糧倉溫濕度在線(xiàn)除濕

糧倉溫濕度在線(xiàn)除濕

　　本系統主要針對多點(diǎn)環(huán)境和設備內溫度、濕度的集中監控和管理，是一套可無(wú)人值所24小時(shí)不間斷實(shí)時(shí)監控記錄的自動(dòng)化監測系統。系統能對大面積的多點(diǎn)的溫濕度進(jìn)行監測記錄，并將溫濕度數據實(shí)時(shí)傳輸到PC機上，利用系統監測軟件進(jìn)行數據存儲與分析，并輸出打印歷史數據和曲線(xiàn)圖，在設備異常情況下還以現場(chǎng)多媒體音響、聲光報警器、電話(huà)報警、手機短信息報警、網(wǎng)絡(luò )客戶(hù)端報警等多種形式的通知相應監管人員?？朔艘郧翱抗芾砣藛T手工檢查、測量和手工計算溫度值和濕度值，提高了糧倉溫度和濕度除濕的檢測速度和檢測精度，節省了大量人力和物力，減輕了溫濕度管理的工作強度，提高了管理效率。

　　系統基于傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、信息管理技術(shù)、通信技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)為主體，按照分布式原則設計，以全數字信號進(jìn)行傳輸，提高了系統的可靠性和可維護性。。通過(guò)我們（優(yōu)度科技）的專(zhuān)用溫濕度監測軟件接收、顯示、分析、監測，從而達到實(shí)時(shí)監控被測點(diǎn)位的溫濕度環(huán)境變化。是一套可無(wú)人值所，能24小時(shí)不間斷實(shí)時(shí)監控記錄的自動(dòng)化監測系統。

　　方案為分布式智能網(wǎng)絡(luò )型監控系統（優(yōu)度科技），采用硬件功能軟件化的系統設計思想及系統硬件的模塊化、通訊網(wǎng)絡(luò )化設計，系統可根據需要升級軟件功能與擴展硬件種類(lèi)，增加監控點(diǎn)數量，監控軟件的編制采用軟件工程管理，開(kāi)放性與可擴充性極強。

　　本系統（優(yōu)度科技）能對現場(chǎng)溫濕度環(huán)境進(jìn)行數據檢測、顯示、記錄、文檔保存、打印、數據分析、設置上下線(xiàn)超限報警、分析報警點(diǎn)位及趨勢曲線(xiàn)圖等功能。監控電腦軟件采用圖形界面實(shí)時(shí)顯示，界面可進(jìn)行總貌顯示、分區顯示、顯示各點(diǎn)位溫濕度的每時(shí)刻的詳細數據、歷史溫濕度曲線(xiàn)、可記錄查找、打印各點(diǎn)位的溫濕度數據。

　　系統組成

　　二、監測模塊

　　功能參數：

　　RS485通訊接口

　　傳感器采用瑞士盛世瑞恩（Sensirion）SHTX系列或霍尼威爾Honeywell（HS1101/HIH4000）。

　　SHT15型智能傳感器的相對濕度測量范圍是0~100％，最高精度為2％RH（SHT10為5％RH）。

　　溫度測量范圍是—40℃一十123．8℃。分辨率為0．1℃。響應時(shí)間小于3s。

　　三、上位機軟件

　　1、監控界面直觀(guān)顯示每個(gè)監測點(diǎn)的名稱(chēng)、位置、編號、溫度數值、濕度數值。

　　2、根據實(shí)際情況增加、修改、減少監測點(diǎn)的名稱(chēng)、位置、編號。

　　3、可查看每個(gè)監測點(diǎn)的溫度/濕度等數據曲線(xiàn)。

　　4、每個(gè)監測點(diǎn)的采集數據實(shí)時(shí)存入數據庫，可導出EXCEL表格。

　　5、實(shí)時(shí)記錄監測點(diǎn)的越限記錄，存入數據庫，可導出EXCEL表格。

　　6、有監測點(diǎn)越限時(shí)，計算機播放聲音告警。

　　7、郵件報警功能：每次的異常記錄都通過(guò)郵件發(fā)送到負責人郵箱。

　　8、可選功能

　?。?）短信報警功能

　?。?）現場(chǎng)報警：聲光報警

　　本設計采用89c51單片機為控制中心，該芯片具有4KB的快擦寫(xiě)可編程/擦除只讀存儲器EEPROM、256KB片內RAM、3個(gè)16位定時(shí)計數器、5個(gè)中斷源，無(wú)需進(jìn)行系統擴展既可滿(mǎn)足任務(wù)要求，能較大幅度提高系統的性?xún)r(jià)比。而溫濕度傳感器我選用的是dht11傳感器，他性?xún)r(jià)比高。DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專(zhuān)用的數字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(cháng)期穩定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應、抗干擾能力強、性?xún)r(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。

