摘?要：本文設(shè)計(jì)一套用于儲(chǔ)量質(zhì)量監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，使用MSP430單片機(jī)采集糧堆多點(diǎn)溫濕度，用STM32F103對(duì)相關(guān)泵閥進(jìn)行控制，收集二氧化碳、磷化氫、氧氣等氣體，并采集氣體的含量數(shù)據(jù)。送入基于安卓系統(tǒng)的工業(yè)電腦觸摸屏。上位機(jī)人機(jī)交互節(jié)點(diǎn)顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并通過(guò)相關(guān)的數(shù)學(xué)模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到儲(chǔ)量的安全等級(jí)和災(zāi)害種類。

關(guān)鍵詞：糧倉(cāng);二氧化碳;無(wú)線;溫濕度;STM32

Abstract：This paper designs a system for stock quality monitoring，uses MSP430 single-chip microcomputer to collect multi-point temperature and humidity of grain pile，uses STM32F103 to control related pump valves，collects carbon dioxide，phosphine，oxygen and other gases，and collects gas content data.Delivered into an industrial computer touch screen based on Android.The human-computer interaction node of the upper computer displays the monitoring data，and analyzes the data through the relevant mathematical model to obtain the security level and the disaster type of the reserves.

Key words：granary;carbon dioxide;wireless;temperature and humidity;STM32

1 緒論

糧食安全是關(guān)系經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)穩(wěn)定和國(guó)家安全的全局性、戰(zhàn)略性問(wèn)題。糧食的收購(gòu)與儲(chǔ)藏是糧食流通過(guò)程中十分重要的環(huán)節(jié)，但就目前來(lái)看，世界范圍內(nèi)從糧食生產(chǎn)到最終消費(fèi)期間存在著不容忽視的極大的損失和浪費(fèi)。在我國(guó)由于全國(guó)大部分地區(qū)農(nóng)戶儲(chǔ)糧裝具簡(jiǎn)陋，保管技術(shù)水平低，受鼠害、蟲(chóng)害和霉變等因素的影響造成糧食大量損失，主產(chǎn)區(qū)農(nóng)戶儲(chǔ)糧損失情況尤為突出。據(jù)國(guó)家糧食局抽樣調(diào)查，全國(guó)農(nóng)戶儲(chǔ)糧損失率平均為8%左右，每年損失糧食約400億斤。因此需要一種可以有效對(duì)糧倉(cāng)儲(chǔ)存環(huán)境進(jìn)行數(shù)字化監(jiān)測(cè)管理的設(shè)備。

隨著科技的不斷發(fā)展，國(guó)家投資興建了許多大型現(xiàn)代化糧倉(cāng)。目前新建的國(guó)儲(chǔ)庫(kù)基本上使用的都是大型集中式巡檢儀器，該儀器雖然可以實(shí)現(xiàn)糧溫檢測(cè)和通風(fēng)制冷功能，可以連續(xù)監(jiān)測(cè)糧情的變化，然而其對(duì)于糧倉(cāng)規(guī)模要求較高、工程浩大、費(fèi)用高，且測(cè)溫設(shè)備和布線系統(tǒng)一旦完成就難以變更，系統(tǒng)靈活性差。糧倉(cāng)的位置并非長(zhǎng)期固定，會(huì)經(jīng)常倒倉(cāng)和翻包，傳統(tǒng)以布線為主的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)已不能很好地滿足要求。針對(duì)目前糧倉(cāng)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)存在的不足，需要研制中小型糧倉(cāng)糧情的溫濕度及氣體濃度的無(wú)線采集與控制的設(shè)備。

