基于總線技術的倉庫溫濕度監測系統的設計

摘要：溫濕度是倉庫環境重要參數之一，針對倉庫溫濕度監測問題，提出了一種基于總線技術的倉庫溫濕度監測系統。詳細闡述了倉庫溫濕度監測系統的設計思想、硬件結構和軟件的設計方法。采用CAN總線技術對倉庫進行分布式節點設計，以低功耗單片機MSP430F149為控制核心，通過數字式溫濕度傳感器獲取節點參數，實現對倉庫多點溫濕度實時監測。

關鍵詞：倉庫;溫度;濕度;CAN

中圖分類號：TP301? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）07-0109-03

1 概述

溫濕度是倉庫重要的環境參數，保持合適的溫濕度對貯存物品非常重要。在工業、農業、制造業等行業中許多產品在高溫環境下易燃易爆炸，低溫環境容易失去活性效用，陰潮環境下易受潮發霉等，如果在貯藏存儲這一環節發生了事故將會造成巨大的經濟損失，因此監測倉庫的溫度、濕度等環境參數非常有必要[1-2]。文章提出一種低功耗、分布式的CAN總線倉庫溫濕度監測系統，實現對倉庫多點溫濕度實時監測與顯示。系統具有適應性廣泛、抗干擾能力強且具備遠程傳輸處理能力。

2 CAN總線概述

CAN（Controller Area Network）總線技術屬于現場總線技術的一種，是ISO國際標準化的串行通信協議，又名為控制器局域網絡，它作為一種分布式控制串行通信總線，雙絞線、同軸電纜、光導纖維等介質都可以作為它的通信介質。目前，比較常用的現場總線有：Profibus總線、LonWorks總線、CAN總線、WorldFIP總線和基金會現場總線等。根據在倉儲管理中各個現場設備呈分散式分布的特點，CAN總線因為其通信協議的特性及優勢，使其成為應用于倉儲管理的現場通信總線的理想選擇。

3 硬件系統設計

本倉庫溫濕度監測系統的硬件部分的主要構成如下：MSP430F149作為主控制器，將CAN控制器MCP2515和CAN收發器TJA1050以及光電耦合器6N137整合為CAN通信模塊，而溫濕度測量模塊則主要由SHT11構成。

3.1 微控制器MSP430F149

系統采用美國德州儀器公司的MSP430F149單片機作為微控制器，工作電壓較低，范圍為1.8 V ～3.6V，有3種工作模式，分別為主動、待機和關閉，其對應的工作電流分別為280μA、1.6μA和0.1μA。從低功耗模式到喚醒模式的轉換時間小于6μs，完全滿足實時系統的高效要求[3-4]。該處理器通過16位RISC系統、16位CPU、集成寄存器和常量發生器來獲得最大代碼效率。它具有豐富的片上資源：60KB+256B閃速存儲器、2KB的RAM、兩個16位定時器、一個8通道快速12位A/D轉換器、兩個通用USART接口，以及支持SPI通信，方便CAN總線接口通信，全滿足本系統的使用需求[5-6]。

3.2 CAN控制器MCP2515

MCP2515是由Microchip推出的一款具有SPI口可以獨立控制器局域網絡協議控制器。工業級的工作溫度范圍為-40℃至+85℃，滿足系統設計要求。CAN協議處理模塊和發送、接收緩沖器包括過濾器和屏蔽器共同構成了MCP2515的CAN模塊。CAN協議處理模塊連接于CAN總線，SPI接口連接于MCU。MCP2515對CAN總線數據的發送流程是微處理器通過SPI接口將待發送的數據寫入MCP2515的發送緩沖器，緊接著調用發送請求的命令就可以將發送數據到CAN總線上。MCP2515具有發送、接收中斷，各自錯誤中斷以及總線喚醒中斷等8個中斷源。MCP2515既支持CAN的標準幀格式，也支持CAN2.0B的擴展幀格式。MCP2515共有114個寄存器，有效地址范圍為0x00～0x7F。在使用MCU對MCP2515進行初始化時，只有通過SPI接口用其內置的讀寫命令才能完成接收緩沖器和發送緩沖器的設置。

