籽棉溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設計

■ 吳國新 徐守東

〔安徽財經(jīng)大學棉花工程研究所，安徽蚌埠233041〕

籽棉溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設計

■ 吳國新 徐守東

〔安徽財經(jīng)大學棉花工程研究所，安徽蚌埠233041〕

一、引言

我國大部分的棉花加工企業(yè)，在棉花收購和加工期間，籽棉均采用堆垛儲存。棉花加工企業(yè)從籽棉收購后堆垛到完成棉花加工生產(chǎn)，所需時間因籽棉的收購量、生產(chǎn)能力的差異，通常需要1個月，長的可能需要5～6個月時間。

在籽棉收購過程中，受到收購季節(jié)、氣候或人為因素的影響，有時籽棉的回潮率會大于國家標準規(guī)定值。籽棉堆垛后因籽棉回潮率過高引起棉垛內(nèi)溫度升高，導致籽棉品質(zhì)變異，甚至引起自燃。

近年來新疆棉區(qū)大力推廣機采棉，而機采棉中葉屑等雜質(zhì)的含量遠高于手摘棉，機采棉的回潮率也高于手摘棉。

為了正確、及時地檢測籽棉品質(zhì)，使籽棉采后不受損失，研究籽棉垛內(nèi)溫濕度變化與內(nèi)在品質(zhì)變化的機理，棉花加工企業(yè)迫切需要研發(fā)一種棉垛內(nèi)籽棉溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。在此背景下，筆者通過研究籽棉安全儲存機制，開發(fā)了一套籽棉垛內(nèi)溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。從科學的角度確定籽棉安全儲存環(huán)境條件，實時監(jiān)測籽棉品質(zhì)，對我國棉花采后的籽棉安全、減損具有重要作用。

二、籽棉溫濕度自動監(jiān)測系統(tǒng)的構成

籽棉溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)測發(fā)射機、接收機、中繼裝置、計算機及軟件等構成。如圖1所示。

監(jiān)測發(fā)射機安置在棉垛內(nèi)，微處理器控制溫濕度傳感器測量籽棉垛內(nèi)的溫濕度，并將測量結(jié)果通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)射出來，供接收裝置接收。

接收機放置在監(jiān)控室內(nèi)，接收籽棉垛內(nèi)的溫濕度測量數(shù)據(jù)，將接收數(shù)據(jù)顯示并發(fā)送給計算機。

為了增加傳輸距離，適應棉花加工企業(yè)生產(chǎn)的要求，筆者設計了中繼接收發(fā)送裝置，通過中繼裝置接收發(fā)射機發(fā)出的測量數(shù)據(jù)，并按照通訊協(xié)議發(fā)送所接收到的測試數(shù)據(jù)，使得測量數(shù)據(jù)能夠進行遠距離傳輸。

計算機和軟件完成測量數(shù)據(jù)的存儲、檢索、打印和報警等功能。

三、籽棉溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的設計

1.發(fā)射機的設計。

發(fā)射機由微處理器、溫濕度傳感器和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊構成，如圖2所示。在微處理器的控制下，對傳感器周圍的溫濕度數(shù)據(jù)進行采集，并通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)射出去。

（1）微處理器的選擇。

由于棉花加工企業(yè)電磁干擾嚴重，測量環(huán)境比較惡劣，我們選用了TI公司的MSP430F系列單片機。MSP430F系列單片機是美國德州儀器（TI）1996年開始推向市場的一種16位超低功耗、具有精簡指令集（RISC）的混合信號處理器（Mixed Signal Processor）。由于其針對實際應用需求，將多個不同功能的模擬電路、數(shù)字電路模塊和微處理器集成在一個芯片上，以提供“單片”解決方案，因此，該系列單片機多應用于需要電池供電的便攜式儀器儀表中。

在發(fā)射機內(nèi)，筆者選擇了MSP430F2131，它是一款超低功耗MCU，在1.8～3.6 V的工作電壓范圍內(nèi)性能高達16 MIPS。其超低功耗主要表現(xiàn)在以下幾個方面：0.1 μA RAM保持模式、0.3 μA待機模式（VLO）、0.7 μA實時時鐘模式、220 μA/MIPS工作模式、在1 μs之內(nèi)超快速地從待機模式喚醒。

