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摘要:本文設計一套用于儲量質量監測的系統，使用MSP430單片機采集糧堆多點溫濕度，用STM32F103對相關泵閥進行控制，收集二氧化碳、磷化氫、氧氣等氣體，并采集氣體的含量數據。送入基于安卓系統的工業電腦觸摸屏。上位機人機交互節點顯示監測數據，并通過相關的數學模型對數據進行分析，得到儲量的安全等級和災害種類。
關鍵詞:糧倉;二氧化碳;無線;溫濕度;STM32
1緒論
糧食安全是關系經濟發展、社會穩定和國家安全的全局性、戰略性問題。糧食的收購與儲藏是糧食流通過程中十分重要的環節，但就目前來看，世界范圍內從糧食生產到最終消費期間存在著不容忽視的極大的損失和浪費。在我國由于全國大部分地區農戶儲糧裝具簡陋，保管技術水平低，受鼠害、蟲害和霉變等因素的影響造成糧食大量損失，主產區農戶儲糧損失情況尤為突出。據國家糧食局抽樣調查，全國農戶儲糧損失率平均為8%左右，每年損失糧食約400億斤。因此需要一種可以有效對糧倉儲存環境進行數字化監測管理的設備。隨著科技的不斷發展，國家投資興建了許多大型現代化糧倉。目前新建的國儲庫基本上使用的都是大型集中式巡檢儀器，該儀器雖然可以實現糧溫檢測和通風制冷功能，可以連續監測糧情的變化，然而其對于糧倉規模要求較高、工程浩大、費用高，且測溫設備和布線系統一旦完成就難以變更，系統靈活性差。糧倉的位置并非長期固定，會經常倒倉和翻包，傳統以布線為主的數據采集和控制系統已不能很好地滿足要求。針對目前糧倉溫濕度監控系統存在的不足，需要研制中小型糧倉糧情的溫濕度及氣體濃度的無線采集與控制的設備。通過調研，目前國內已有數十家企業生產儲糧質量安全檢測系統產品，種類繁多結構各異，但其基本功能大致可實現的有糧倉內溫濕度檢測、通風機和干燥機的控制等，系統功能重點放在了儲糧內部溫濕度的檢測分析上。而由于技術和資金等問題，很多糧庫仍采用原始的存儲方式，多數的溫濕度檢測需要人工進行現場檢測。但是當溫濕度超標時，若不能及時發現險情及時處理將會造成糧食的大量損失。隨著農業產業現代化以及科技強國的推進，國家糧食產量不斷突破歷史新高。在這樣一種大形勢下，各產糧地興建起了各種規模，各式各樣的儲糧糧倉，而各糧倉對于科學可靠便捷的儲糧質量安全監測系統的需求也日益提升。鑒于糧食儲存的復雜性和特殊性，本文提出一種新型系統設計，在可以實現溫濕度檢測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定功能，以便可以全方位，系統性，更準確的把握糧倉內糧食儲存的情況，有力地保障糧倉安全。
2系統總體設計方案
本文設計的儲糧質量安全檢測系統是一款集監測與控制于一身的設備，使用STM32單片機作為控制系統，系統配置了風機泵及相關氣體傳感器和溫、濕度傳感器，實現了監測糧倉中的溫度、濕度指標的功能，并能夠測量糧倉內二氧化碳、氧氣、磷化氫含量，同時通過繼電器控制氣閥的通斷。最后將結果顯示在顯示屏上面，并通過觸摸屏幕完成人機交互。糧倉監測系統由終端節點和ARM主控器組成。整個系統的工作流程為:終端節點采集糧倉內的溫濕度參數，并將得到的數據傳送到ARM主控器。ARM主控器對數據進行顯示、匯總和存儲備份，管理員可設定每個終端節點的報警范圍，傳感器采樣頻率等參數。儲糧質量安全檢測系統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。系統通過串口顯示觸摸屏與STM32F103ZE單片機進行信息交互，電源系統添加電源，對其進行供電。氣體采集模塊對糧倉內的氣體進行抽樣檢驗，并進行氣體檢測，分別檢測各種類的氣體濃度，溫、濕度傳感器也會對其進行測試，并將檢測結果傳遞給單片機。而主控單元也會通過檢測結果，對風機泵和繼電器進行控制。