　　另外該系統除了能顯示溫濕度以外，還能設置溫濕度報警閾值。

　　近幾年據海關(guān)統計結果顯示，我國糧食進(jìn)出口同比均呈下降趨勢，我國糧食供求開(kāi)始進(jìn)入緊平衡階段。在糧食供給能力逐漸弱化的情況下，我們必須注意到貯存糧食的科學(xué)性和有效性。貯糧倉庫的現代管理也是當前糧食系統改造的重大項目之一。而在糧倉管理過(guò)程當中，最重要的是控制倉內的溫度和濕度，溫濕度會(huì )直接影響糧食的貯存量。而溫濕度檢測傳統的方法是用與濕度表、毛發(fā)濕度表、雙金屬式測量計和濕度試紙等測試器材，通過(guò)人工進(jìn)行檢測，對不符合溫度和濕度要求的場(chǎng)所進(jìn)行通風(fēng)、去濕和降溫等工作。這種人工測試方法費時(shí)費力、效率低，且測試的溫度及濕度誤差大，隨機性大，因此我們需要一種造價(jià)低廉、使用方便且測量準確的溫濕度監測系統。

　　過(guò)限報警【溫濕度監測系統要滿(mǎn)足以下條件：溫濕度監測系統能完成數據采集和處理、顯示、串行通信、輸出控制信號等多種功能。由數據采集、數據調理、單片機、數據顯示等4個(gè)大的部分組成。該測控系統具有實(shí)時(shí)采集（檢測糧庫內的溫濕度）、實(shí)時(shí)顯示（對監測到的進(jìn)行顯示）、實(shí)時(shí)警報（根據監測的結果，超出預設定的值的進(jìn)行蜂鳴警告）的功能。

　　傳感器是實(shí)現測量首要環(huán)節，是監測系統的關(guān)鍵部件，如果沒(méi)有傳感器對原始被測信號進(jìn)行準確可靠的捕捉和轉換，一切準確的測量和控制都將無(wú)法實(shí)現。工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化測量和控制，幾乎主要依靠各種傳感器來(lái)檢測和控制生產(chǎn)過(guò)程中的各種參量，使設備和系統正常運行在最佳狀態(tài)，從而保證生產(chǎn)的高效率和高質(zhì)量。

　　2.1溫濕度傳感器的選擇

　　DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專(zhuān)用的數字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高

　　的可靠性與卓越的長(cháng)期穩定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應、抗干擾能力強、性?xún)r(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進(jìn)行校準。校準系數以程序的形式儲存在OTP內存中，傳感器內部在檢測信號的處理過(guò)程中要調用這些校準系數。單線(xiàn)制串行接口，使系統集成變得簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20米以上，使其成為各類(lèi)應用甚至最為苛刻的應用場(chǎng)合的最佳選則。產(chǎn)品為4針單排引腳封裝。連接方便，特殊封裝形式可根據用戶(hù)需求而提供。

　　2.2信號采集通道的選擇

　　在本設計系統中，溫度輸入信號為4路的模擬信號，這就需要多通道結構采用多路分時(shí)的模擬量輸入通道。這種結構的模擬量通道特點(diǎn)為：對ADC、S/H要求高。處理速度慢。硬件簡(jiǎn)單，成本低。軟件比較復雜。如圖2-1所示。

　　最初的糧倉監測除濕系統是通過(guò)人工對糧倉內的溫度和濕度進(jìn)行測量和觀(guān)察，采取相應的控制措施。再后來(lái)的糧倉監測系統采用有線(xiàn)傳輸方式，這兩種監測系統都需要耗費大量的人力、財力和物力。針對上述糧倉監測系統出現的問(wèn)題，本文在參考大量資料和剖析傳統糧倉監測系統的基礎上，設計了一種無(wú)線(xiàn)糧倉監測系統，以替代傳統的有線(xiàn)傳輸系統。

