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摘要:本文设计一套用于储量质量监测的系统，使用MSP430单片机采集粮堆多点温湿度，用STM32F103对相关泵阀进行控制，收集二氧化碳、磷化氢、氧气等气体，并采集气体的含量数据。送入基于安卓系统的工业电脑触摸屏。上位机人机交互节点显示监测数据，并通过相关的数学模型对数据进行分析，得到储量的安全等级和灾害种类。
关键词:粮仓;二氧化碳;无线;温湿度;STM32
1绪论
粮食安全是关系经济发展、社会稳定和国家安全的全局性、战略性问题。粮食的收购与储藏是粮食流通过程中十分重要的环节，但就目前来看，世界范围内从粮食生产到最终消费期间存在着不容忽视的极大的损失和浪费。在我国由于全国大部分地区农户储粮装具简陋，保管技术水平低，受鼠害、虫害和霉变等因素的影响造成粮食大量损失，主产区农户储粮损失情况尤为突出。据国家粮食局抽样调查，全国农户储粮损失率平均为8%左右，每年损失粮食约400亿斤。因此需要一种可以有效对粮仓储存环境进行数字化监测管理的设备。随着科技的不断发展，国家投资兴建了许多大型现代化粮仓。目前新建的国储库基本上使用的都是大型集中式巡检仪器，该仪器虽然可以实现粮温检测和通风制冷功能，可以连续监测粮情的变化，然而其对于粮仓规模要求较高、工程浩大、费用高，且测温设备和布线系统一旦完成就难以变更，系统灵活性差。粮仓的位置并非长期固定，会经常倒仓和翻包，传统以布线为主的数据采集和控制系统已不能很好地满足要求。针对目前粮仓温湿度监控系统存在的不足，需要研制中小型粮仓粮情的温湿度及气体浓度的无线采集与控制的设备。通过调研，目前国内已有数十家企业生产储粮质量安全检测系统产品，种类繁多结构各异，但其基本功能大致可实现的有粮仓内温湿度检测、通风机和干燥机的控制等，系统功能重点放在了储粮内部温湿度的检测分析上。而由于技术和资金等问题，很多粮库仍采用原始的存储方式，多数的温湿度检测需要人工进行现场检测。但是当温湿度超标时，若不能及时发现险情及时处理将会造成粮食的大量损失。随着农业产业现代化以及科技强国的推进，国家粮食产量不断突破历史新高。在这样一种大形势下，各产粮地兴建起了各种规模，各式各样的储粮粮仓，而各粮仓对于科学可靠便捷的储粮质量安全监测系统的需求也日益提升。鉴于粮食储存的复杂性和特殊性，本文提出一种新型系统设计，在可以实现温湿度检测功能的前提下特地加入了二氧化碳、氧气、磷化氢气体浓度的测定功能，以便可以全方位，系统性，更准确的把握粮仓内粮食储存的情况，有力地保障粮仓安全。
2系统总体设计方案
本文设计的储粮质量安全检测系统是一款集监测与控制于一身的设备，使用STM32单片机作为控制系统，系统配置了风机泵及相关气体传感器和温、湿度传感器，实现了监测粮仓中的温度、湿度指标的功能，并能够测量粮仓内二氧化碳、氧气、磷化氢含量，同时通过继电器控制气阀的通断。最后将结果显示在显示屏上面，并通过触摸屏幕完成人机交互。粮仓监测系统由终端节点和ARM主控器组成。整个系统的工作流程为:终端节点采集粮仓内的温湿度参数，并将得到的数据传送到ARM主控器。ARM主控器对数据进行显示、汇总和存储备份，管理员可设定每个终端节点的报警范围，传感器采样频率等参数。储粮质量安全检测系统主要由嵌入式主控单元、串口显示触摸屏、气体采集模块、温湿度采集模块、气体控制单元、泵控制单元等几部分组成。系统通过串口显示触摸屏与STM32F103ZE单片机进行信息交互，电源系统添加电源，对其进行供电。气体采集模块对粮仓内的气体进行抽样检验，并进行气体检测，分别检测各种类的气体浓度，温、湿度传感器也会对其进行测试，并将检测结果传递给单片机。而主控单元也会通过检测结果，对风机泵和继电器进行控制。
3各功能模块的设计
3．1主控模块
