摘  要： 在分析糧食科技物流中心的發(fā)展趨勢(shì)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(duì)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(cè)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(shì)。

　　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(cè)系統(tǒng)多采用分離的傳感器分別對(duì)溫、濕度進(jìn)行測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)系統(tǒng)，管理員可以觀測(cè)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(cè)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(duì)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(duì)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(cè)量與控制節(jié)點(diǎn)：負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)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(cè)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(chǎng)數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測(cè)、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(cè)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(duì)濕度精度為±3．0％)、可編程設(shè)置測(cè)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(cè)量分辨率為：濕度8位、溫度12位，分別對(duì)應(yīng)O．5％和0．04 ℃的測(cè)量分辨率，既能滿足測(cè)量要求，也能實(shí)現(xiàn)測(cè)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(cè)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(cè)量命令(“00000101”—測(cè)量相對(duì)濕度；“00000011”—測(cè)量溫度)、SHT71返回一個(gè)低電平作正確接收應(yīng)答、等待測(cè)量結(jié)束、測(cè)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(duì)濕度，SORH為25 ℃時(shí)8位數(shù)字相對(duì)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(duì)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(cè)一次數(shù)據(jù)，溫濕度測(cè)量結(jié)束后，等待上位機(jī)的通信請(qǐng)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(duì)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(duì)系統(tǒng)的操作與監(jiān)控。圖7為某倉房某個(gè)檢測(cè)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(duì)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(duì)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(cè)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(cè)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。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 通訊員.糧食儲(chǔ)備“四合一”新技術(shù)研究開發(fā)與集成創(chuàng)新[J].糧食儲(chǔ)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(cè)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(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[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(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)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(jì)與實(shí)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(dòng)化軟件科技有限公司.昆侖通態(tài)選型手冊(cè)[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(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2010，18(5)：987-989.

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

　　[9] 宏晶科技公司.STC11/10用戶手冊(cè)[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(yàn)[J].控制工程，2005，12（1）：64-66.