3.3 CAN收發器 TJA1050

TJA1050具有差分發射和接收能力，具有較高的電磁抗干擾性。TJA1050由于在輸出信號中CANH能最大限度地匹配CANL，電磁輻射相對更低，改善了在節點未通電時的性能，因此它非常適合設計低功耗節點。其最高通信速率可達1Mb/s，可連接110個節點，非常適用于分布式大范圍的節點布置。TJA1050有高速或靜音兩種工作模式，通過自身S引腳選擇工作模式。其中高速模式為默認模式，總線上輸出信號的斜率切換時能夠在較高的速率上進行，因此這種模式適合于較大的位速率和大總線。當S引腳處于接地時處于高速模式，而接工作電源時為靜音模式。在電路中TJA1050的1號引腳TXD的功能為從CAN總控制器當中輸入發送到總線上的數據，2號引腳GND為接地，3號引腳VCC為電源，4號引腳RXD的功能為從總線接收的數據發送給CAN總線控制器，6號引腳CANH和7號引腳CANL分別為高低電平的電壓輸入和輸出。

3.4 光電耦合器6N137

6N137是適用于單通道的高速光耦合器，它可以在極低的輸入電流下完成光電的轉換。具備溫度、電流和電壓補償的功能，輸入輸出隔離程度較高，轉換速率可達10Mbit/s，可帶8個TTL負載，工作溫度范圍為-40℃～+85℃。在實際應用中6N137的引腳1與4未連接，2和3兩腳分為陰陽兩極，5腳接地，6腳為開路集電極輸出，7腳為使能端，8腳接工作電源。正常情況下，當光敏管處于非導通狀態時，發光二極管正向電流為0～250uA。當光敏管處于導通狀態時，其二極管正向電壓為1.2V～1.7V，正向電流為6.5 mA ～15mA。6N137在不加限流電阻或者所加電阻阻值較小的情況下，仍然能夠工作，但是處于數字波形較為陡峭的時候，Vcc1將會受到發光二極管導通電流的影響，此時上升和下降沿的頻譜比較寬，由此產生的尖峰脈沖造成將極其尖銳，一般情況下無法抑制這種噪聲，所以電路設計時需用阻值較大的限流電阻。而對于輸出端而言，應該在腳5和腳8附近放置一個0.1uF的去耦電容以此來吸收電源線上的紋波，同時也能起到保護光電隔離器接收端在運作時所受到的影響。腳6是集電極開路輸出端，一般情況下需接保護電阻。當使能端腳7處于0～0.8V時強制輸出為開路，在2.0V～Vcc2時允許接收端工作。

3.5 溫濕度傳感器SHT11

SHT11是瑞士Sensirion公司生產的數字式新型相對濕度和溫度傳感器。SHT11的測量范圍為0-100%RH，-40℃～+123.8℃，精度為±3.0%RH，±0.4℃，分辨率為0.03%RH，0.1℃，傳輸方式為I2C總線。SHT11的應用電路中1號引腳接地，2號和3號引腳分別為數據和時鐘的串行接口，4號引腳接2.4V～5.5V的工作電壓。其工作原理是將所測得的濕度和溫度轉換成電信號，經過微弱信號放大器放大之后進入A/D轉換器，轉換后輸出數字信號。

3.6 CAN通信模塊設計

系統采取在外部總線上進行擴展CAN總線接口芯片和CAN收發器的方案。為了能夠使報文數據在CAN通信協議下進行發送和接收，在啟動報文發送的環節就要求能夠控制使能引腳或者通過SPI接口來發送命令。MCP2515將CAN總線上探查到的報文信息與用戶定義信息做對比，一旦確認信息匹配，就會將報文數據轉送到接收緩存器中。CAN通信模塊設計如圖1所示。

為了提升MSP430F149工作的穩定性和準確性以及對抗外界、電路元器件產生的電磁干擾和噪聲，加入光電耦合器實現抑制干擾和隔離。在實際電路當中， TJA1050的CANH和CANL兩個引腳與CAN總線接口需要串接兩個保護電阻以及并接兩個瞬態抑制二極管。限流作用的保護電阻的阻值為5Ω，瞬態抑制二極管選擇SA28A，放置在輸入端與地之間，并在這兩者之間并聯一個阻值大小為120Ω的終端電阻，它的作用除了在一定程度上防電磁輻射之外也能濾除CAN總線上存在的一些高頻干擾。另外在第8個引腳上接地來讓其進入高速模式。

3.7 溫濕度測量電路設計

本系統設計的溫濕度測量模塊主要由溫濕度測量一體的數字型傳感器SHT11完成。DATA數據線需要配置一個上拉電阻，工作電壓為5V， SCK數據線的最高頻率為10MHz。SHT11的電路設計如圖2所示。

3.8 電子報警電路

針對可能出現的倉庫內溫度或者濕度反常的情況，本系統采用蜂鳴器報警電路來提示。無源蜂鳴器在采取方波作為理想的工作信號的狀態下會在程序中相應地輸出一定頻率的方波。當倉庫內出現溫濕度超過設置的閾值時，蜂鳴器將會發出報警。電路采取NPN型三極管作為蜂鳴器的驅動。