通過(guò)調(diào)研，目前國(guó)內(nèi)已有數(shù)十家企業(yè)生產(chǎn)儲(chǔ)糧質(zhì)量安全檢測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)品，種類繁多結(jié)構(gòu)各異，但其基本功能大致可實(shí)現(xiàn)的有糧倉(cāng)內(nèi)溫濕度檢測(cè)、通風(fēng)機(jī)和干燥機(jī)的控制等，系統(tǒng)功能重點(diǎn)放在了儲(chǔ)糧內(nèi)部溫濕度的檢測(cè)分析上。而由于技術(shù)和資金等問(wèn)題，很多糧庫(kù)仍采用原始的存儲(chǔ)方式，多數(shù)的溫濕度檢測(cè)需要人工進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。但是當(dāng)溫濕度超標(biāo)時(shí)，若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情及時(shí)處理將會(huì)造成糧食的大量損失。隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化以及科技強(qiáng)國(guó)的推進(jìn)，國(guó)家糧食產(chǎn)量不斷突破歷史新高。在這樣一種大形勢(shì)下，各產(chǎn)糧地興建起了各種規(guī)模，各式各樣的儲(chǔ)糧糧倉(cāng)，而各糧倉(cāng)對(duì)于科學(xué)可靠便捷的儲(chǔ)糧質(zhì)量安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需求也日益提升。鑒于糧食儲(chǔ)存的復(fù)雜性和特殊性，本文提出一種新型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在可以實(shí)現(xiàn)溫濕度檢測(cè)功能的前提下特地加入了二氧化碳、氧氣、磷化氫氣體濃度的測(cè)定功能，以便可以全方位，系統(tǒng)性，更準(zhǔn)確的把握糧倉(cāng)內(nèi)糧食儲(chǔ)存的情況，有力地保障糧倉(cāng)安全。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的儲(chǔ)糧質(zhì)量安全檢測(cè)系統(tǒng)是一款集監(jiān)測(cè)與控制于一身的設(shè)備，使用STM32單片機(jī)作為控制系統(tǒng)，系統(tǒng)配置了風(fēng)機(jī)泵及相關(guān)氣體傳感器和溫、濕度傳感器，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)糧倉(cāng)中的溫度、濕度指標(biāo)的功能，并能夠測(cè)量糧倉(cāng)內(nèi)二氧化碳、氧氣、磷化氫含量，同時(shí)通過(guò)繼電器控制氣閥的通斷。最后將結(jié)果顯示在顯示屏上面，并通過(guò)觸摸屏幕完成人機(jī)交互。

糧倉(cāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由終端節(jié)點(diǎn)和ARM主控器組成。整個(gè)系統(tǒng)的工作流程為：終端節(jié)點(diǎn)采集糧倉(cāng)內(nèi)的溫濕度參數(shù)，并將得到的數(shù)據(jù)傳送到ARM主控器。ARM主控器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、匯總和存儲(chǔ)備份，管理員可設(shè)定每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的報(bào)警范圍，傳感器采樣頻率等參數(shù)。

儲(chǔ)糧質(zhì)量安全檢測(cè)系統(tǒng)主要由嵌入式主控單元、串口顯示觸摸屏、氣體采集模塊、溫濕度采集模塊、氣體控制單元、泵控制單元等幾部分組成。儲(chǔ)糧質(zhì)量安全檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

系統(tǒng)通過(guò)串口顯示觸摸屏與STM32F103ZE單片機(jī)進(jìn)行信息交互，電源系統(tǒng)添加電源，對(duì)其進(jìn)行供電。氣體采集模塊對(duì)糧倉(cāng)內(nèi)的氣體進(jìn)行抽樣檢驗(yàn)，并進(jìn)行氣體檢測(cè)，分別檢測(cè)各種類的氣體濃度，溫、濕度傳感器也會(huì)對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，并將檢測(cè)結(jié)果傳遞給單片機(jī)。而主控單元也會(huì)通過(guò)檢測(cè)結(jié)果，對(duì)風(fēng)機(jī)泵和繼電器進(jìn)行控制。

3 各功能模塊的設(shè)計(jì)

3.1 主控模塊

在儲(chǔ)糧質(zhì)量安全檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)占據(jù)主要地位。本項(xiàng)目選擇廣泛用于工業(yè)控制的STM公司的單片機(jī)STM32F103ZE，是一款高性能、低成本、低功耗的單片機(jī)。那么，基于STM32F103ZE的主板是系統(tǒng)主要控制單元，把二氧化碳采集單元和泵驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)在主控板上。主控板拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

系統(tǒng)主控板上設(shè)計(jì)放有六個(gè)單刀雙擲、六腳超小型電磁繼電器HK23F-DC5V，用作整個(gè)體統(tǒng)的控制單元，控制系統(tǒng)各部分外接設(shè)備的工作與否。

