基于STM32的糧倉溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

陳 巖 陳開勝

（開封大學機械與汽車學院，河南 開封 475004）

糧食是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對糧食存儲提出了更科學的方法。溫度、濕度是糧食存儲過程中關(guān)鍵的參數(shù)，合適的溫濕度值可以讓糧食儲存更長時間，所以必須對糧倉的溫濕度進行監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)溫濕度值超標，可及時采取措施進行調(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時功耗僅10mW，掉電模式時10μW?，F(xiàn)有糧倉溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)大多采用傳統(tǒng)51單片機設(shè)計［2］，相比STM32性能較差、功耗較高；節(jié)點與監(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，加強了系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性，上位機軟件可將異常信息發(fā)送至維護人員的手機，實現(xiàn)無人值守。

1 整體方案

1.1 系統(tǒng)設(shè)計需求

（1）應能準確地采集到各個節(jié)點的溫濕度值，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，價格低廉，通過IIC總線與單片機相連。

（2）由于節(jié)點較多，布線困難，應采用無線通信，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。當工作在最大發(fā)射功率0 dBm時，功耗為34mW，處于掉電模式下則為3μW。外部單片機通過SPI接口對其進行數(shù)據(jù)交換，非常適合簡單的數(shù)據(jù)傳輸場合。

1.2 單個節(jié)點方案

考慮到上述3點要求，采用意法半導體公司生產(chǎn)的STM32單片機控制單個節(jié)點，該芯片價格低、功耗低，適合電池供電系統(tǒng)，同時具有IIC和SPI總線，可與SHT11和nRF24L01相連接。節(jié)點框圖見圖1。

圖1 節(jié)點框圖Figure 1 Node block diagram

1.3 整體方案

考慮到整個糧庫面積大，單個節(jié)點到監(jiān)控中心距離遠，而nRF24L01一般傳輸距離為幾百米，視具體情況而定，故需要在每個糧倉加中繼器［7，8］，由于中繼器時刻需要轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，功耗較大，需要給其供電。每個節(jié)點將數(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，但每個糧倉只需1到2個中繼器，相對已簡化許多。中繼器采用現(xiàn)有成熟的產(chǎn)品，選用SYMD76型，1個百兆網(wǎng)口，4路nRF24L01接收，可滿足實際需要。整體方案見圖2。

2 硬件設(shè)計

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，將數(shù)據(jù)保存至TF卡，待通信恢復時再傳輸數(shù)據(jù)，保證信息的完整性。由于采用電池供電，當電池電量低于1/3時，點亮低電量報警LED燈，并向監(jiān)控中心提出低電量報警。設(shè)計有USB口，方便給電量不足的節(jié)點充電。節(jié)點硬件設(shè)計應保證系統(tǒng)運行的可靠性，選型滿足工業(yè)設(shè)計要求，還應注意優(yōu)化系統(tǒng)功耗，使節(jié)點單次使用時間更長。節(jié)點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PCBFigure 3 Node PCB

圖4 節(jié)點原理圖Figure 4 Node schematic

3 軟件設(shè)計

3.1 節(jié)點程序

節(jié)點程序主要是對STM32進行編程，開發(fā)工具為Keil uVision4［9］，采用大部分時間休眠，定時器中斷后開始工作的方式進行，以降低電能消耗。主要程序段有：初始化系統(tǒng)，啟動定時器。定時器中斷，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。

3.2 上位機軟件

QT是一種跨平臺性良好，編程簡單，界面美觀的編程工具。監(jiān)控中心上位機軟件采用QT編寫，功能齊全，人際交互性好［10，11］。

圖5 節(jié)點程序Figure 5 The node program

圖6 上位機軟件Figure 6 PC software

4 驗證實驗

實驗試生產(chǎn)了100個節(jié)點，單節(jié)點成本可控制在50元以內(nèi)，分5個糧倉進行模擬實驗，溫濕度誤差小于3%，實時性可達每分鐘10次，新增加節(jié)點，可快速并入系統(tǒng)，使用1年未有節(jié)點低電量報警。上位機配置GPRS模塊，當有異常時可發(fā)送信息至維護人員的手機上，實現(xiàn)無人值守。

5 結(jié)論

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)。驗證實驗證明，該設(shè)計方案可操作性強，適應各種復雜環(huán)境，運行穩(wěn)定可靠，值得大力推廣。

1 吳春雷.糧庫溫濕度智能檢測系統(tǒng)的研究［D］.天津：河北工業(yè)大學，2006.

2 田素貞，屈芳升.基于單片機的糧倉溫濕度檢測系統(tǒng)的設(shè)計與研究［J］.河南科學，2012，30（1）：90～93.

3 劉般勛.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的糧倉環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計［J］.計算機與數(shù)字工程，2008，36（8）：74～77.

4 林澤.分布式無線糧情監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計［J］.應用電子工程師，2008，34（7）：71～73.

5 蔡志明，盧傳富，李立夏.精通Qt4編程［M］.第2版.北京：電子工業(yè)出版社，2011：241～352.

6 張燕燕，蔡靜平，蔣澎.儲糧微生物危害檢測技術(shù)研究進展［J］.食品與機械，2013，29（6）：267～270，272.

7 張錚.基于嵌入式WEB服務器的糧倉溫濕度無線監(jiān)測系統(tǒng)［D］.鄭州大學，2007.

8 彭泓，汪玉鳳.糧倉溫濕度智能控制系統(tǒng)［J］.中國科技信息，2006（24）：41～43.

9 李寧.基于MDK的STM32處理器開發(fā)應用［M］.北京：北京航空航天大學出版，2008：63～89.

10 高磊，張曉朋.基于LabVIEW的糧倉溫濕度測控系統(tǒng)設(shè)計［J］.平頂山學院學報，2011（5）：52～54.

11 岐世峰，李艷華.無線糧情監(jiān)測管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.四川大學學報（自然科學版），2012（1）：75～79.