　　隨著(zhù)我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，糧食儲備日益增加，糧庫建設對溫濕度監測技術(shù)的要求越來(lái)越高。由于糧食在儲藏過(guò)程中易受溫度、水分等因素影響，使糧食發(fā)生霉變、蟲(chóng)害滋生等情況，為了確保儲糧安全，需準確掌握糧食儲藏過(guò)程中溫濕度的實(shí)時(shí)變化，并對糧情數據進(jìn)行分析，采取相應控制措施，而設計合理的糧倉監測系統可以為安全儲糧提供技術(shù)保證和科學(xué)依據。最初的糧倉監測系統是通過(guò)人工對糧倉內的溫度和濕度進(jìn)行測量和觀(guān)察，采取相應的控制措施;再后來(lái)的糧倉監測系統采用有線(xiàn)傳輸方式，這兩種監測系統都需要耗費大量的人力、財力和物力。針對上述糧倉監測系統出現的問(wèn)題，本文在參考大量資料和剖析傳統糧倉監測系統的基礎上，設計了一種無(wú)線(xiàn)糧倉監測系統，以替代傳統的有線(xiàn)傳輸系統，系統結合了現有的多種先進(jìn)技術(shù)，提供了一種全新的獲取信息、處理信息的途徑。該系統布線(xiàn)少、故障率低、易于維護、結構簡(jiǎn)單、成本低廉、工作穩定可靠。使糧倉監測系統朝“網(wǎng)絡(luò )化智能監測”方向發(fā)展，即具有自動(dòng)測溫、數據共享等特征。

　　ZigBee技術(shù)概述

　　在ZigBee聯(lián)盟的網(wǎng)站上有一個(gè)關(guān)于“ZigBee”名字由來(lái)的傳說(shuō)，大體上描述的是蜜蜂在采蜜的過(guò)程中，通過(guò)ZigZag形狀的舞蹈在同伴之間交換蜜源信息，稱(chēng)之為“ZigBee法則”，蜂群就是通過(guò)這種法則維持生存和發(fā)展的。由于蜜蜂本身體積小，能量消耗低，采集并互相傳送花粉，故ZigBee即表示一種短距離、低成本、低功耗、低速率的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。在此之前，ZigBee亦被稱(chēng)作“HomeRFLite”、“RF-EasyLink”或“FireFly”無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，目前統稱(chēng)為“ZigBee”，國內通常翻譯為“紫蜂”技術(shù)。

　　ZigBee技術(shù)并非完全獨有、全新的標準，它是在IEEE802.15.4—2003標準的基礎上建立的。該標準定義了物理（PHY）層和媒體訪(fǎng)問(wèn)控制（MAC）子層；在它的基礎上，ZigBee聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡(luò )（NWK）層和應用層框架（AF）。其中應用層框架包括應用支持子層（APS）和ZigBee設備對象（ZDO），制造商定義的應用對象使用該框架，并與ZDO分享APS和安全服務(wù)[15]。

　　根據IEEE802.15.4—2003協(xié)議標準，ZigBee的工作頻段共分為3個(gè)頻段，分別為868MHz、915MHz和2.4GHz。其中，868MHz頻段范圍是868.0~868.6MHz，該頻段上只有一個(gè)信道，調制方式是二進(jìn)制相移鍵控（BPSK），數據傳輸速率為20kbit/s；915MHZ頻段范圍是902~928MHz，該頻段上有10個(gè)信道，調制方式也是BPSK，其數據傳輸速率為40kbit/s；2.4GHz頻段范圍為2400~2483.5MHz，調制方式是偏移四相相移鍵控（O-QPSK），數據傳輸速率是250kbit/s。868MHz和915MHz屬于歐洲頻段，主要在美國和澳大利亞使用；而2.4GHz是全球通用的工業(yè)、科學(xué)、醫學(xué)（ISM）頻段，且該無(wú)線(xiàn)電頻段不僅是免費的，而且無(wú)需申請[16，17]。根據ZigBee聯(lián)盟的觀(guān)點(diǎn)，他們開(kāi)發(fā)的低成本、低功耗、雙向的ZigBee標準可被嵌入在消費類(lèi)電子產(chǎn)品、家庭和樓宇自動(dòng)化、工農業(yè)控制、PC外設、醫療傳感器應用、玩具以及游戲，具有非常廣泛的市場(chǎng)應用前景。

　　ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)