3.2 終端無(wú)線采集模塊

該模塊主要由單片機(jī)MSP430G2553、溫濕度傳感器、無(wú)線傳輸模塊Si4463等組成。利用溫濕度傳感器檢測(cè)糧倉(cāng)內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫濕度，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后溫濕度數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳送到主控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

溫度傳感器采用瑞士Sensirion公司的溫濕度傳感器SHT11。該芯片包括溫度和濕度敏感元件、信號(hào)放大處理、A/D轉(zhuǎn)換和I2C總線接口。SHT11傳感器電源的工作電壓為2.4-5.5V，采用兩線串行接口。溫度的測(cè)量范圍是-40-125度，濕度的測(cè)量范圍是0%-100%RH，溫度測(cè)量最大誤差0.4度。將SHT11的兩線數(shù)字接口輸出至單片機(jī)MSP430G2553。能夠同時(shí)采集溫度和濕度數(shù)據(jù)，大大節(jié)約反應(yīng)時(shí)間。

考慮到使用環(huán)境的特殊性，糧倉(cāng)內(nèi)壁可能會(huì)比一般建筑物要厚，需要選擇一款穿透性比較好，傳輸距離較遠(yuǎn)的無(wú)線模塊。選用美國(guó)芯科實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)的Si4463芯片，SI4463無(wú)線模塊有較高的輸出功率，保證了大范圍和高鏈路性能，芯片中心頻率是433MHz，供電電壓1.8-3.6V，發(fā)射功率20dBm，最大發(fā)射電流92.94mA，接受電流13.915mA。數(shù)據(jù)傳輸采用SPI模式。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了極低的活動(dòng)和休眠電流消耗。其內(nèi)置天線的多樣性和對(duì)跳頻支持可以用于進(jìn)一步擴(kuò)大范圍，提高性能，十分適合本系統(tǒng)使用，也有利于后期開(kāi)發(fā)。

圖3為無(wú)線傳輸模塊Si4463、溫濕度采集模塊與單片機(jī)電路板連接接口電路圖。

3.3 二氧化碳濃度采集模塊

為了能夠更精準(zhǔn)的掌控糧倉(cāng)內(nèi)部的環(huán)境，除了實(shí)現(xiàn)最基礎(chǔ)的溫、濕度監(jiān)測(cè)的功能，還接入了氧氣、二氧化碳、磷化氫氣體濃度傳感器。

二氧化碳傳感器采用T6615-50KF，NDIR紅外CO2傳感器，雙通道吸入流通式。供電電壓為5V，測(cè)量范圍0-50，000ppm。輸出信號(hào)為UART波特?cái)?shù)字方式或者0～4V模擬量輸出，本系統(tǒng)選擇了抗干擾性比較強(qiáng)的UART通信方式，模塊的RXD和TXD分別與系統(tǒng)使用電化學(xué)氣體傳感器中的原電池型氣體傳感器進(jìn)行檢測(cè)。其基本原理是，利用氧氣的電化學(xué)活性進(jìn)行氧化還原反應(yīng)的程度來(lái)檢測(cè)氧氣的氣體濃度。使用紅外氣體傳感器來(lái)檢測(cè)二氧化碳的濃度，因?yàn)榧t外氣體傳感器具有出色的選擇性，可以通過(guò)設(shè)置實(shí)現(xiàn)，只檢測(cè)固定波長(zhǎng)的氣體，而且使用紅外氣體傳感器的信噪比也很高，抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好，響應(yīng)速度快。二氧化氮模塊模塊的RXD和TXD分別與STM32F103ZET6單片機(jī)的串口4的111腳、112腳連接，接口電路如圖4。

3.4 氣體控制模塊設(shè)計(jì)

