湖北文理學院物理與電子學院　樊國龍　游必輝　王培元

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糧倉溫濕度監(jiān)測與控制系統(tǒng)的研究

湖北文理學院物理與電子學院樊國龍游必輝王培元

【摘要】針對現(xiàn)有的糧倉溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)存在傳輸距離短，速率低，組網復雜，節(jié)點間依賴性強，缺少自動控制環(huán)節(jié)等問題，本文設計出了一種以遠距離無線模塊SX1278為基礎的閉環(huán)溫濕度監(jiān)測控制系統(tǒng)，其組網簡單，傳輸距離遠，穿墻效果好，支持多種低功耗模式，下位機加入PID控制算法對環(huán)境溫濕度進行閉環(huán)控制，接收上位機設置的參數(shù)，同時將當前的溫濕度值通過SX1278發(fā)回上位機，從而實現(xiàn)對糧倉溫濕度的有效的監(jiān)測與控制。

【關鍵詞】SX1278；溫濕度傳感器；PID控制算法；RS232

0　引言

糧食是人類賴以生存的基本物質，糧食安全問題受到了各國政府的高度重視。溫、濕度是影響糧食保存品質的重要環(huán)境參數(shù)，對糧倉的溫、濕度進行監(jiān)測，并在溫、濕度超出正常范圍時采取對應的措施有利于防止糧食出現(xiàn)發(fā)熱、霉變等問題[1][2]。

SX1278是一種用于長距離擴頻通信收發(fā)器，不僅抗干擾性強，而且功耗低，適用于電池待機的收發(fā)電路，MCU只需要通過SX1278的SPI接口進行寄存器的配置和數(shù)據(jù)的接收發(fā)送[3]。利用SX1278技術，結合現(xiàn)代溫、濕度傳感器模塊，構成無線傳感器網絡終端檢測子節(jié)點，對現(xiàn)場環(huán)境實時檢測，從而能實現(xiàn)規(guī)模型糧庫設施的智能化、現(xiàn)代化管理[4]。

1　系統(tǒng)架構

如圖1所示，該系統(tǒng)研究內容包含“溫濕度指標與傳感器選型”、“SX1278通信網絡的建立”、“下位機閉環(huán)控制系統(tǒng)的調試”、“上位機.NET平臺人機界面編程”幾個部分。

圖1　系統(tǒng)研究內容拓撲圖

如圖2所示，該系統(tǒng)通信部分由終端——集中器——監(jiān)控PC三級結構組成。終端匯集了溫濕度傳感器、溫差發(fā)電片、抽濕器以及電控系統(tǒng)，PC機通過上位機軟件將設定的參數(shù)發(fā)送給集中器，由SX1278傳輸給指定終端設備，終端根據(jù)傳感器檢測的當前值控制溫差電片、抽濕器，并將傳感器檢測的信息傳輸給集中器。集中器自動收集附近多個節(jié)點檢測到的信號，再通過RS232總線發(fā)送給PC機。

圖2　系統(tǒng)組成框圖

2　系統(tǒng)軟硬件設計

2.1軟件設計

該系統(tǒng)軟件設計包括上位機和下位機，上位機運行于PC端，完成人機界面交互以及指令轉換服務。下位機運行在硬件MCU處理器，主要完成數(shù)據(jù)采集、顯示、上傳以及閉環(huán)控制任務。集中器用來協(xié)調PC機與多個終端的數(shù)據(jù)通信，負責上傳下達數(shù)據(jù)和指令。

如圖3所示為上位機控制界面框架，該框架通過.NET編寫程序，其核心部分是通過公用控件MSCOMM[5]和集中器交換數(shù)據(jù)，集中器和PC機通過RS232總線相連，一個集中器對應一個選項卡，PC機通過該軟件對列表框所指定的設備進行依次排隊訪問。

通過該控制平臺，用戶可以方便的實現(xiàn)終端設備的添加、刪除以及參數(shù)修改，也可以對集中器進行添加和刪除操作，并且能直觀地瀏覽到每個節(jié)點當前的溫濕度值隨時間的曲線圖，用戶使用時只需要配置設備地址，設置目標溫濕度即可。

圖4所示為下位機程序流程圖，其中包括集中器和終端的程序流程。

集中器在初始化完畢之后，同時完成兩項任務，一項是和終端之間進行數(shù)據(jù)交互，將設定緩存區(qū)的參數(shù)發(fā)給終端，將終端采集到的溫濕度值放入采集緩存區(qū)；另一項是和PC機之間的數(shù)據(jù)交互，當PC機訪問到該集中器之后，接收PC機發(fā)來的設定值放入設定緩存區(qū)，同時將采集緩存區(qū)的值發(fā)給PC機。終端在初始化完畢之后，根據(jù)集中器發(fā)來的參數(shù)，完成對溫濕度的閉環(huán)控制任務，同時不斷地采集當前溫濕度并發(fā)送給集中器，并將該節(jié)點溫濕度的當前值和設定值顯示在屏幕上。

圖3　上位機控制界面框架

圖4　下位機程序流程圖

2.2硬件設計

如圖5所示，集中器和終端可以共同采用該結構模型，主要包含以下幾個部分組成：

電源，SX1278無線模塊，觸屏顯示器，溫濕度傳感器，通訊/下載。電路板搭載ARM處理器最小系統(tǒng)以及這些外設的相關接口。

SX1278用來連接集中器與終端的數(shù)據(jù)通信，RS232接口用來連接集中器與PC機之間的數(shù)據(jù)通信，傳感器接口用來連接終端與溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)通信，觸屏顯示屏用來顯示當前節(jié)點數(shù)據(jù)以及設定該終端地址。

圖5　掃描設備原理圖

3　結束語

本設計方案采用SX1278無線組網，實現(xiàn)對大范圍節(jié)點溫濕度實時監(jiān)測和控制。功耗低、組網簡單、為糧倉環(huán)境的監(jiān)測與控制提供了一種高效、節(jié)能的解決方案。這種組網監(jiān)控架構不僅局限于對溫濕度的監(jiān)控，通過改變傳感器，可以有效實現(xiàn)對各種參數(shù)的監(jiān)測與控制，在物聯(lián)網各個領域均可發(fā)揮出其作用。

參考文獻

[1]吳卓葵.基于GSM的糧倉溫濕度遠程監(jiān)測裝置設計[J].電子測量技術,2014.

[2]劉朝純.基于FPGA的糧倉溫濕度模糊監(jiān)控系統(tǒng)[D].東北農業(yè)大學,2008.

[3]王瑞.基于 SX1278 的水表端無線抄表控制器[J].電子質量,2015.

[4]王培元,高潮.基于Zigbee的糧倉溫濕度實時監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].物流技術,2015(20):49-152.

[5]章輝,葉建芳,葉建威.基于MSComm控件串口通信的實現(xiàn)[J].電子測量技術,2011(8):126-129.

樊國龍（1994—），男，湖北襄陽人，研究方向：電氣自動化，嵌入式系統(tǒng)，物聯(lián)網。

王培元（1974—），男，湖北文理學院講師，研究方向：信號處理及FPGA應用。

游必輝（1992—），男，湖北黃岡人，研究方向：嵌入式系統(tǒng)，電源。

通訊作者：

作者簡介：

基金項目：湖北省省級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（編號：201510519016）。