　　根據ZigBee技術(shù)的本質(zhì)，可歸納出ZigBee具有以下幾點(diǎn)優(yōu)越特性：

　　1、高可靠性：ZigBee聯(lián)盟在制定ZigBee規范時(shí)，針對數據在傳輸過(guò)程中的內在的不確定性，采取了一些措施來(lái)提高數據傳輸的可靠性，主要措施有：物理層兼容高可靠的短距離無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議IEEE802.15.4，同時(shí)使用偏移四相相移鍵控（O-QPSK）和直接序列擴頻（DSSS）技術(shù)；采用載波偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)/沖突避免（CSMA-CA）技術(shù)解決數據沖突問(wèn)題；使用16-bitCRC來(lái)確保數據的正確性；采用帶應答的數據傳輸方式來(lái)確保數據傳輸的目的地址；采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )盡量保證數據可以沿著(zhù)不同的傳輸路徑從源地址到目的地址。

　　2、功耗低：低功耗通常是針對終端設備而言的，一般情況，路由器和協(xié)調器需一直處于供電狀態(tài)，只有終端設備可以定時(shí)休眠。當終端設備不需要工作，可以讓其處于休眠模式，此時(shí)耗電量非常低；當其需要工作時(shí)，喚醒設備，使其處于工作狀態(tài)，喚醒時(shí)間非常短，一般只需15ms。在實(shí)際系統中，終端設備對數據的采集一般都是定時(shí)采集的，就這樣在工作與休眠之間交替轉換，使ZigBee終端設備非常省電，通常兩節普通的五號電池可支持一臺ZigBee終端設備長(cháng)達6~24個(gè)月的使用時(shí)間。

　　3、成本低：ZigBee技術(shù)可以應用于8-bit的MCU，目前TI公司推出的兼容ZigBee2007協(xié)議的SoC芯片CC2530每片價(jià)格也才20~35元，外圍只需要簡(jiǎn)單的電路設計即可實(shí)現網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的構建，且隨著(zhù)半導體集成技術(shù)的發(fā)展，ZigBee芯片的體積將會(huì )越來(lái)越小，開(kāi)發(fā)成本也會(huì )隨之下降[19]；ZigBee的協(xié)議棧是免專(zhuān)利費的，開(kāi)發(fā)人員可直接調用協(xié)議棧里的一些函數，縮短了開(kāi)發(fā)周期，這大大降低了開(kāi)發(fā)成本。

　　4、安全性高：為了保證數據傳輸的安全性，ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗（CRC）的數據包完整性檢查和鑒權、認證功能；還可以使用AES-128加密算法對傳說(shuō)的數據進(jìn)行加密處理，提高整個(gè)傳輸過(guò)程的安全性。

　　5、網(wǎng)絡(luò )容量大：一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )理論上可支持高達個(gè)節點(diǎn)[20]。

　　總體設計方案

　　1.1基于zigbee的糧倉溫濕度監測系統設計指標以及要求本文選取糧倉中的溫度、濕度為監測對象，采用zigbee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行數據傳輸。為了確保監測系統數據采集的準確性和無(wú)線(xiàn)傳輸的可靠性，系統的測量參數和zigbee網(wǎng)絡(luò )性能需要滿(mǎn)足以下要求:

　　糧倉監測系統的測量參數要求如下：測量溫度在40℃~123.8℃之間，測量適度范圍在0~100%RH之間，分辨力分別為0.1℃和0.1%RH，允許的誤差范圍在±0.4℃以及3.0%RH。

　　1.2基于zigbee的糧倉溫濕度監測系統的方案設計

　　基于ZigBee的糧倉溫濕度監測系統主要由監測網(wǎng)絡(luò )和信息監測管理系統(上位pc機)兩部分組成，系統總體設計示意圖如圖1所示。監測網(wǎng)絡(luò )是由若干個(gè)傳感節點(diǎn)和一個(gè)匯聚節點(diǎn)按照一定的協(xié)議形成的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。傳感節點(diǎn)放在特定的監測區域中，將采集的數據以多跳的通信方式傳送到聚節點(diǎn)，同時(shí)能夠接收匯聚節點(diǎn)發(fā)來(lái)相應命令。監測網(wǎng)絡(luò )中的匯聚點(diǎn)接收網(wǎng)絡(luò )內所有傳感節點(diǎn)的信息，并將這些數據解析成幀后通過(guò)RS232串口上傳至pc機監測管理系統;同時(shí)匯聚節點(diǎn)也能夠接收pc(上位)機發(fā)來(lái)的幀，解析幀后向網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)發(fā)送管理信息，完成用戶(hù)自定義網(wǎng)絡(luò )設置功能。

