糧庫遠程智能監控系統的研究

熊宗接，陳良洲，徐永杰

(1. 中國人民解放軍92601 部隊，廣東 湛江524009;2. 華中科技大學機械學院，湖北 武漢430074)

0 引言

為實現科學存糧，必須對糧倉內外環境溫度、濕度、糧食溫度、糧食水分、有害氣體濃度、儲糧害蟲等糧情參數進行綜合監測，并進行相應的控制。目前糧情采集監測系統多采用有線通信，或近距離的Zigbee 無線傳感器網絡監測［1］，由于通信距離短，并且與控制系統沒有集成在一起，系統智能化程序低，集成性差、監測范圍小。因此糧食倉儲管理急需一套集成度高、智能化的遠程系統來進行科學管理。

1 糧庫智能監控系統總體方案

系統組成如圖1 所示。由SHT11 數字溫濕度傳感器和DS18B20 單總線數字溫度傳感器構成測量主體［2］，前者測量糧倉中的溫度和濕度，后者測量糧食中的各層溫度。各個傳感節點將測量數據發送給單片機檢測分機，單片機分機與GPRS DTU 模塊通過485 總線相連接，將各個分機的測量數據發送到遠程上位機上，并且測量過程可受遠程上位機命令控制。這個GPRS DTU 模塊根據各分機不同的地址可負責幾個分機的分時操作。另一個GPRS DTU 模塊可連接多個不同站號的PLC 進行遠程控制，上位機可根據單片機測量系統的數據與設置的上、下限數據進行PLC 的自動控制。視頻監控可通過網線或無線WIFI 連接至PC 系統，實驗中我們通過WIFI 與筆記本電腦通訊。

圖1 系統組成框圖

2 庫房分機設計

設計的庫房測溫濕度分機具備設備在線查詢、分機切換操作、周期自動檢測和庫房測溫傳感器的地址表遠程燒寫功能。每個設備分機通過板上的跳線座可設定0x00 至0x1f 之間的任意唯一地址，上位機就可以通過指令檢查該分機是否在線并通過相應的指令操作具體的庫房分機，在庫房某根電纜中的傳感器發生故障時，可通過更換新電纜并重新燒寫新的地址表來實現簡單的后期維護。分機的數據接口設計為二線制的485 總線接口，可擴展性相當強。實驗中分別利用支持485 總線的宏電公司的GPRS 模塊和卓嵐公司的485 轉以太網模塊［3］實現遠程服務器端的數據雙向交互功能，尤其是485 轉以太網模塊操作實時性強，后期免充值或維護費用。庫房控制分機由三菱PLC 組成，通過485 總線與GPRS 模塊或485 轉以太網模塊形成通信鏈路。系統上電后，可通過遠程計算機指令控制單片機系統電源進行糧情檢測板的復位，設定檢測周期開始檢測庫房溫濕度，手動或根據測量結果自動控制庫房各風機、空調設備。

3 上位機設計

上位機程序采用組態王(KingVIEW)軟件編寫，組態王軟件作為一種開放型的通用工業監控軟件，融過程控制設計、現場操作以及工廠資源管理于一體，將一個企業內部的各種生產系統和應用以及信息交流匯集在一起，實現最優化管理。本系統采用組態王內嵌的宏電GPRS DTU 驅動，利用虛擬串口，可方便實現與下位機的通信。

上位機監控中心包含以下幾個基本模塊:用戶管理模塊，使用正確的用戶名和密碼才能安全登錄進入系統;糧庫查詢模塊，在線糧倉對應的命令按鈕高亮顯示，點擊此按鈕可對相應糧倉進行操作;數據接收模塊，用于接收下位機測量數據;PLC 控制模塊，手動遠程控制PLC 各輸出的動作，及根據報警模塊的設置進行自動控制;報警模塊及數據報表模塊。其中上位機數據接收流程如圖2 所示。如果虛擬串口“接收數據”改變，則在數據改變命令語言中啟動“接收數據數目延時”，此延時在秒數據改變命令語言中計數，延時時間到達后，“接收數據數目”加1，之后在應用程序命令語言中，根據“接收數據數目”把接收到的數據賦值給相應的變量。隨后檢測接收到數據的長度，如果長度正確，則“數據接收完成N”置1，在事件命令語言中，根據不同的“數據接收完成N”完成最后的解析。如圖2 所示，虛擬串口在接收到數據以后，需要延時一段時間才能把“接收數據數目”加1，這個延時非常重要。