（2）溫濕度傳感器的選擇。

在籽棉溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)射機的設計上，筆者針對棉花加工廠籽棉垛貨場的情況，采用低功耗的器件，使用電池供電，在整個棉花加工季節(jié)都能正常工作，對籽棉垛內(nèi)部的溫濕度進行實時、有效的監(jiān)測。

在溫濕度測量傳感器的選擇上，通過大量的對比試驗，確定使用瑞士SENSIRON公司的SHT11數(shù)字溫濕度傳感器。它是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器，該傳感器具有很高的可靠性和長期穩(wěn)定性。傳感器集成了1個電容式聚合體測濕元件、1個能隙式測溫元件、1個14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路。其主要參數(shù)如表1所示。

表1SHT 11參數(shù)

從表1的數(shù)據(jù)和實驗室驗證數(shù)據(jù)的結(jié)果上看，以上參數(shù)能夠滿足棉花加工廠的環(huán)境測試要求。

（3）微處理器與溫濕度傳感器的硬件接口設計。

微處理器MSP430F2131與溫濕度傳感器SHT11硬件的連接如圖3所示。

微處理器MSP430F2131引腳P1.6、P1.7分別與溫濕度傳感器的DATA和SCK相連，其數(shù)據(jù)線DATA為三態(tài)門，所需要的上拉電阻通過設置MSP430F2131內(nèi)部的上拉電阻開關為開而獲得。在抗干擾設計上，要做好電源濾波和信號線之間的屏蔽措施。

（4）溫濕度傳感器的讀寫程序。

數(shù)字溫濕度傳感器SHT11的讀寫程序框圖如圖4所示。

（5）無線數(shù)據(jù)傳輸方式的硬件設計。

考慮到傳輸?shù)目煽啃裕P者采用了Nordic公司的NRF905數(shù)據(jù)傳輸芯片。NRF905可以自動完成處理字頭和CRC（循環(huán)冗余碼校驗）的工作，可由片內(nèi)硬件自動完成曼徹斯特編碼/解碼，使用SPI接口與微控制器通信，配置非常方便，其功耗非常低，以-10 dBm的輸出功率發(fā)射時電流只有11 mA，在接收模式時電流為12.5 mA。NRF905單片無線收發(fā)器工作由1個完全集成的頻率調(diào)制器、1個帶解調(diào)器的接收器、1個功率放大器、1個晶體震蕩器和1個調(diào)節(jié)器組成。ShockBurst工作模式的特點是自動產(chǎn)生前導碼和CRC，可以很容易通過SPI接口進行編程配置。

微處理器MSP430F2131與無線數(shù)據(jù)傳輸模塊NRF905的硬件連接如圖5所示。

（6）發(fā)射機的軟件設計。

發(fā)射機在上電完成傳感器和無線發(fā)射模塊的自檢后，即進入休眠模式。微處理器每隔1 min進入喚醒狀態(tài)，自動對溫濕度數(shù)據(jù)進行讀取，并通過無線數(shù)據(jù)傳輸模式發(fā)送出來。其工作過程如圖6所示。

為了適應棉花加工廠強電磁干擾的工作環(huán)境，在發(fā)射機軟件設計上設置啟動了單片機的內(nèi)置看門狗電路，同時，為了提高工作的可靠性，又外置了一個看門狗電路，以保證發(fā)射機能夠長期有效地對籽棉監(jiān)測，保障籽棉品質(zhì)的安全。

為了使接收機可靠接收，在發(fā)射機軟件設計中，采用了軟件防數(shù)據(jù)碰撞措施。

（5）發(fā)射機封裝設計。

為適應不同地區(qū)、不同棉垛的堆垛形式，筆者采用外徑分別為Φ21 mm和Φ32 mm兩種硬質(zhì)鋁合金管封裝，以滿足不同籽棉垛測量時布裝深度的要求，其外觀如圖7所示。

傳感器置入籽棉垛內(nèi)，其周圍的小孔使得棉垛內(nèi)部的空氣進入傳感器周圍。內(nèi)部的單片機控制傳感器測量棉垛內(nèi)部的溫濕度數(shù)據(jù)，并控制無線數(shù)據(jù)傳輸模塊將其發(fā)送出去。

