摘  要： 在分析糧食科技物流中心的發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上,，提出了一種基于SHT71的分層結(jié)構(gòu)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，介紹了監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),。該系統(tǒng)以數(shù)字式溫濕度傳感器SHT71和STC單片機(jī)構(gòu)成智能化的監(jiān)控節(jié)點(diǎn),，結(jié)合觸摸屏,、GPRS模塊構(gòu)成倉房分布式監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)溫濕度的遠(yuǎn)程多點(diǎn)監(jiān)控。對智能傳感器節(jié)點(diǎn)電路及軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì),，給出了詳細(xì)的框圖,、程序流程圖和組態(tài)畫面。

　　關(guān)鍵詞： 傳感器SHT71,；STC單片機(jī),；分布式控制

　　糧食的安全儲(chǔ)藏是一個(gè)國家的重大戰(zhàn)略決策，我國也不例外,。自20世紀(jì)末,國家逐步增加糧食儲(chǔ)備數(shù)量, 但是大部分糧庫的現(xiàn)代化程度較低,，致使糧食儲(chǔ)藏期間品質(zhì)劣變快,常見現(xiàn)象為結(jié)露、發(fā)熱,、霉變等,。而先進(jìn)的糧庫儲(chǔ)糧監(jiān)測技術(shù)是科學(xué)儲(chǔ)糧的關(guān)鍵技術(shù)之一。網(wǎng)絡(luò)共用,、數(shù)據(jù)共享,、設(shè)備聯(lián)動(dòng)、作用互補(bǔ)和功能優(yōu)化的一體化儲(chǔ)糧新技術(shù)[1],，是當(dāng)前糧食儲(chǔ)存技術(shù)的發(fā)展方向,，更是現(xiàn)代化的糧食科技物流中心的發(fā)展趨勢,。

　　溫度和濕度是倉庫環(huán)境的兩個(gè)重要參數(shù),以往溫濕度檢測系統(tǒng)多采用分離的傳感器分別對溫,、濕度進(jìn)行測量，再由A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),。本文提出的系統(tǒng)采用數(shù)字式溫濕度一體芯片SHT71, 能夠一次性測量溫度,、濕度, 直接輸出數(shù)字信號(hào)。由經(jīng)濟(jì)型的STC10系列單片機(jī)作為主控器,，構(gòu)成一個(gè)谷堆監(jiān)測節(jié)點(diǎn),，SHT71采集的數(shù)據(jù)送至該節(jié)點(diǎn)。多個(gè)谷堆測量節(jié)點(diǎn)以485總線方式構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的倉房監(jiān)測系統(tǒng),，管理員可以觀測和控制某一個(gè)倉房,，同時(shí)，每個(gè)倉房通過各自的GPRS模塊以無線的方式上傳數(shù)據(jù)至物流中心,，管理部門可以通過Internet實(shí)時(shí)監(jiān)測有關(guān)數(shù)據(jù),，實(shí)現(xiàn)糧倉的現(xiàn)代化管理。

　　1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與工作原理

　　糧食科技物流中心溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)采用混合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌ǚ謱樱┙Y(jié)構(gòu),，組網(wǎng)靈活[2],，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集層,、數(shù)據(jù)管理層和數(shù)據(jù)共享層,，系統(tǒng)能在無人值守時(shí),，實(shí)現(xiàn)物流中心數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)報(bào)送[3]。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　數(shù)據(jù)采集層由多個(gè)分布在不同地方,、獨(dú)立的倉房監(jiān)控系統(tǒng)組成,，彼此之間是相對平等和獨(dú)立的，同時(shí),，各個(gè)倉房監(jiān)控系統(tǒng)之間又是有聯(lián)系的,，通過Internet網(wǎng)絡(luò)，倉房之間能夠進(jìn)行信息的交互,。每個(gè)獨(dú)立的倉房監(jiān)控系統(tǒng)包括上位機(jī)（觸摸屏）,、智能傳感器節(jié)點(diǎn)、GPRS模塊,。本設(shè)計(jì)采用基于RS485總線分布式智能控制系統(tǒng),，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　2.1 倉房控制系統(tǒng)

　　分布式控制系統(tǒng)(DCS)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù),、控制技術(shù),、通信技術(shù)和顯示等有關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的集中管理和分散控制[4]，即實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理的集中性和控制的分散性,。本系統(tǒng)采用總線型結(jié)構(gòu),，所有節(jié)點(diǎn)通過接口接到一條總線上，每次僅允許一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù),，所發(fā)數(shù)據(jù)可以同時(shí)被所有節(jié)點(diǎn)接收,，通過地址設(shè)定的方式，每個(gè)節(jié)點(diǎn)接收指定節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù),。

