羅書克，李珍萍

(1.許昌學院 電氣與機械工程學院，河南 許昌 461000；2.中央儲備糧許昌直屬庫有限公司，河南 許昌 461000)

隨著社會的發(fā)展及科技進步，糧食儲藏系統(tǒng)的智能化、綠色化要求逐漸提高，而糧食儲藏中需要采集的數(shù)據(jù)信息量大，被控對象多.原有的信息采集及控制系統(tǒng)中，均為通過電纜進行數(shù)據(jù)采集及傳輸，這造成了可靠性低、安全隱患大等問題，對糧食儲存管理極為不便，對控制的實時性也不合要求.針對這種情況，在對整個倉儲狀況的調(diào)查基礎上，設計了基于LoRa的無線數(shù)據(jù)采集、傳輸及智能控制系統(tǒng)，分別實現(xiàn)對倉內(nèi)信息進行自動檢測、數(shù)據(jù)自主傳輸、被控對象受控運行.

1 系統(tǒng)框架及設計方案

糧食倉儲系統(tǒng)中需要周期檢測糧食內(nèi)部溫度和空間內(nèi)外部環(huán)境的溫濕度情況，根據(jù)檢測到的數(shù)據(jù)進行分析處理，達到一定限值和環(huán)境條件時，將自動采取相應的通風降溫、除濕等措施[1].其系統(tǒng)架構如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)架構

系統(tǒng)中由數(shù)字溫度傳感器多點采集糧食內(nèi)部溫度信息，同時通過溫濕度傳感器采集糧倉內(nèi)、外部環(huán)境溫濕度信息，把采集到的信息分別通過LoRa無線發(fā)射電路給集中單元[2]，在集中單元內(nèi)部有接收電路，接收電路把接收到的各種信息傳輸給中央處理單元，中央處理單元把接收到的這些信息再次通過LoRa無線發(fā)射模塊發(fā)給監(jiān)控中心，同時中央處理單元對這些信息進行處理，當滿足下面的條件時，其發(fā)出指令給執(zhí)行機構做出相應的控制動作[3].

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2 硬件設計

硬件部分主要包括溫濕度信號采集、無線發(fā)射電路、接收處理電路、中央處理電路、驅(qū)動電路、電機控制電路等幾部分.

2.1 信號采集電路

信號采集電路包括糧食內(nèi)部溫度信號采集、倉內(nèi)、外環(huán)境溫濕度采集.采集原理基本相似，分別通過溫、濕度傳感器進行采集.糧食內(nèi)部的溫濕度信號是多點采集，需要用到信號的級聯(lián)采集，通過地址進行識別，而倉內(nèi)外環(huán)境溫濕度信號只有一個溫濕度信號，相對來說采集電路簡單.倉內(nèi)外環(huán)境溫濕度采集傳感器采用霍尼韋爾的數(shù)字式一體化傳感器HIH-6130，具有14位濕度傳感器和溫度傳感器，采集精度高、溫漂小、功耗低等特點.環(huán)境溫濕度采集電路如圖2所示，糧食內(nèi)部溫度信號采集如圖3所示.

圖2 倉內(nèi)外環(huán)境溫濕度信號采集電路

圖3 糧食內(nèi)部溫濕度信號采集電路

糧倉內(nèi)外環(huán)境信息各需要一路溫濕度信號，糧食內(nèi)部的溫濕度狀況，需要檢測多點的溫濕度信息，需預先把溫度傳感器預置于糧食內(nèi)部，這些傳感器通過總線形式連接在一起，然后再連接無線發(fā)射控制系統(tǒng)把采集到信息發(fā)射出去.

2.2 發(fā)射、接收電路

發(fā)射、接收電路采用SX1278半雙工通信電路，采用LoRa遠程調(diào)制解調(diào)器，用于超長距離擴頻通信，抗干擾能力強、功耗低等特點[4].工作電路如圖4所示.

圖4 LoRa收發(fā)電路

溫濕度信號全部采用的是數(shù)字傳感器，直接和MCU相連，當MCU采集到各種溫濕度信號后，通過通信接口把數(shù)據(jù)傳送給LoRa模塊SX1278，SX1278通過射頻輸出端把信號發(fā)射出去[5]，同時SX1278也可以接收外部發(fā)射過來的數(shù)據(jù)信息.圖中RX/TX用來進行收發(fā)控制，SCK、MISO、MOSI主要用來進行數(shù)據(jù)傳輸時分別提供時鐘信號及數(shù)據(jù)輸入和輸出信息，NSS為片選信號[6].

