǒng),實驗中我們通過WIFI 與筆記本電腦通訊。

        圖1 系統(tǒng)組成框圖

        2 庫房分機設(shè)計

        設(shè)計的庫房測溫濕度分機具備設(shè)備在線查詢、分機切換操作、周期自動檢測和庫房測溫傳感器的地址表遠程燒寫功能。每個設(shè)備分機通過板上的跳線座可設(shè)定0x00 至0x1f 之間的任意唯一地址,上位機就可以通過指令檢查該分機是否在線并通過相應(yīng)的指令操作具體的庫房分機,在庫房某根電纜中的傳感器發(fā)生故障時,可通過更換新電纜并重新燒寫新的地址表來實現(xiàn)簡單的后期維護。分機的數(shù)據(jù)接口設(shè)計為二線制的485 總線接口,可擴展性相當強。實驗中分別利用支持485 總線的宏電公司的GPRS 模塊和卓嵐公司的485 轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊[3]實現(xiàn)遠程服務(wù)器端的數(shù)據(jù)雙向交互功能,尤其是485 轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊操作實時性強,后期免充值或維護費用。庫房控制分機由三菱PLC 組成,通過485 總線與GPRS 模塊或485 轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊形成通信鏈路。系統(tǒng)上電后,可通過遠程計算機指令控制單片機系統(tǒng)電源進行糧情檢測板的復(fù)位,設(shè)定檢測周期開始檢測庫房溫濕度,手動或根據(jù)測量結(jié)果自動控制庫房各風(fēng)機、空調(diào)設(shè)備。

        3 上位機設(shè)計

        上位機程序采用組態(tài)王(KingVIEW)軟件編寫,組態(tài)王軟件作為一種開放型的通用工業(yè)監(jiān)控軟件,融過程控制設(shè)計、現(xiàn)場操作以及工廠資源管理于一體,將一個企業(yè)內(nèi)部的各種生產(chǎn)系統(tǒng)和應(yīng)用以及信息交流匯集在一起,實現(xiàn)最優(yōu)化管理。本系統(tǒng)采用組態(tài)王內(nèi)嵌的宏電GPRS DTU 驅(qū)動,利用虛擬串口,可方便實現(xiàn)與下位機的通信。

        上位機監(jiān)控中心包含以下幾個基本模塊:用戶管理模塊,使用正確的用戶名和密碼才能安全登錄進入系統(tǒng);糧庫查詢模塊,在線糧倉對應(yīng)的命令按鈕高亮顯示,點擊此按鈕可對相應(yīng)糧倉進行操作;數(shù)據(jù)接收模塊,用于接收下位機測量數(shù)據(jù);PLC 控制模塊,手動遠程控制PLC 各輸出的動作,及根據(jù)報警模塊的設(shè)置進行自動控制;報警模塊及數(shù)據(jù)報表模塊。其中上位機數(shù)據(jù)接收流程如圖2 所示。如果虛擬串口“接收數(shù)據(jù)”改變,則在數(shù)據(jù)改變命令語言中啟動“接收數(shù)據(jù)數(shù)目延時”,此延時在秒數(shù)據(jù)改變命令語言中計數(shù),延時時間到達后,“接收數(shù)據(jù)數(shù)目”加1,之后在應(yīng)用程序命令語言中,根據(jù)“接收數(shù)據(jù)數(shù)目”把接收到的數(shù)據(jù)賦值給相應(yīng)的變量。隨后檢測接收到數(shù)據(jù)的長度,如果長度正確,則“數(shù)據(jù)接收完成N”置1,在事件命令語言中,根據(jù)不同的“數(shù)據(jù)接收完成N”完成最后的解析。如圖2 所示,虛擬串口在接收到數(shù)據(jù)以后,需要延時一段時間才能把“接收數(shù)據(jù)數(shù)目”加1,這個延時非常重要。

        圖2 上位機數(shù)據(jù)接收流程圖

        根據(jù)控制規(guī)程,在上位機監(jiān)測系統(tǒng)中編寫控制策略,并以此來驅(qū)動PLC 的內(nèi)部輔助寄存器,完成對風(fēng)機、除濕機、空調(diào)以及窗戶的控制。PLC 選用三菱FX2N 系列,利用GX-Developer 編寫PLC 控制程序方便靈活,易于調(diào)試。上位機測控系統(tǒng)形成決策后,通過互聯(lián)網(wǎng)把指令傳送至DTU,DTU 再以串口形式發(fā)送給PLC,PLC 根據(jù)事先編譯好的程序做出相應(yīng)的動作,與此同時上位機讀取PLC 的輸出狀態(tài),并判斷指令是否執(zhí)行成功。關(guān)于現(xiàn)場控制模式則是通過PLC 編程口連接工業(yè)觸控屏,實現(xiàn)現(xiàn)場近距離手動控制。