　　各部分主要功能如下：

　　智能測量與控制節(jié)點(diǎn)：負(fù)責(zé)現(xiàn)場溫,、濕度的采集與實(shí)時(shí)控制。根據(jù)觸摸屏通過485總線下傳的該點(diǎn)溫度,、濕度控制值進(jìn)行溫度,、濕度調(diào)節(jié)，并實(shí)時(shí)將溫度,、濕度信息,、控制信息等經(jīng)過GPRS模塊上傳給數(shù)據(jù)管理層的控制計(jì)算機(jī)[5]。

　　觸摸屏：充當(dāng)工控機(jī)完成各個(gè)測量點(diǎn)的溫度,、濕度的實(shí)時(shí)顯示及控制,，具備一定的數(shù)據(jù)處理能力，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析,，并可以完成溫濕度控制曲線的生成,。觸摸屏選用昆侖通態(tài)觸摸屏TPC7062K[6]，它是一套以嵌入式低功耗CPU為核心(主頻為400 MHz)的高性能嵌入式一體化工控機(jī)，采用高亮度TFT液晶顯示屏,，具有一個(gè)RS485通信口,，一個(gè)RS232通信口。RS232通信口用于連接GPRS模塊,，RS485通信口連接多個(gè)智能節(jié)點(diǎn),。采用MCGS嵌入版組態(tài)軟件進(jìn)行組態(tài)，完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測,、前端數(shù)據(jù)的處理與控制,。

　　GPRS模塊：為數(shù)據(jù)采集層和數(shù)據(jù)管理層之間建立通信鏈路，實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)通信[7],。GPRS模塊選用天同誠業(yè)的WG-8010 GPRS DTU,，其內(nèi)置工業(yè)級(jí)GPRS無線模塊[8]，提供標(biāo)準(zhǔn)RS232/485的數(shù)據(jù)接口,，一次性初始化配置,，全透明傳輸數(shù)據(jù)，支持報(bào)文模式,，需要配置ID號(hào),。

　　倉房監(jiān)控系統(tǒng)工作原理：每個(gè)智能節(jié)點(diǎn)采集到相應(yīng)糧堆的環(huán)境參數(shù)（溫度和濕度)，上傳至STC10系列單片機(jī),，單片機(jī)可以控制相應(yīng)的器件使空調(diào)工作,，或啟動(dòng)除蟲裝置，同時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)485總線送至充當(dāng)工控機(jī)的觸摸屏,，并由觸摸屏驅(qū)動(dòng)GPRS模塊向數(shù)據(jù)層發(fā)送數(shù)據(jù),。

　　2.2 智能測量與控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　智能傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，控制器選用性價(jià)比較高的STC10F04單片機(jī)[9],，STC10F04是增強(qiáng)型的8051CPU,，1T/機(jī)器周期,，指令完全兼容8051,；5.5 V～3.8 V/3.3 V工作電壓；工作頻率為0～40 MHz,；36根I/O口線,；2個(gè)DPTR；雙倍速模式,；2個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器,；1個(gè)看門狗定時(shí)器WDT；2個(gè)增強(qiáng)全雙工串口UART等,。

　　溫濕度傳感器SHT71是高度集成的數(shù)字式一體化芯片[10],，響應(yīng)時(shí)間快、精度高(在25 ℃時(shí)溫度精度為±0．40 ℃,，相對濕度精度為±3．0％),、可編程設(shè)置測量分辨率(濕度8/12 bit,，溫度12/14 bit)。

　　本系統(tǒng)設(shè)定傳感器的測量分辨率為：濕度8位,、溫度12位,，分別對應(yīng)O．5％和0．04 ℃的測量分辨率，既能滿足測量要求,，也能實(shí)現(xiàn)測量節(jié)點(diǎn)超低功耗設(shè)計(jì),。