3各功能模塊的設計
3．1主控模塊
在儲糧質量安全檢測系統的設計中，系統控制器的設計占據主要地位。本項目選擇廣泛用于工業控制的STM公司的單片機STM32F103ZE，是一款高性能、低成本、低功耗的單片機。那么，基于STM32F103ZE的主板是系統主要控制單元，把二氧化碳采集單元和泵驅動單元設計在主控板上。系統主控板上設計放有六個單刀雙擲、六腳超小型電磁繼電器HK23F-DC5V，用作整個體統的控制單元，控制系統各部分外接設備的工作與否。
3．2終端無線采集模塊
該模塊主要由單片機MSP430G2553、溫濕度傳感器、無線傳輸模塊Si4463等組成。利用溫濕度傳感器檢測糧倉內各監測點的溫濕度，并將數據轉換后溫濕度數據通過無線傳送到主控系統進行數據處理。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、信號放大處理、A/D轉換和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。溫度的測量范圍是-40-125度，濕度的測量范圍是0%-100%RH，溫度測量最大誤差0．4度。將SHT11的兩線數字接口輸出至單片機MSP430G2553。能夠同時采集溫度和濕度數據，大大節約反應時間?？紤]到使用環境的特殊性，糧倉內壁可能會比一般建筑物要厚，需要選擇一款穿透性比較好，傳輸距離較遠的無線模塊。選用美國芯科實驗室生產的Si4463芯片，SI4463無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，發射功率20dBm，最大發射電流92．94mA，接受電流13．915mA。數據傳輸采用SPI模式。同時實現了極低的活動和休眠電流消耗。其內置天線的多樣性和對跳頻支持可以用于進一步擴大范圍，提高性能，十分適合本系統使用，也有利于后期開發。圖3為無線傳輸模塊Si4463、溫濕度采集模塊與單片機電路板連接接口電路圖。
3．3二氧化碳濃度采集模塊
為了能夠更精準的掌控糧倉內部的環境，除了實現最基礎的溫、濕度監測的功能，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，測量范圍0-50，000ppm。輸出信號為UART波特數字方式或者0～4V模擬量輸出，本系統選擇了抗干擾性比較強的UART通信方式，模塊的RXD和TXD分別與系統使用電化學氣體傳感器中的原電池型氣體傳感器進行檢測。其基本原理是，利用氧氣的電化學活性進行氧化還原反應的程度來檢測氧氣的氣體濃度。使用紅外氣體傳感器來檢測二氧化碳的濃度，因為紅外氣體傳感器具有出色的選擇性，可以通過設置實現，只檢測固定波長的氣體，而且使用紅外氣體傳感器的信噪比也很高，抗干擾能力強，穩定性好，響應速度快。二氧化氮模塊模塊的RXD和TXD分別與STM32F103ZET6單片機的串口4的111腳、112腳連接，接口電路如圖4。
3．4氣體控制模塊設計
氣體控制主要是通過16個電磁閥來控制，那一路電磁閥導通，主路氣體就通向那一路。電磁閥的驅動是通過單獨設計了16路繼電器電路來實現的，控制各路糧倉氣閥的連接與斷開，以便分別對于各路糧倉進行有針對性的測量，實現更有效的控制。繼電器控制板上選用的繼電器型號是SRD-12VDC，具有10A觸點切換功能，且具有一組常開，一組轉換觸點形式。圖5為氣體控制模塊拓撲結構圖。開關電源輸出的12V和5V電源接入驅動電路板，5V電源經過AMS1117穩壓模塊的降壓為3．3V給STM8L151單片機供電。12V電源為繼電器供電。通道轉換電磁閥為1路主通道和16路分支通道構成，若某路通道電磁閥通電則打開此氣體通道，采集此路的二氧化碳或者氧氣的含量。