　　一、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的硬件設計

　　由于本溫濕度測控系統的驗證實(shí)驗是在一個(gè)小型的糧庫中進(jìn)行的，組建簡(jiǎn)單的星形網(wǎng)絡(luò )即可，不需要路由器節點(diǎn)轉發(fā)所采集的信息。本糧倉溫濕度測控系統各部分工作情況如下：

　　1、傳感器采集節點(diǎn)工作過(guò)程【糧倉溫濕度監測系統原代碼】

　　首先，根據實(shí)際需求，將傳感器采集節點(diǎn)撒布在糧倉內所需監測的區域，傳感器感知并采集監控區域周?chē)臏貪穸刃畔?，并在其內部對所采集到的溫度和濕度信息進(jìn)行放大、A/D轉換等處理；然后，通過(guò)MCU讀取傳感器輸出的數據，并對讀到的數據進(jìn)行計算處理以得到溫濕度真實(shí)值；最后，將糧倉內溫濕度的最終真實(shí)數據無(wú)線(xiàn)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。其中，為了保證數據能夠順利傳送至網(wǎng)關(guān)，傳感器采集節點(diǎn)在采集數據和發(fā)送數據之前，必須能夠并順利加入ZigBee網(wǎng)絡(luò )。

　　2、網(wǎng)關(guān)的工作過(guò)程

　　本糧倉溫濕度測控系統中的網(wǎng)關(guān)相當于ZigBee網(wǎng)絡(luò )中的協(xié)調器，擔負著(zhù)ZigBee組網(wǎng)工作。各終端設備申請加入網(wǎng)絡(luò )成功后，就可以和該網(wǎng)關(guān)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信。本網(wǎng)關(guān)接收到傳感器采集節點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的數據，經(jīng)過(guò)相關(guān)處理后，會(huì )通過(guò)串口將這些數據傳輸到上位機或者通過(guò)以太網(wǎng)將它們傳送到遠程PC端，從而實(shí)現對糧倉內溫度和濕度信息的監測。同時(shí)，當監測的溫度或濕度值超出系統所設定值的范圍，上位機或遠程PC端會(huì )發(fā)送相應的控制信息給網(wǎng)關(guān)，再通過(guò)網(wǎng)關(guān)將這些控制信息無(wú)線(xiàn)轉發(fā)給糧倉內相應的控制節點(diǎn)。

　　3、控制節點(diǎn)的工作過(guò)程

　　對于本設計中的控制節點(diǎn)，同樣根據實(shí)際需求將其撒布在糧倉內，且在工作之前，也需要申請加入ZigBee網(wǎng)絡(luò )。加入網(wǎng)絡(luò )成功后，才可以實(shí)時(shí)監聽(tīng)無(wú)線(xiàn)信道上是否有網(wǎng)關(guān)無(wú)線(xiàn)發(fā)送過(guò)來(lái)的控制命令，若控制節點(diǎn)接收到控制命令，會(huì )立即通過(guò)控制節點(diǎn)中的MCU控制繼電器的通斷以控制糧倉內的現場(chǎng)調控設備（如電風(fēng)扇、降溫器、除濕機等），從而實(shí)現對糧倉內溫度和濕度信息的遠程調控。

　　2.1傳感節點(diǎn)系統結構設計

　　2.2匯聚節點(diǎn)系統結構設計

　　ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的傳感節點(diǎn)和匯聚節點(diǎn)由于功能不同，所需的硬件結構也會(huì )有所不同，本文分別對傳感節點(diǎn)和匯聚節點(diǎn)進(jìn)行了設計。匯聚節點(diǎn)主要由電源模塊、微處理器模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊組成，其系統硬件結構框圖如圖3所示

　　匯聚節點(diǎn)主要是接收傳感網(wǎng)絡(luò )中傳感節點(diǎn)的信息，通過(guò)RS232串口發(fā)送給PC機上的信息監測管理系統，同時(shí)一能夠接收PC機發(fā)來(lái)的幀，經(jīng)解析后完成用戶(hù)自定義網(wǎng)絡(luò )的管理功能.