4 軟件系統設計

4.1 CAN總線的通信程序設計

本系統將DeviceNet作為CAN作為底部的通訊協議，在應用層領域對于不同的設備定義不同的協議，它有重復節點的地點偵測的功能，同樣能夠在高噪聲的環境下使用。本系統采用的是DN1022協議芯片來進行微處理器和DeviceNet的連接，通過高速串/并口與用戶處理器進行連接。DN1022內置DeviceNet Group2 Only Slave從站協議棧，DeviceNet處理器，高速串/并行口，CAN控制器等。它最大可輸入或輸出64個字節，并提供POLL（輪詢）、COS（狀態改變）、CYCLIC（循環）共三種數據觸發方式，其正常的供電電壓為3.0V～5.5V。程序先后完成CPU的初始化、讀保護器配置命令，接著配置DN1022，最后完成保護器與DeviceNet主站之間的交互數據等流程。

4.2 SPI通信程序設計

MCP2515與微處理器通過SPI模式通信，軟件設計需要完成初始、SPI讀寫等操作。本系統所用的SPI函數有：SPI初始化函數：SPI Init（VOID）;發送數據：SPI SendByte（BYTE bData，BYTE *pData）;讀取數據：SPI ReadByte（BYTE *pData）。在設計過程中，SPI是同時進行發送一個數據和接收一個數據的操作。本系統將采用同一個函數來實現SPI的數據的發送和接收來實現，唯一進行區別的是將通過調用時對參數不同的數值。

4.3 CAN總線通信模塊設計

CAN總線通信模塊程序主要分成CAN總線的初始化，發送數據以及接收數據三部分。CAN總線的初始化的核心是針對CAN控制器的初始化，包括了對工作方式、驗收濾波方式以及驗收屏蔽寄存器和波特率參數的設置等。當完成了初始化的工作后，MCP2515才能進行正常的發送和接收數據的工作輔以子程序來進行節點報文的發送。對于數據發送，只要確定發送緩沖器處于沒有被所鎖定的狀態，就可以進行把現場的實時測量的數據發至MCP2515的發送緩沖區，接著再啟動MCP2515進行發送數據的命令，流程如圖3所示。對于數據接收，在確認系統已經處于上電的狀態下，首先讓MCP2515進入已知的狀態，強迫它復位進行配置為定時器、屏蔽器以及濾波器，流程如圖4所示。

4.4 溫濕度采集模塊設計

溫濕度采集模塊的核心是SHT11，其溫濕度采集整體的流程為：1）啟動總線傳輸并進行連接復位，2）測量溫濕度參數并查驗是否有錯誤，如有回到1），否則進行溫濕度參數軟件補償。

MSP430F149單片機的I2C接口與SHT11連接方便。MSP430F149的I2C內部結構主要分為時鐘控制、數據控制和控制邏輯等部分，它們主要負責實現I2C的時鐘產生、數據收發、總線裁斷和中斷等功能。SHT11有四種子程序，分別為啟動時序、讀一個字節、寫一個字節以及通信復位時序。這四種子程序在執行的時候需按照嚴格的時序來操作。

5 結束語

針對傳統倉庫溫濕度監測系統的不足，利用CAN總線技術，結合低功耗單片機MSP430F149和數字型溫濕度傳感器SHT11提出了一種分布式總線倉庫溫濕度監測系統，系統布線靈活，監測節點布局擴展方便，具有低功耗實時監測功能，具有良好的應用價值。

參考文獻：

[1] 盧焱，張鳳登.基于CAN總線的無線溫濕度測量儀[J].軟件導刊，2018，17（2）：86-88，92.

[2] 張晴，劉青正，林智鳴.基于單片機的倉庫溫濕度智能測控系統[J].電子世界，2019（21）：136-137.

[3] 鄭淼淼.基于無線射頻技術的溫濕度測量系統[J].機電工程技術，2012，41（10）：64-66.

[4] 鄭淼淼.基于物聯網的家居安防系統設計[J].科技廣場，2017（5）：115-118.

[5] 鄭淼淼.樓宇無線火災監測報警系統的設計[J].科學技術創新，2017（25）：17-18.

[6] 鄭淼淼.無線傳感器網絡室內空氣質量檢測系統[J].電腦知識與技術，2021，17（26）：45-46，49.

【通聯編輯：謝媛媛】

收稿日期：2021-12-08

作者簡介：鄭淼淼（1984—），女，安徽淮南人，高級工程師，碩士，主要研究方向為電氣工程。