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,，結(jié)合觸摸屏、GPRS模塊構(gòu)成倉房分布式監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)溫濕度的遠(yuǎn)程多點監(jiān)控,。對智能傳感器節(jié)點電路及軟件進(jìn)行了設(shè)計,，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

　　糧食的安全儲藏是一個國家的重大戰(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)的糧庫儲糧監(jiān)測技術(shù)是科學(xué)儲糧的關(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,、作用互補(bǔ)和功能優(yōu)化的一體化儲糧新技術(shù)[1],，是當(dāng)前糧食儲存技術(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,。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。由經(jīng)濟(jì)型的STC10系列單片機(jī)作為主控器,，構(gòu)成一個谷堆監(jiān)測節(jié)點,，SHT71采集的數(shù)據(jù)送至該節(jié)點。多個谷堆測量節(jié)點以485總線方式構(gòu)成一個獨立的倉房監(jiān)測系統(tǒng),，管理員可以觀測和控制某一個倉房,，同時,，每個倉房通過各自的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實時監(jiān)測有關(guān)數(shù)據(jù),，實現(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,，實現(xiàn)物流中心數(shù)據(jù)的實時報送[3]。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　數(shù)據(jù)采集層由多個分布在不同地方,、獨立的倉房監(jiān)控系統(tǒng)組成,，彼此之間是相對平等和獨立的，同時,，各個倉房監(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,。每個獨立的倉房監(jiān)控系統(tǒng)包括上位機(jī)（觸摸屏）,、智能傳感器節(jié)點、GPRS模塊,。本設(shè)計采用基于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)實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的集中管理和分散控制[4]，即實現(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)點通過接口接到一條總線上，每次僅允許一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù),，所發(fā)數(shù)據(jù)可以同時被所有節(jié)點接收,，通過地址設(shè)定的方式，每個節(jié)點接收指定節(jié)點的數(shù)據(jù),。

　　各部分主要功能如下：

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

　　觸摸屏：充當(dāng)工控機(jī)完成各個測量點的溫度、濕度的實時顯示及控制,，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RS485通信口,，一個RS232通信口,。RS232通信口用于連接GPRS模塊,，RS485通信口連接多個智能節(jié)點。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),，支持報文模式,，需要配置ID號。

　　倉房監(jiān)控系統(tǒng)工作原理：每個智能節(jié)點采集到相應(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，或啟動除蟲裝置,，同時數(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)點設(shè)計

　　智能傳感器節(jié)點的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示,，控制器選用性價比較高的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DPTR,；雙倍速模式；2個定時/計數(shù)器,；1個看門狗定時器WDT,；2個增強(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)時間快,、精度高(在25 ℃時溫度精度為±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,，也能實現(xiàn)測量節(jié)點超低功耗設(shè)計,。

　　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,。

　　測量時序如圖5所示[10]：STC10F04單片機(jī)發(fā)起啟動傳輸時序(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)(一個低電平)、低字節(jié)接收并應(yīng)答(一個低電平),；SHT71的數(shù)據(jù)線向外發(fā)送CRC-8校驗數(shù)據(jù),，單片機(jī)確認(rèn)ACK信號并保持為高電平，通信結(jié)束,，SHTXX自動轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)[10],。

　　其中，TS為傳輸啟動,，Checksum為CRC-8校驗和,。

　　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 ℃時的實際相對濕度,，SORH為25 ℃時8位數(shù)字相對濕度值。

　　由于實際溫度與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

　　3.1 智能節(jié)點數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計

　　軟件設(shè)計成低功耗方式，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)冗余校驗電路,，在傳送信息時，SHT71根據(jù)所發(fā)信息的內(nèi)容計算出一個CRC值,，同樣,，接收方也用相同的方法計算出一個相應(yīng)的CRC值。比較兩個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

　　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)計組態(tài)畫面,，實現(xiàn)對系統(tǒng)的操作與監(jiān)控。圖7為某倉房某個檢測點的效果圖,。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、報警進(jìn)行組態(tài),。

　　3.3 數(shù)據(jù)管理層軟件設(shè)計

　　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, 對外發(fā)布數(shù)據(jù), 實現(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,。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)代化的糧食儲藏、流通提供了實用的軟硬件設(shè)計參考,。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 通訊員.糧食儲備“四合一”新技術(shù)研究開發(fā)與集成創(chuàng)新[J].糧食儲藏,，2011（2）：3-6.

　　[2] 梁煥煥，熊慶宇,，石為人.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].傳感器與微系統(tǒng),，2011，30(5)：149-151.

　　[3] 廖海洋,，杜宇,，溫志渝.嵌入式多參數(shù)微小型水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2011,，37(1)：36-39.

　　[4] 郝銘,，劉景泰，盧桂章.基于RS485總線分布式智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].自動化與儀表,，2005,，20(2)：23-24.

　　[5] 劉晉，楊一晨,，郭健.嵌入式智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用,，2012，31(19)：24-27.

　　[6] 北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司.昆侖通態(tài)選型手冊[S].2011：4-6.

　　[7] 周明,，黃作維.基于GPRS技術(shù)的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機(jī)測量與控制,，2010，18(5)：987-989.

　　[8] 天同誠業(yè).COMWAY WG-8010 GPRS DTU使用手冊Version1.2.0[S].2011：5-6.

　　[9] 宏晶科技公司.STC11/10用戶手冊[S].2004：1-18.

　　[10] The sensor company.SHT1x/SHT7x Relative Humidity & Temperature Sensor System[EB/OL].(2007-08).http//www.sen-sirion.com/.

　　[11] 黃繼雄,，陳仔俊,，莫易敏，等.新型SHT71溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)通訊校驗[J].控制工程,，2005,，12（1）：64-66.