氣體控制主要是通過(guò)16個(gè)電磁閥來(lái)控制，那一路電磁閥導(dǎo)通，主路氣體就通向那一路。電磁閥的驅(qū)動(dòng)是通過(guò)單獨(dú)設(shè)計(jì)了16路繼電器電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，控制各路糧倉(cāng)氣閥的連接與斷開(kāi)，以便分別對(duì)于各路糧倉(cāng)進(jìn)行有針對(duì)性的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)更有效的控制。繼電器控制板上選用的繼電器型號(hào)是SRD-12VDC，具有10A觸點(diǎn)切換功能，且具有一組常開(kāi)，一組轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)形式。圖5為氣體控制模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

開(kāi)關(guān)電源輸出的12V和5V電源接入驅(qū)動(dòng)電路板，5V電源經(jīng)過(guò)AMS1117穩(wěn)壓模塊的降壓為3.3V給STM8L151單片機(jī)供電。12V電源為繼電器供電。通道轉(zhuǎn)換電磁閥為1路主通道和16路分支通道構(gòu)成，若某路通道電磁閥通電則打開(kāi)此氣體通道，采集此路的二氧化碳或者氧氣的含量。

3.5 電源模塊

本設(shè)計(jì)外接220V/50Hz電網(wǎng)交流電壓，通過(guò)開(kāi)關(guān)電源連入系統(tǒng)，給主板和其他模塊提供12V和5V直流電壓。主控板單片機(jī)正常工作所需要的電源通過(guò)LM1117降壓模塊搭建。

本系統(tǒng)中使用了一個(gè)3.3V的固定電壓輸出模塊以及兩個(gè)可變電壓輸出模塊。圖6為主控板電源模塊原理圖。

3.6 風(fēng)機(jī)泵模塊設(shè)計(jì)

在整個(gè)系統(tǒng)中微型風(fēng)機(jī)泵的驅(qū)動(dòng)有主控板直接控制。單片機(jī)上在程序中實(shí)現(xiàn)控制，因其對(duì)工作電壓電流要求不是很高，無(wú)需大功率驅(qū)動(dòng)，所以也就通過(guò)主控STM32加三極管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)將微型風(fēng)機(jī)泵與主控板等封裝在機(jī)箱內(nèi)。注意風(fēng)機(jī)泵在啟動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大電流，注意電磁干擾。我們選用的泵為FKY8006，啟動(dòng)電流大約5.5A左右，且持續(xù)時(shí)間小于30ms，在系統(tǒng)電路板的承受范圍之內(nèi)。風(fēng)機(jī)泵驅(qū)動(dòng)電路如圖7所示。

3.7 氧氣及磷化氫采集模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)在系統(tǒng)氣體檢測(cè)模塊上分別使用三個(gè)不同種類的氣體傳感器，分別對(duì)其濃度進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)儀器內(nèi)設(shè)采樣泵和外部連接管道，將檢測(cè)點(diǎn)的氣體樣本采集，輸送到儀器內(nèi)部進(jìn)行集中測(cè)定。連入單片機(jī)，在單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換，接線非常簡(jiǎn)單，單片機(jī)只需要捕捉到此模擬信號(hào)，然后在CPU里進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再根據(jù)單片機(jī)的數(shù)據(jù)位數(shù)和基準(zhǔn)電壓值，就可以換算出得到氣體濃度的實(shí)際含量。

其氧氣采集的檢測(cè)模塊電路圖如下圖8所示，由高精度運(yùn)放LT6003對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，用恒壓源TL431輸出1.6V基準(zhǔn)源為運(yùn)放供電。放大的信號(hào)通過(guò)STM32F103的27腳進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。

磷化氫數(shù)據(jù)的采集采用標(biāo)準(zhǔn)4-20mA模擬量輸出的三線制傳感器。其模塊與主電路接口如下圖9所示。

4 檢測(cè)流程的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中單片機(jī)用的是STM32F103ZE，適用的編譯器為Keil5，在硬件仿真時(shí)使用JTAG。主要系統(tǒng)流程如圖10所示。

本系統(tǒng)的下位機(jī)部分主要包括一系列在線檢測(cè)儀器，檢測(cè)項(xiàng)目包括溫度、濕度、CO2和磷化氫。CO2和磷化氫檢測(cè)是通過(guò)儀器內(nèi)設(shè)采樣泵和外部連接管道，將檢測(cè)點(diǎn)的氣體樣本采集，輸送到儀器內(nèi)部進(jìn)行集中測(cè)定。溫濕度是在各采樣頭，預(yù)設(shè)溫濕度傳感器，通過(guò)無(wú)線傳輸方式檢測(cè)。