在储粮质量安全检测系统的设计中，系统控制器的设计占据主要地位。本项目选择广泛用于工业控制的STM公司的单片机STM32F103ZE，是一款高性能、低成本、低功耗的单片机。那么，基于STM32F103ZE的主板是系统主要控制单元，把二氧化碳采集单元和泵驱动单元设计在主控板上。系统主控板上设计放有六个单刀双掷、六脚超小型电磁继电器HK23F-DC5V，用作整个体统的控制单元，控制系统各部分外接设备的工作与否。
3．2终端无线采集模块
该模块主要由单片机MSP430G2553、温湿度传感器、无线传输模块Si4463等组成。利用温湿度传感器检测粮仓内各监测点的温湿度，并将数据转换后温湿度数据通过无线传送到主控系统进行数据处理。温度传感器采用瑞士Sensirion公司的温湿度传感器SHT11。该芯片包括温度和湿度敏感元件、信号放大处理、A/D转换和I2C总线接口。SHT11传感器电源的工作电压为2．4-5．5V，采用两线串行接口。温度的测量范围是-40-125度，湿度的测量范围是0%-100%RH，温度测量最大误差0．4度。将SHT11的两线数字接口输出至单片机MSP430G2553。能够同时采集温度和湿度数据，大大节约反应时间。考虑到使用环境的特殊性，粮仓内壁可能会比一般建筑物要厚，需要选择一款穿透性比较好，传输距离较远的无线模块。选用美国芯科实验室生产的Si4463芯片，SI4463无线模块有较高的输出功率，保证了大范围和高链路性能，芯片中心频率是433MHz，供电电压1．8-3．6V，发射功率20dBm，最大发射电流92．94mA，接受电流13．915mA。数据传输采用SPI模式。同时实现了极低的活动和休眠电流消耗。其内置天线的多样性和对跳频支持可以用于进一步扩大范围，提高性能，十分适合本系统使用，也有利于后期开发。图3为无线传输模块Si4463、温湿度采集模块与单片机电路板连接接口电路图。
3．3二氧化碳浓度采集模块
为了能够更精准的掌控粮仓内部的环境，除了实现最基础的温、湿度监测的功能，还接入了氧气、二氧化碳、磷化氢气体浓度传感器。二氧化碳传感器采用T6615-50KF，NDIR红外CO2传感器，双通道吸入流通式。供电电压为5V，测量范围0-50，000ppm。输出信号为UART波特数字方式或者0～4V模拟量输出，本系统选择了抗干扰性比较强的UART通信方式，模块的RXD和TXD分别与系统使用电化学气体传感器中的原电池型气体传感器进行检测。其基本原理是，利用氧气的电化学活性进行氧化还原反应的程度来检测氧气的气体浓度。使用红外气体传感器来检测二氧化碳的浓度，因为红外气体传感器具有出色的选择性，可以通过设置实现，只检测固定波长的气体，而且使用红外气体传感器的信噪比也很高，抗干扰能力强，稳定性好，响应速度快。二氧化氮模块模块的RXD和TXD分别与STM32F103ZET6单片机的串口4的111脚、112脚连接，接口电路如图4。
3．4气体控制模块设计
气体控制主要是通过16个电磁阀来控制，那一路电磁阀导通，主路气体就通向那一路。电磁阀的驱动是通过单独设计了16路继电器电路来实现的，控制各路粮仓气阀的连接与断开，以便分别对于各路粮仓进行有针对性的测量，实现更有效的控制。继电器控制板上选用的继电器型号是SRD-12VDC，具有10A触点切换功能，且具有一组常开，一组转换触点形式。图5为气体控制模块拓扑结构图。开关电源输出的12V和5V电源接入驱动电路板，5V电源经过AMS1117稳压模块的降压为3．3V给STM8L151单片机供电。12V电源为继电器供电。通道转换电磁阀为1路主通道和16路分支通道构成，若某路通道电磁阀通电则打开此气体通道，采集此路的二氧化碳或者氧气的含量。
3．5电源模块
本设计外接220V/50Hz电网交流电压，通过开关电源连入系统，给主板和其他模块提供12V和5V直流电压。主控板单片机正常工作所需要的电源通过LM1117降压模块搭建。本系统中使用了一个3．3V的固定电压输出模块以及两个可变电压输出模块。图6为主控板电源模块原理图。