3．5電源模塊
本設計外接220V/50Hz電網交流電壓，通過開關電源連入系統，給主板和其他模塊提供12V和5V直流電壓。主控板單片機正常工作所需要的電源通過LM1117降壓模塊搭建。本系統中使用了一個3．3V的固定電壓輸出模塊以及兩個可變電壓輸出模塊。圖6為主控板電源模塊原理圖。
3．6風機泵模塊設計
在整個系統中微型風機泵的驅動有主控板直接控制。單片機上在程序中實現控制，因其對工作電壓電流要求不是很高，無需大功率驅動，所以也就通過主控STM32加三極管進行驅動。系統將微型風機泵與主控板等封裝在機箱內。注意風機泵在啟動時會產生一個大電流，注意電磁干擾。我們選用的泵為FKY8006，啟動電流大約5．5A左右，且持續時間小于30ms，在系統電路板的承受范圍之內。
3．7氧氣及磷化氫采集模塊設計
本設計在系統氣體檢測模塊上分別使用三個不同種類的氣體傳感器，分別對其濃度進行檢測。通過儀器內設采樣泵和外部連接管道，將檢測點的氣體樣本采集，輸送到儀器內部進行集中測定。連入單片機，在單片機內進行ADC轉換，接線非常簡單，單片機只需要捕捉到此模擬信號，然后在CPU里進行轉換，再根據單片機的數據位數和基準電壓值，就可以換算出得到氣體濃度的實際含量。其氧氣采集的檢測模塊電路圖如下圖8所示，由高精度運放LT6003對信號進行放大，用恒壓源TL431輸出1．6V基準源為運放供電。放大的信號通過STM32F103的27腳進行AD轉換。磷化氫數據的采集采用標準4-20mA模擬量輸出的三線制傳感器。
4檢測流程的設計
本設計系統中單片機用的是STM32F103ZE，適用的編譯器為Keil5，在硬件仿真時使用JTAG。本系統的下位機部分主要包括一系列在線檢測儀器，檢測項目包括溫度、濕度、CO2和磷化氫。CO2和磷化氫檢測是通過儀器內設采樣泵和外部連接管道，將檢測點的氣體樣本采集，輸送到儀器內部進行集中測定。溫濕度是在各采樣頭，預設溫濕度傳感器，通過無線傳輸方式檢測。下位機儀器的自行檢測功能有兩種，其一是可以通過定期檢測，如10d～30d，可自由設定。其二是實時監控，一般1h或24h，可根據需要進行設定。其檢測順序為:啟動檢測程序→檢測各點溫濕度值→打開采樣泵→進行各檢測點CO2、氧氣和磷化氫氣體檢測。在信息通訊和人機交互方面，下位機設有與上位機的有線和無線連接接口，可與控制中心進行信息傳輸。其基本操作可通過按鍵和觸摸屏來實現。用戶對屏幕的一些基本操作也可以通過一些代碼的設定，發送給單片機，從而完成雙機對話，有利于后期工人使用及檢修。系統內部設置參照點一般為儀器檢測點零號。參照點的溫度值是進行計算的重要的依據，系統以參照點的二氧化碳和磷化氫檢測值的大小作為糧倉能否安全進入依據，當二氧化碳或磷化氫達到某值以上，儀器外接的警示燈由綠變紅，表示不安全。在系統源代碼中可存一個預設標準參數設定及修改窗口，可根據現場情況的需要，可進行SSI(安全指數)、MMI(遷移指數)、臨界點(CP)、潛在點(PP)和磷化氫PH3點的設定和更改。
5結語
系統能對糧倉內溫濕度及各種氣體含量進行檢測，并將其顯示在觸摸屏上。而通過觸摸屏的控制，可以對初始值的設定與修改，可以分別控制各路風機泵，可以對目標糧倉內氣體抽取通過氣體傳感器進行檢測。檢測的結果也可以存貯在系統配置的SD卡內，以便后期隨時進行提取與調查。系統新增加了對空氣中三種氣體含量的檢測，彌補了市場上檢測裝置的不足，投入使用可提高糧倉的安全性。另外溫度和濕度數據則通過433M系列無線模塊傳輸數據，不需要人工進入糧倉進行測量，很大程度上節省了人力。此外，系統還具有穩定性好、易于維修和高效的特點。
參考文獻:
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作者:宋博陽 單位:華北電力大學