        4 關(guān)鍵難點與創(chuàng)新

        4.1 任意多個DS18B20 測溫傳感器的地址二叉樹搜索算法的實現(xiàn)

        現(xiàn)有許多庫房安裝的老一代單一的糧情檢測系統(tǒng)都帶有大量的測溫電纜,如果都廢棄不用,既沒有經(jīng)濟效益也是一種資源的浪費。但要用起來,當初設(shè)計的上位機程序中固化的每個傳感器的地址又不得而知,就沒辦法將這些測溫傳感器利用起來,所以讀出現(xiàn)有測溫電纜中的各傳感器地址變得相當重要。

        根據(jù)DS18B20 的技術(shù)文檔中提到的其地址的自動搜索算法的描述[4],利用堆棧的出入棧技術(shù)將各二叉樹的分支保存起來,就可以將任意多個DS18B20 傳感器的地址讀取出來,并通過單片機的串口打印到電腦顯示器上,其中核心程序如下:

        #define MAXNUM 4 //定義傳感器數(shù)量

        idata uchar ID [MAXNUM][8] =0;//定義傳感器地址變量

        void search_ rom (void)//搜索ROM

        { uchar k,top,location,m,n;

        uchar record [(MAXNUM+1)] =0;

        uchar ss [64] = {0};

        top=0;

        do

        { write_ byte (0xf0);

        for (m=0;m <8;m+ +)

        {

        uchar s=0;

        for (n=0;n <8;n+ +)

        {k=read_ 2bit ();//讀兩位數(shù)據(jù)

        k=k&0x03;

        s >>=1;

        if (k= =0x01)//01 讀到的數(shù)據(jù)為0 寫0

        {write_ bit (0);

        ss [(m* 8 +n)] =0;

        }

        else if (k= =0x02)//讀到的數(shù)據(jù)為1 寫1

        … …

        else if (k= =0x00)//讀到的數(shù)據(jù)00 有沖突位

        {

        … …

        if (location >record [top])

        {write_ bit (0);

        ss [(m* 8 +n)] =0;

        record [+ +top] =location;//入棧

        }

        … …

        ID [num][m] =s;

        }

        num=num+1;

        }while (record [top]!=0&& (num <MAXNUM));

        4.2 將測量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)集成在一個上位機畫面

        視頻監(jiān)控硬件方面選用了支持WIFI 和網(wǎng)線雙功能的網(wǎng)絡(luò)攝像頭,軟件上使用組態(tài)軟件將糧情檢測數(shù)據(jù)和風(fēng)機、空調(diào)電源控制和視頻畫面的選擇集成在一個上位機操作畫面。整個系統(tǒng)是真正意義上的測量和控制系統(tǒng),不是目前傳統(tǒng)的單一測量系統(tǒng)[5]。

        4.3 遠程無線通迅

        通過安裝手機SIM 卡的GPRS 模塊真正建立遠程無線通訊,比通過Zigbee 無線網(wǎng)絡(luò)組建的無線通訊距離大。另外如果在各庫房間實現(xiàn)無線的或有線的局域網(wǎng)聯(lián)接,安裝485 轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊也可實現(xiàn)遠程測量和控制,而且無需后續(xù)手機充值且建立連接速度快。

        5 結(jié)束語

        根據(jù)以上思路設(shè)計了一套糧庫遠程監(jiān)控系統(tǒng)的實驗?zāi)P?。實驗?zāi)P托Ч麍D如圖3 示。

        圖3 實驗?zāi)P托Ч麍D

        模型中有兩個平房庫和兩個立筒庫,每個庫房側(cè)面安裝兩個小風(fēng)扇代表庫房的風(fēng)機,安裝兩排流水燈代表庫房的空調(diào)。GPRS 模塊通過域名訪問的方式聯(lián)接遠程的電腦服務(wù)器程序。運行上位機程序可對四個庫房模型的糧情數(shù)據(jù)和風(fēng)扇,流水燈進行遠程監(jiān)測?,F(xiàn)場附近可配置一個工業(yè)屏并行控制PLC 的操作。以上基于模型的實驗研究預(yù)期可在實際工程應(yīng)用中得到運用和檢驗。

        [1]牛宇卿. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線糧情監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 太原:太原理工大學(xué),2011.

        [2]徐小玲,李少彪,張福強. 基于ZigBee 的糧倉溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J] . 廣東石油化工學(xué)院學(xué)報,2011,21(4):48.

        [3]上海卓嵐信息科技有限公司. ZLAN3100 串口服務(wù)器用戶手冊[EB/OL]. [2013-02-11].http://www.zlmcu.com.

        [4]Dallas Semiconductor.DS18B20-datasheet. [EB/OL]. [2013-02 -11]. http://wenku.baidu.com/view/73675f2fed630b1c 59eeb58a.

        [5]陳爽,王軍,韓樹人. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的糧倉環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J]. 農(nóng)機化研究,2010 (9):100-103.

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