3．6风机泵模块设计
在整个系统中微型风机泵的驱动有主控板直接控制。单片机上在程序中实现控制，因其对工作电压电流要求不是很高，无需大功率驱动，所以也就通过主控STM32加三极管进行驱动。系统将微型风机泵与主控板等封装在机箱内。注意风机泵在启动时会产生一个大电流，注意电磁干扰。我们选用的泵为FKY8006，启动电流大约5．5A左右，且持续时间小于30ms，在系统电路板的承受范围之内。
3．7氧气及磷化氢采集模块设计
本设计在系统气体检测模块上分别使用三个不同种类的气体传感器，分别对其浓度进行检测。通过仪器内设采样泵和外部连接管道，将检测点的气体样本采集，输送到仪器内部进行集中测定。连入单片机，在单片机内进行ADC转换，接线非常简单，单片机只需要捕捉到此模拟信号，然后在CPU里进行转换，再根据单片机的数据位数和基准电压值，就可以换算出得到气体浓度的实际含量。其氧气采集的检测模块电路图如下图8所示，由高精度运放LT6003对信号进行放大，用恒压源TL431输出1．6V基准源为运放供电。放大的信号通过STM32F103的27脚进行AD转换。磷化氢数据的采集采用标准4-20mA模拟量输出的三线制传感器。
4检测流程的设计
本设计系统中单片机用的是STM32F103ZE，适用的编译器为Keil5，在硬件仿真时使用JTAG。本系统的下位机部分主要包括一系列在线检测仪器，检测项目包括温度、湿度、CO2和磷化氢。CO2和磷化氢检测是通过仪器内设采样泵和外部连接管道，将检测点的气体样本采集，输送到仪器内部进行集中测定。温湿度是在各采样头，预设温湿度传感器，通过无线传输方式检测。下位机仪器的自行检测功能有两种，其一是可以通过定期检测，如10d～30d，可自由设定。其二是实时监控，一般1h或24h，可根据需要进行设定。其检测顺序为:启动检测程序→检测各点温湿度值→打开采样泵→进行各检测点CO2、氧气和磷化氢气体检测。在信息通讯和人机交互方面，下位机设有与上位机的有线和无线连接接口，可与控制中心进行信息传输。其基本操作可通过按键和触摸屏来实现。用户对屏幕的一些基本操作也可以通过一些代码的设定，发送给单片机，从而完成双机对话，有利于后期工人使用及检修。系统内部设置参照点一般为仪器检测点零号。参照点的温度值是进行计算的重要的依据，系统以参照点的二氧化碳和磷化氢检测值的大小作为粮仓能否安全进入依据，当二氧化碳或磷化氢达到某值以上，仪器外接的警示灯由绿变红，表示不安全。在系统源代码中可存一个预设标准参数设定及修改窗口，可根据现场情况的需要，可进行SSI(安全指数)、MMI(迁移指数)、临界点(CP)、潜在点(PP)和磷化氢PH3点的设定和更改。
5结语
系统能对粮仓内温湿度及各种气体含量进行检测，并将其显示在触摸屏上。而通过触摸屏的控制，可以对初始值的设定与修改，可以分别控制各路风机泵，可以对目标粮仓内气体抽取通过气体传感器进行检测。检测的结果也可以存贮在系统配置的SD卡内，以便后期随时进行提取与调查。系统新增加了对空气中三种气体含量的检测，弥补了市场上检测装置的不足，投入使用可提高粮仓的安全性。另外温度和湿度数据则通过433M系列无线模块传输数据，不需要人工进入粮仓进行测量，很大程度上节省了人力。此外，系统还具有稳定性好、易于维修和高效的特点。
参考文献:
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［3］陈越超．基于模糊控制的粮仓温湿度监控系统设计［J］．长春师范大学学报，2016．35(12):23-28．
［4］余文焕．基干ARM11和嵌入式Web的温室远程监控系统设计［J］．太原:太原理工大学，2018.
作者:宋博阳 单位:华北电力大学