下位機(jī)儀器的自行檢測(cè)功能有兩種，其一是可以通過(guò)定期檢測(cè)，如10d～30d，可自由設(shè)定。其二是實(shí)時(shí)監(jiān)控，一般1h或24h，可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)定。其檢測(cè)順序?yàn)椋簡(jiǎn)?dòng)檢測(cè)程序→檢測(cè)各點(diǎn)溫濕度值→打開(kāi)采樣泵→進(jìn)行各檢測(cè)點(diǎn)CO2、氧氣和磷化氫氣體檢測(cè)。

在信息通訊和人機(jī)交互方面，下位機(jī)設(shè)有與上位機(jī)的有線和無(wú)線連接接口，可與控制中心進(jìn)行信息傳輸。其基本操作可通過(guò)按鍵和觸摸屏來(lái)實(shí)現(xiàn)。用戶對(duì)屏幕的一些基本操作也可以通過(guò)一些代碼的設(shè)定，發(fā)送給單片機(jī)，從而完成雙機(jī)對(duì)話，有利于后期工人使用及檢修。

系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置參照點(diǎn)一般為儀器檢測(cè)點(diǎn)零號(hào)。參照點(diǎn)的溫度值是進(jìn)行計(jì)算的重要的依據(jù)，系統(tǒng)以參照點(diǎn)的二氧化碳和磷化氫檢測(cè)值的大小作為糧倉(cāng)能否安全進(jìn)入依據(jù)，當(dāng)二氧化碳或磷化氫達(dá)到某值以上，儀器外接的警示燈由綠變紅，表示不安全。

在系統(tǒng)源代碼中可存一個(gè)預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)設(shè)定及修改窗口，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況的需要，可進(jìn)行SSI（安全指數(shù)）、MMI（遷移指數(shù)）、臨界點(diǎn)（CP）、潛在點(diǎn)（PP）和磷化氫PH3點(diǎn)的設(shè)定和更改。設(shè)定內(nèi)容如下：

SSI值設(shè)定（判定依據(jù)：CO2檢測(cè)結(jié)果）：

≤800ppm1級(jí)

801～3010ppm2級(jí)

3011～5010ppm3級(jí)

≥5011ppm4級(jí)

潛在問(wèn)題點(diǎn)（CP）：≥2000ppm

MMI值設(shè)定（判定依據(jù)：環(huán)境溫度與檢測(cè)點(diǎn)溫度差值的絕對(duì)值）：

≤5.0℃1級(jí)

5.1～8.0℃2級(jí)

8.1～12.0℃3級(jí)

≥12.1℃4級(jí)

潛在潛在點(diǎn)（PP）：≥8.0℃

5 結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)能對(duì)糧倉(cāng)內(nèi)溫濕度及各種氣體含量進(jìn)行檢測(cè)，并將其顯示在觸摸屏上。而通過(guò)觸摸屏的控制，可以對(duì)初始值的設(shè)定與修改，可以分別控制各路風(fēng)機(jī)泵，可以對(duì)目標(biāo)糧倉(cāng)內(nèi)氣體抽取通過(guò)氣體傳感器進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)的結(jié)果也可以存貯在系統(tǒng)配置的SD卡內(nèi)，以便后期隨時(shí)進(jìn)行提取與調(diào)查。

系統(tǒng)新增加了對(duì)空氣中三種氣體含量的檢測(cè)，彌補(bǔ)了市場(chǎng)上檢測(cè)裝置的不足，投入使用可提高糧倉(cāng)的安全性。另外溫度和濕度數(shù)據(jù)則通過(guò)433M系列無(wú)線模塊傳輸數(shù)據(jù)，不需要人工進(jìn)入糧倉(cāng)進(jìn)行測(cè)量，很大程度上節(jié)省了人力。此外，系統(tǒng)還具有穩(wěn)定性好、易于維修和高效的特點(diǎn)。

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作者簡(jiǎn)介：宋博陽(yáng)（1998-），男，本科，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化。