圖2 上位機數據接收流程圖

根據控制規程，在上位機監測系統中編寫控制策略，并以此來驅動PLC 的內部輔助寄存器，完成對風機、除濕機、空調以及窗戶的控制。PLC 選用三菱FX2N 系列，利用GX-Developer 編寫PLC 控制程序方便靈活，易于調試。上位機測控系統形成決策后，通過互聯網把指令傳送至DTU，DTU 再以串口形式發送給PLC，PLC 根據事先編譯好的程序做出相應的動作，與此同時上位機讀取PLC 的輸出狀態，并判斷指令是否執行成功。關于現場控制模式則是通過PLC 編程口連接工業觸控屏，實現現場近距離手動控制。

4 關鍵難點與創新

4.1 任意多個DS18B20 測溫傳感器的地址二叉樹搜索算法的實現

現有許多庫房安裝的老一代單一的糧情檢測系統都帶有大量的測溫電纜，如果都廢棄不用，既沒有經濟效益也是一種資源的浪費。但要用起來，當初設計的上位機程序中固化的每個傳感器的地址又不得而知，就沒辦法將這些測溫傳感器利用起來，所以讀出現有測溫電纜中的各傳感器地址變得相當重要。

根據DS18B20 的技術文檔中提到的其地址的自動搜索算法的描述［4］，利用堆棧的出入棧技術將各二叉樹的分支保存起來，就可以將任意多個DS18B20 傳感器的地址讀取出來，并通過單片機的串口打印到電腦顯示器上，其中核心程序如下:

#define MAXNUM 4 //定義傳感器數量

idata uchar ID ［MAXNUM］［8］ =0;//定義傳感器地址變量

void search_ rom (void)//搜索ROM

{ uchar k，top，location，m，n;

uchar record ［(MAXNUM+1)］ =0;

uchar ss ［64］ = {0};

top=0;

do

{ write_ byte (0xf0);

for (m=0;m ＜8;m+ +)

{

uchar s=0;

for (n=0;n ＜8;n+ +)

{k=read_ 2bit ();//讀兩位數據

k=k＆0x03;

s ＞＞=1;

if (k= =0x01)//01 讀到的數據為0 寫0

{write_ bit (0);

ss ［(m* 8 +n)］ =0;

}

else if (k= =0x02)//讀到的數據為1 寫1

… …

else if (k= =0x00)//讀到的數據00 有沖突位

{

… …

if (location ＞record ［top］)

{write_ bit (0);

ss ［(m* 8 +n)］ =0;

record ［+ +top］ =location;//入棧

}

… …

ID ［num］［m］ =s;

}

num=num+1;

}while (record ［top］!=0＆＆ (num ＜MAXNUM));

4.2 將測量系統和控制系統、視頻監視系統集成在一個上位機畫面

視頻監控硬件方面選用了支持WIFI 和網線雙功能的網絡攝像頭，軟件上使用組態軟件將糧情檢測數據和風機、空調電源控制和視頻畫面的選擇集成在一個上位機操作畫面。整個系統是真正意義上的測量和控制系統，不是目前傳統的單一測量系統［5］。

4.3 遠程無線通迅

通過安裝手機SIM 卡的GPRS 模塊真正建立遠程無線通訊，比通過Zigbee 無線網絡組建的無線通訊距離大。另外如果在各庫房間實現無線的或有線的局域網聯接，安裝485 轉以太網模塊也可實現遠程測量和控制，而且無需后續手機充值且建立連接速度快。

5 結束語

根據以上思路設計了一套糧庫遠程監控系統的實驗模型。實驗模型效果圖如圖3 示。

圖3 實驗模型效果圖

模型中有兩個平房庫和兩個立筒庫，每個庫房側面安裝兩個小風扇代表庫房的風機，安裝兩排流水燈代表庫房的空調。GPRS 模塊通過域名訪問的方式聯接遠程的電腦服務器程序。運行上位機程序可對四個庫房模型的糧情數據和風扇，流水燈進行遠程監測?，F場附近可配置一個工業屏并行控制PLC 的操作。以上基于模型的實驗研究預期可在實際工程應用中得到運用和檢驗。

［1］牛宇卿. 基于無線傳感器網絡的無線糧情監控系統的設計與實現［D］. 太原:太原理工大學，2011.

［2］徐小玲，李少彪，張福強. 基于ZigBee 的糧倉溫濕度監控系統設計［J］ . 廣東石油化工學院學報，2011，21(4):48.

［3］上海卓嵐信息科技有限公司. ZLAN3100 串口服務器用戶手冊［EB/OL］. ［2013－02－11］.http://www.zlmcu.com.

［4］Dallas Semiconductor.DS18B20－datasheet. ［EB/OL］. ［2013－02 －11］. http://wenku.baidu.com/view/73675f2fed630b1c 59eeb58a.

［5］陳爽，王軍，韓樹人. 基于無線傳感器網絡的糧倉環境監測系統設計［J］. 農機化研究，2010 (9):100－103.