2.3 電機驅(qū)動控制電路

當檢測到糧食內(nèi)部溫度達到通風條件時，且室外環(huán)境溫濕度也滿足通風條件，由MCU發(fā)出指令，控制電機驅(qū)動各個糧倉上、下通風口自動打開，通風窗口打開后被系統(tǒng)檢測到，控制上下通風風機啟動，在通風過程中，系統(tǒng)實時檢測各點溫濕度變化情況，如果通風條件不滿足或者達到了通風結(jié)束條件，會控制通風風機自動停止，關閉風口門窗.該系統(tǒng)也可以通過上位機遠程控制通風的啟動和停止.操作上位機的控制按鈕，通過無線傳輸系統(tǒng)把開停指令發(fā)送給MCU，MCU接收到信息，會啟動相應的動作.實現(xiàn)電路如圖5所示.MCU采集到信息滿足電機啟動或停止條件時，就會分別控制Q1或Q2，Q1工作，將會使電機啟動運行，Q2工作將會使電機停止運行.圖中S1、S2為通風門窗位置開關，K1、K2為電機工作與停止的控制繼電器，KM1、KM2分別為控制門窗開關的控制接觸器.

圖5 電機驅(qū)動控制電路

3 軟件設計

整個系統(tǒng)的工作分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與控制及數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收等幾部分.該系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理的實時性要求不高，數(shù)據(jù)采集周期比較長，為了降低系統(tǒng)功耗，設定采樣周期為30分鐘采樣一次，再對數(shù)據(jù)進行處理和傳輸.

程序的流程是由傳感器的時序決定的，采用定期采樣，采集方式為IIC.溫濕度傳感器的時序圖如圖6所示.采樣采用定時中斷方式進行，基于上圖時序，其定時中斷采樣流程圖如圖7所示.

圖6 HIH-6130時序圖

圖7 定時采樣流程圖

數(shù)據(jù)采集進來之后，MCU要對數(shù)據(jù)進行處理，并把接收到的數(shù)據(jù)通過LoRa模塊傳輸給上位機.對采樣得到的數(shù)據(jù)，滿足風機啟動條件，則會起動風機；或者滿足風機停止條件，會停止風機.數(shù)據(jù)處理控制流程圖和LoRa無線傳輸流程圖分別如圖8、9所示.為了保證發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的可靠性，對發(fā)送、接收的數(shù)據(jù)進行CRC驗證，只有驗證正確的數(shù)據(jù)才被接收和發(fā)送，CRC驗證不正確的數(shù)據(jù)將被舍棄.

圖8 數(shù)據(jù)處理控制流程圖

圖9 LoRa無線傳輸流程圖

4 實驗結(jié)果

為了驗證方案的可行性，制作了一套樣機進行溫濕度檢測、控制及數(shù)據(jù)發(fā)送.實驗采用DS18B20溫度傳感器進行級聯(lián)，模擬糧食內(nèi)部溫度信號采樣，用HIH-6130采集環(huán)境溫濕度信號，采用STM8S103作為處理器，采用以SX1278為核心的LoRa模塊進行數(shù)據(jù)的接收發(fā)送，測得數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 溫濕度數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)傳輸、控制實驗數(shù)據(jù)表

從數(shù)據(jù)表可以看出，第一次的數(shù)據(jù)全部為正常數(shù)據(jù)，系統(tǒng)沒有達到通風條件，風機停止、風口關閉；第二次的數(shù)據(jù)由于有一個點的溫度偏高，達到了風機啟動條件，環(huán)境溫濕度在允許通風條件下，通風口開啟、風機啟動，系統(tǒng)進行通風；第三次的數(shù)據(jù)雖然有一個點的溫度過高，由于環(huán)境濕度過高，不滿足通風條件，系統(tǒng)處于風機停止、風口關閉狀態(tài).通過實驗結(jié)果可知，所設計的系統(tǒng)溫濕度采樣精度高，數(shù)據(jù)傳輸可靠，控制性能良好.

5 結(jié)語

所設計的基于LoRa平臺的智能倉儲控制系統(tǒng)，在原有系統(tǒng)基礎上，采用LoRa無線傳輸平臺，對采樣數(shù)據(jù)進行無線遠程傳輸，節(jié)省大量的數(shù)據(jù)傳輸電纜，提高了數(shù)據(jù)傳輸可靠性.在數(shù)據(jù)采樣處理基礎上對通風系統(tǒng)實現(xiàn)了智能控制，根據(jù)實時采集情況自主進行通風口的打開與關閉并控制風機的啟動和停止，節(jié)省了大量人力物力.經(jīng)過實驗驗證，該系統(tǒng)運行可靠，數(shù)據(jù)采集精度高，具有很好的推廣應用價值.