2.接收機的設計。

在接收機的設計上，重點是抗干擾和高可靠性。

針對棉花加工廠電機多、電磁干擾嚴重等特點，針對接收機使用220 V交流電作為電源的情況，在抗干擾和電磁兼容性上主要采取的措施為：一是在電源的選擇上采用安全可靠的電源；二是采用直流隔離措施，在AC/DC之后再采取DC/DC隔離電源；三是采用硬件看門狗，使儀器能夠在遇到干擾情況下重新復位，保證儀器正常工作；四是在軟件上采取冗余措施，保障儀器正常工作。

（1）接收機的硬件設計。

接收機的硬件構成如圖8所示。

微處理器采用了MSP430F149低功耗處理器，以滿足不同供電場合的需要。

MSP430F149是一種新型的混合信號處理器，采用了美國德州儀器（Texas Instruments）公司最新低功耗技術（工作電流為0.1～400 pA），它將大量的外圍模塊整合到片內(nèi)，特別適合于開發(fā)和設計單片系統(tǒng)。

其主要具有如下特點：低電壓、超低功耗；內(nèi)部具有12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC12），可以得到很高的精度，省去了使用專門的模數(shù)轉(zhuǎn)換器給設計電路板帶來的麻煩；擁有大容量的存儲空間。存儲器空間多達60 k Flash ROM和2 k RAM；兩通道串行通信接口，可用于與計算機進行異步或同步串行通信；硬件乘法器獨立于CPU進行乘法運算的操作，在提高乘法運算速度的同時也提升了CPU的利用效率。

接收芯片采用NRF905單片數(shù)據(jù)傳輸芯片。

顯示器件采用液晶顯示模塊，為了適應不同供電方式的要求，筆者采用了低功耗的單色圖形液晶顯示模塊。

（2）接收機的軟件設計。

接收機的工作流程如圖9所示。

接收機開機完成復位后，對外圍芯片和模塊進行自檢，包括實時時鐘芯片DS3231、鐵電存儲器FM24CL04、數(shù)據(jù)存儲器AT45DB041、液晶顯示模塊等，在完成自檢和NRF905模塊參數(shù)設置后，接收機進入接收狀態(tài)，當接收機接收到測量數(shù)據(jù)時，將其送液晶顯示器顯示并掃描有無鍵盤服務要求。

在時鐘中斷程序中，完成接收數(shù)據(jù)的存儲、時鐘的顯示、RS232通訊口數(shù)據(jù)的發(fā)送等。

接收機鍵盤功能主要完成的任務有：時間設置、存儲數(shù)據(jù)的顯示、存儲數(shù)據(jù)的清除、存儲數(shù)據(jù)的通訊等。

3.中繼裝置的設計。

棉花加工廠貨場形式多樣，為了增加數(shù)據(jù)傳輸距離和信號傳輸?shù)目煽啃裕槍γ藁庸S棉花露天堆放、不能布線的特點，筆者設計了一款中繼接收裝置，將棉垛內(nèi)溫濕度測量數(shù)據(jù)接收后發(fā)送出去。中繼接收裝置采用太陽能電池供電方式進行工作，將棉垛內(nèi)測得的數(shù)據(jù)進行二次發(fā)射，如圖10所示。

對于接收裝置離棉垛較遠，貨場面積較大的企業(yè)，可以通過增加接收裝置來提高數(shù)據(jù)的有效傳輸距離。

信號中繼站內(nèi)置一塊12V12A·h鉛酸電池，白天和晴天由太陽能電池板給鉛酸電池充電，晚上和陰雨天則由鉛酸電池供電，一般一次充電即可以滿足連續(xù)7 d左右的系統(tǒng)工作需要。

由單片機控制的數(shù)據(jù)收發(fā)模塊處于接收狀態(tài)，當它接收到棉垛內(nèi)溫濕度的測量信號時，將其發(fā)送出去。為了增加發(fā)送距離，采用大功率數(shù)據(jù)傳輸模塊。

四、小結(jié)

籽棉棉垛溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)現(xiàn)場使用，對監(jiān)測籽棉垛內(nèi)的溫濕度狀況、防止籽棉品質(zhì)變異、保障籽棉安全、提高棉花采后效益均有較大的作用。

籽棉垛溫濕度監(jiān)測儀器標準化研究（ACJD1203）籽棉垛溫濕度監(jiān)測點布局及置入方式研究（ACJD1202）資助項目安徽財經(jīng)大學2012年度基地招標項目課題