　　STC10F04單片機(jī)與SHT71的硬件接口、與75176構(gòu)成485總線的硬件接口如圖4所示,。

　　測量時(shí)序如圖5所示[10]：STC10F04單片機(jī)發(fā)起啟動(dòng)傳輸時(shí)序(TS),、通過DATA線發(fā)起測量命令(“00000101”—測量相對濕度；“00000011”—測量溫度),、SHT71返回一個(gè)低電平作正確接收應(yīng)答,、等待測量結(jié)束、測量結(jié)束(SHT71拉低數(shù)據(jù)線為低電平),；SHT71的數(shù)據(jù)線向外發(fā)送數(shù)據(jù),；STC10F04單片機(jī)接收高字節(jié)并應(yīng)答(ACK)(一個(gè)低電平)、低字節(jié)接收并應(yīng)答(一個(gè)低電平),；SHT71的數(shù)據(jù)線向外發(fā)送CRC-8校驗(yàn)數(shù)據(jù),，單片機(jī)確認(rèn)ACK信號(hào)并保持為高電平，通信結(jié)束,，SHTXX自動(dòng)轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)[10],。

　　其中,，TS為傳輸啟動(dòng),，Checksum為CRC-8校驗(yàn)和,。

　　為將傳感器輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為直觀的物理單位量,，需進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理,。

　　SHT71傳感器的溫度輸出可用式(1)將數(shù)字量輸出轉(zhuǎn)換為溫度值：

　　T=-40 ℃+0.04·SOT(1)

　　其中,，SOT為SHT71的12位數(shù)字溫度輸出,。

　　濕度輸出與溫度有關(guān),，采取補(bǔ)償方法以獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)：

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

　　其中,，RHlinear為25 ℃時(shí)的實(shí)際相對濕度,，SORH為25 ℃時(shí)8位數(shù)字相對濕度值。

　　由于實(shí)際溫度與25 ℃有差別,，使用式（3）進(jìn)行補(bǔ)償修正,，修正后的相對濕度值為RHtrue：

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

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 智能節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)成低功耗方式，每隔5 s檢測一次數(shù)據(jù),，溫濕度測量結(jié)束后,，等待上位機(jī)的通信請求，根據(jù)上位機(jī)要求向觸摸屏發(fā)送數(shù)據(jù)。SHT71內(nèi)部集成了循環(huán)冗余校驗(yàn)電路,，在傳送信息時(shí),，SHT71根據(jù)所發(fā)信息的內(nèi)容計(jì)算出一個(gè)CRC值，同樣,，接收方也用相同的方法計(jì)算出一個(gè)相應(yīng)的CRC值,。比較兩個(gè)CRC值，若一致,，則確認(rèn)信息傳送正確[11],；否則，丟棄,，再發(fā),。其數(shù)據(jù)采集程序流程圖如圖6所示。

　　3.2 觸摸屏設(shè)計(jì)

　　通過對系統(tǒng)的分析,，在本系統(tǒng)中,，依靠MCGS（嵌入版）組態(tài)軟件設(shè)計(jì)組態(tài)畫面，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的操作與監(jiān)控,。圖7為某倉房某個(gè)檢測點(diǎn)的效果圖,。其中左邊的組態(tài)是調(diào)溫除濕機(jī)組的組成及工作情況，右邊矩形框是對溫濕度參數(shù)及曲線,、報(bào)警進(jìn)行組態(tài),。

　　3.3 數(shù)據(jù)管理層軟件設(shè)計(jì)

　　數(shù)據(jù)管理層采用性能較好的PC作為數(shù)據(jù)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)以下功能：

　　(1)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務(wù)器[7]：與數(shù)據(jù)采集層的下位工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,，把下位工控機(jī)的相關(guān)信息傳送到數(shù)據(jù)庫,；

　　(2)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器：科學(xué)地組織各種數(shù)據(jù)信息，為中轉(zhuǎn)服務(wù)器和Web服務(wù)器服務(wù),；

　　(3)Web服務(wù)器：為各倉房之間提供數(shù)據(jù)交互平臺(tái), 對外發(fā)布數(shù)據(jù), 實(shí)現(xiàn)信息共享,。

　　管理層的服務(wù)器監(jiān)控程序可由MCGS(嵌入版)組態(tài)軟件的通用版完成，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理,、報(bào)表分析和發(fā)送控制命令,。

　　本文詳細(xì)闡述了溫濕度的監(jiān)測與混合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌ǚ謱樱┙Y(jié)構(gòu)組網(wǎng)方式，具有結(jié)構(gòu)簡單,、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,、調(diào)試方便、控制可靠的特點(diǎn),。結(jié)合組態(tài)軟件能夠清晰地檢測與控制倉房的溫濕度，方便地采集各個(gè)倉房的存量數(shù)據(jù),，便于管理與流通,，為現(xiàn)代化的糧食儲(chǔ)藏、流通提供了實(shí)用的軟硬件設(shè)計(jì)參考。

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