陳 巖 陳開勝
(開封大學(xué)機(jī)械與汽車學(xué)院,河南 開封 475004)
糧食是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ),現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對(duì)糧食存儲(chǔ)提出了更科學(xué)的方法。溫度、濕度是糧食存儲(chǔ)過程中關(guān)鍵的參數(shù),合適的溫濕度值可以讓糧食儲(chǔ)存更長時(shí)間,所以必須對(duì)糧倉的溫濕度進(jìn)行監(jiān)控,一旦發(fā)現(xiàn)溫濕度值超標(biāo),可及時(shí)采取措施進(jìn)行調(diào)整[1]。STM32F103RET6是一種高性能、低功耗的32位ARM微控制器,片上集成512kB Flash,64kB SRAM,5路串口,3路SPI接口,2路IIC接口,正常工作在8MHz時(shí)功耗僅10mW,掉電模式時(shí)10μW?,F(xiàn)有糧倉溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)大多采用傳統(tǒng)51單片機(jī)設(shè)計(jì)[2],相比STM32性能較差、功耗較高;節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控中心采用有線連接,布線成本高。由于糧倉的特殊性,如范圍大、安全性高、監(jiān)控的點(diǎn)多[3],采用電池供電、無線通信將數(shù)據(jù)傳回監(jiān)控中心是比較好的選擇[4-6]。本設(shè)計(jì)相比現(xiàn)有技術(shù)提高了溫濕度的測量精度,降低了安裝成本,加強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性,上位機(jī)軟件可將異常信息發(fā)送至維護(hù)人員的手機(jī),實(shí)現(xiàn)無人值守。
(1)應(yīng)能準(zhǔn)確地采集到各個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫濕度值,采用SHT11模塊,該模塊是數(shù)字式的溫濕度傳感器,精度高,穩(wěn)定性高,價(jià)格低廉,通過IIC總線與單片機(jī)相連。
(2)由于節(jié)點(diǎn)較多,布線困難,應(yīng)采用無線通信,nRF24L01是工作在2.4GHz全球開放ISM頻段,最大0 dBm發(fā)射功率,免許可證使用,支持6路通道數(shù)據(jù)接收,最高速率2Mbps,最低電壓僅1.9V。當(dāng)工作在最大發(fā)射功率0 dBm時(shí),功耗為34mW,處于掉電模式下則為3μW。外部單片機(jī)通過SPI接口對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,非常適合簡單的數(shù)據(jù)傳輸場合。
考慮到上述3點(diǎn)要求,采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32單片機(jī)控制單個(gè)節(jié)點(diǎn),該芯片價(jià)格低、功耗低,適合電池供電系統(tǒng),同時(shí)具有IIC和SPI總線,可與SHT11和nRF24L01相連接。節(jié)點(diǎn)框圖見圖1。
圖1 節(jié)點(diǎn)框圖Figure 1 Node block diagram
考慮到整個(gè)糧庫面積大,單個(gè)節(jié)點(diǎn)到監(jiān)控中心距離遠(yuǎn),而nRF24L01一般傳輸距離為幾百米,視具體情況而定,故需要在每個(gè)糧倉加中繼器[7,8],由于中繼器時(shí)刻需要轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),功耗較大,需要給其供電。每個(gè)節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)給中繼器,中繼器到監(jiān)控中心則采用以太網(wǎng)連接,穩(wěn)定可靠。雖然中繼器需要布線,但每個(gè)糧倉只需1到2個(gè)中繼器,相對(duì)已簡化許多。中繼器采用現(xiàn)有成熟的產(chǎn)品,選用SYMD76型,1個(gè)百兆網(wǎng)口,4路nRF24L01接收,可滿足實(shí)際需要。整體方案見圖2。
由STM32控制SHT11和nRF24L01,將溫濕度值傳輸給監(jiān)控中心。在通信中斷時(shí),將數(shù)據(jù)保存至TF卡,待通信恢復(fù)時(shí)再傳輸數(shù)據(jù),保證信息的完整性。由于采用電池供電,當(dāng)電池電量低于1/3時(shí),點(diǎn)亮低電量報(bào)警LED燈,并向監(jiān)控中心提出低電量報(bào)警。設(shè)計(jì)有USB口,方便給電量不足的節(jié)點(diǎn)充電。節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)應(yīng)保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性,選型滿足工業(yè)設(shè)計(jì)要求,還應(yīng)注意優(yōu)化系統(tǒng)功耗,使節(jié)點(diǎn)單次使用時(shí)間更長。節(jié)點(diǎn)PCB和原理圖見圖3、4。
圖2 整體方案框圖Figure 2 The overall program block diagram
圖3 節(jié)點(diǎn)PCBFigure 3 Node PCB
圖4 節(jié)點(diǎn)原理圖Figure 4 Node schematic
節(jié)點(diǎn)程序主要是對(duì)STM32進(jìn)行編程,開發(fā)工具為Keil uVision4[9],采用大部分時(shí)間休眠,定時(shí)器中斷后開始工作的方式進(jìn)行,以降低電能消耗。主要程序段有:初始化系統(tǒng),啟動(dòng)定時(shí)器。定時(shí)器中斷,喚醒CPU,控制SHT11采集溫濕度值,控制nRF24L01發(fā)送溫濕度值到中繼器。程序流程圖見圖5。
QT是一種跨平臺(tái)性良好,編程簡單,界面美觀的編程工具。監(jiān)控中心上位機(jī)軟件采用QT編寫,功能齊全,人際交互性好[10,11]。
圖5 節(jié)點(diǎn)程序Figure 5 The node program
圖6 上位機(jī)軟件Figure 6 PC software
實(shí)驗(yàn)試生產(chǎn)了100個(gè)節(jié)點(diǎn),單節(jié)點(diǎn)成本可控制在50元以內(nèi),分5個(gè)糧倉進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn),溫濕度誤差小于3%,實(shí)時(shí)性可達(dá)每分鐘10次,新增加節(jié)點(diǎn),可快速并入系統(tǒng),使用1年未有節(jié)點(diǎn)低電量報(bào)警。上位機(jī)配置GPRS模塊,當(dāng)有異常時(shí)可發(fā)送信息至維護(hù)人員的手機(jī)上,實(shí)現(xiàn)無人值守。
本研究給出了低功耗糧倉溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)方案,采用該方案可快速、可靠的部署糧倉溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)證明,該設(shè)計(jì)方案可操作性強(qiáng),適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境,運(yùn)行穩(wěn)定可靠,值得大力推廣。
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