基于STM32的糧倉(cāng)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳 巖 陳開(kāi)勝

（開(kāi)封大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)學(xué)院，河南 開(kāi)封 475004）

糧食是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對(duì)糧食存儲(chǔ)提出了更科學(xué)的方法。溫度、濕度是糧食存儲(chǔ)過(guò)程中關(guān)鍵的參數(shù)，合適的溫濕度值可以讓糧食儲(chǔ)存更長(zhǎng)時(shí)間，所以必須對(duì)糧倉(cāng)的溫濕度進(jìn)行監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)溫濕度值超標(biāo)，可及時(shí)采取措施進(jìn)行調(diào)整［1］。STM32F103RET6是一種高性能、低功耗的32位ARM微控制器，片上集成512kB Flash，64kB SRAM，5路串口，3路SPI接口，2路IIC接口，正常工作在8MHz時(shí)功耗僅10mW，掉電模式時(shí)10μW。現(xiàn)有糧倉(cāng)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)大多采用傳統(tǒng)51單片機(jī)設(shè)計(jì)［2］，相比STM32性能較差、功耗較高；節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控中心采用有線連接，布線成本高。由于糧倉(cāng)的特殊性，如范圍大、安全性高、監(jiān)控的點(diǎn)多［3］，采用電池供電、無(wú)線通信將數(shù)據(jù)傳回監(jiān)控中心是比較好的選擇［4－6］。本設(shè)計(jì)相比現(xiàn)有技術(shù)提高了溫濕度的測(cè)量精度，降低了安裝成本，加強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，上位機(jī)軟件可將異常信息發(fā)送至維護(hù)人員的手機(jī)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。

1 整體方案

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求

（1）應(yīng)能準(zhǔn)確地采集到各個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫濕度值，采用SHT11模塊，該模塊是數(shù)字式的溫濕度傳感器，精度高，穩(wěn)定性高，價(jià)格低廉，通過(guò)IIC總線與單片機(jī)相連。

（2）由于節(jié)點(diǎn)較多，布線困難，應(yīng)采用無(wú)線通信，nRF24L01是工作在2.4GHz全球開(kāi)放ISM頻段，最大0 dBm發(fā)射功率，免許可證使用，支持6路通道數(shù)據(jù)接收，最高速率2Mbps，最低電壓僅1.9V。當(dāng)工作在最大發(fā)射功率0 dBm時(shí)，功耗為34mW，處于掉電模式下則為3μW。外部單片機(jī)通過(guò)SPI接口對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，非常適合簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)傳輸場(chǎng)合。

1.2 單個(gè)節(jié)點(diǎn)方案

考慮到上述3點(diǎn)要求，采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32單片機(jī)控制單個(gè)節(jié)點(diǎn)，該芯片價(jià)格低、功耗低，適合電池供電系統(tǒng)，同時(shí)具有IIC和SPI總線，可與SHT11和nRF24L01相連接。節(jié)點(diǎn)框圖見(jiàn)圖1。

圖1 節(jié)點(diǎn)框圖Figure 1 Node block diagram

1.3 整體方案

考慮到整個(gè)糧庫(kù)面積大，單個(gè)節(jié)點(diǎn)到監(jiān)控中心距離遠(yuǎn)，而nRF24L01一般傳輸距離為幾百米，視具體情況而定，故需要在每個(gè)糧倉(cāng)加中繼器［7，8］，由于中繼器時(shí)刻需要轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，功耗較大，需要給其供電。每個(gè)節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)給中繼器，中繼器到監(jiān)控中心則采用以太網(wǎng)連接，穩(wěn)定可靠。雖然中繼器需要布線，但每個(gè)糧倉(cāng)只需1到2個(gè)中繼器，相對(duì)已簡(jiǎn)化許多。中繼器采用現(xiàn)有成熟的產(chǎn)品，選用SYMD76型，1個(gè)百兆網(wǎng)口，4路nRF24L01接收，可滿足實(shí)際需要。整體方案見(jiàn)圖2。

2 硬件設(shè)計(jì)

由STM32控制SHT11和nRF24L01，將溫濕度值傳輸給監(jiān)控中心。在通信中斷時(shí)，將數(shù)據(jù)保存至TF卡，待通信恢復(fù)時(shí)再傳輸數(shù)據(jù)，保證信息的完整性。由于采用電池供電，當(dāng)電池電量低于1/3時(shí)，點(diǎn)亮低電量報(bào)警LED燈，并向監(jiān)控中心提出低電量報(bào)警。設(shè)計(jì)有USB口，方便給電量不足的節(jié)點(diǎn)充電。節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)應(yīng)保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，選型滿足工業(yè)設(shè)計(jì)要求，還應(yīng)注意優(yōu)化系統(tǒng)功耗，使節(jié)點(diǎn)單次使用時(shí)間更長(zhǎng)。節(jié)點(diǎn)PCB和原理圖見(jiàn)圖3、4。

圖2 整體方案框圖Figure 2 The overall program block diagram

圖3 節(jié)點(diǎn)PCBFigure 3 Node PCB

圖4 節(jié)點(diǎn)原理圖Figure 4 Node schematic

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 節(jié)點(diǎn)程序

節(jié)點(diǎn)程序主要是對(duì)STM32進(jìn)行編程，開(kāi)發(fā)工具為Keil uVision4［9］，采用大部分時(shí)間休眠，定時(shí)器中斷后開(kāi)始工作的方式進(jìn)行，以降低電能消耗。主要程序段有：初始化系統(tǒng)，啟動(dòng)定時(shí)器。定時(shí)器中斷，喚醒CPU，控制SHT11采集溫濕度值，控制nRF24L01發(fā)送溫濕度值到中繼器。程序流程圖見(jiàn)圖5。

3.2 上位機(jī)軟件

QT是一種跨平臺(tái)性良好，編程簡(jiǎn)單，界面美觀的編程工具。監(jiān)控中心上位機(jī)軟件采用QT編寫(xiě)，功能齊全，人際交互性好［10，11］。

圖5 節(jié)點(diǎn)程序Figure 5 The node program

圖6 上位機(jī)軟件Figure 6 PC software

4 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)試生產(chǎn)了100個(gè)節(jié)點(diǎn)，單節(jié)點(diǎn)成本可控制在50元以內(nèi)，分5個(gè)糧倉(cāng)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，溫濕度誤差小于3%，實(shí)時(shí)性可達(dá)每分鐘10次，新增加節(jié)點(diǎn)，可快速并入系統(tǒng)，使用1年未有節(jié)點(diǎn)低電量報(bào)警。上位機(jī)配置GPRS模塊，當(dāng)有異常時(shí)可發(fā)送信息至維護(hù)人員的手機(jī)上，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。

5 結(jié)論

本研究給出了低功耗糧倉(cāng)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)方案，采用該方案可快速、可靠的部署糧倉(cāng)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)證明，該設(shè)計(jì)方案可操作性強(qiáng)，適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，值得大力推廣。

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