儲(chǔ)糧質(zhì)量安全檢測(cè)系統(tǒng)

儲(chǔ)糧質(zhì)量安全檢測(cè)系統(tǒng)摘要：本文設(shè)計(jì)一套用于儲(chǔ)量質(zhì)量監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，使用MSP430軍片機(jī)采集糧堆多點(diǎn)溫濕度，用STM32F103對(duì)相關(guān)泵閥進(jìn)行控制，收集二氧化碳、磷化氫、氧氣等氣體，并采集氣體的含量數(shù)據(jù)。送入基于安卓系統(tǒng)的工業(yè)電腦觸摸屏。上位機(jī)人機(jī)交互節(jié)點(diǎn)顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并通過(guò)相關(guān)的數(shù)學(xué)模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到儲(chǔ)量的安全等級(jí)和災(zāi)害種類。關(guān)鍵詞：糧倉(cāng);二氧化碳;無(wú)線;溫濕度;STM32□Abstract：Thispaperdesignsasystemforstockqualitymonitoring，usesMSP430single-chipmicrocomputertocollectmulti-pointtemperatureandhumidityofgrainpile，usesSTM32F103tocontrolrelatedpumpvalves，collectscarbondioxide，phosphine，oxygenandothergases，andcollectsgascontentdata.DeliveredintoanindustrialcomputertouchscreenbasedonAndroid.Thehuman-computerinteractionnodeoftheuppercomputerdisplaysthemonitoringdata，andanalyzesthedatathroughtherelevantmathematicalmodeltoobtainthesecuritylevelandthedisastertypeofthereserves.Keywords：granary;carbondioxide;wireless;temperatureandhumidity;STM32緒論糧食安全是關(guān)系經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)穩(wěn)定和國(guó)家安全的全局性、戰(zhàn)略性問(wèn)題。糧食的收購(gòu)與儲(chǔ)藏是糧食流通過(guò)程中十分重要的環(huán)節(jié)，但就目前來(lái)看，世界范圍內(nèi)從糧食生產(chǎn)到最終消費(fèi)期間存在著不容忽視的極大的損失和浪費(fèi)。在我國(guó)由于全國(guó)大部分地區(qū)農(nóng)戶儲(chǔ)糧裝具簡(jiǎn)陋，保管技術(shù)水平低，受鼠害、蟲害和霉變等因素的影響造成糧食大量損失，主產(chǎn)區(qū)農(nóng)戶儲(chǔ)糧損失情況尤為突出。據(jù)國(guó)家糧食局抽樣調(diào)查，全國(guó)農(nóng)戶儲(chǔ)糧損失率平均為8%左右，每年損失糧食約400億斤。因此需要一種可以有效對(duì)糧倉(cāng)儲(chǔ)存環(huán)境進(jìn)行數(shù)字化監(jiān)測(cè)管理的設(shè)備。隨著科技的不斷發(fā)展，國(guó)家投資興建了許多大型現(xiàn)代化糧倉(cāng)。目前新建的國(guó)儲(chǔ)庫(kù)基本上使用的都是大型集中式巡檢儀器，該儀器雖然可以實(shí)現(xiàn)糧溫檢測(cè)和通風(fēng)制冷功能，可以連續(xù)監(jiān)測(cè)糧情的變化，然而其對(duì)于糧倉(cāng)規(guī)模要求較高、工程浩大、費(fèi)用高，且測(cè)溫設(shè)備和布線系統(tǒng)一旦完成就難以變更，系統(tǒng)靈活性差。糧倉(cāng)的位置并非長(zhǎng)期固定，會(huì)經(jīng)常倒倉(cāng)和翻包，傳統(tǒng)以布線為主的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)已不能很好地滿足要求。針對(duì)目前糧倉(cāng)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)存在的不足，需要研制中小型糧倉(cāng)糧情的溫濕度及氣體濃度的無(wú)線采集與控制的設(shè)備。通過(guò)調(diào)研，目前國(guó)內(nèi)已有數(shù)十家企業(yè)生產(chǎn)儲(chǔ)糧質(zhì)量安全檢測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)品，種類繁多結(jié)構(gòu)各異，但其基本功能大致可實(shí)現(xiàn)的有糧倉(cāng)內(nèi)溫濕度檢測(cè)、通風(fēng)機(jī)和干燥機(jī)的控制等，系統(tǒng)功能重點(diǎn)放在了儲(chǔ)糧內(nèi)部溫濕度的檢測(cè)分析上。而由于技術(shù)和資金等問(wèn)題，很多糧庫(kù)仍采用原始的存儲(chǔ)方式，多數(shù)的溫濕度檢測(cè)需要人工進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。但是當(dāng)溫濕度超標(biāo)時(shí)，若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情及時(shí)處理將會(huì)造成糧食的大量損失。隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化以及科技強(qiáng)國(guó)的推進(jìn)，國(guó)家糧食產(chǎn)量不斷突破歷史新高。在這樣一種大形勢(shì)下，各產(chǎn)糧地興建起了各種規(guī)模，各式各樣的儲(chǔ)糧糧倉(cāng)，而各糧倉(cāng)對(duì)于科學(xué)可靠便捷的儲(chǔ)糧質(zhì)量安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需求也日益提升。鑒于糧食儲(chǔ)存的復(fù)雜性和特殊性，本文提出一種新型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在可以實(shí)現(xiàn)溫濕度檢測(cè)功能的前提下特地加入了二氧化碳、氧氣、磷化氫氣體濃度的測(cè)定功能，以便可以全方位，系統(tǒng)性，更準(zhǔn)確的把握糧倉(cāng)內(nèi)糧食儲(chǔ)存的情況，有力地保障糧倉(cāng)安全。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案本文設(shè)計(jì)的儲(chǔ)糧質(zhì)量安全檢測(cè)系統(tǒng)是一款集監(jiān)測(cè)與控制于一身的設(shè)備，使用STM32單片機(jī)作為控制系統(tǒng)，系統(tǒng)配置了風(fēng)機(jī)泵及相關(guān)氣體傳感器和溫、濕度傳感器，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)糧倉(cāng)中的溫度、濕度指標(biāo)的功能，并能夠測(cè)量糧倉(cāng)內(nèi)二氧化碳、氧氣、磷化氫含量，同時(shí)通過(guò)繼電器控制氣閥的通斷。最后將結(jié)果顯示在顯示屏上面，并通過(guò)觸摸屏幕完成人機(jī)交互。糧倉(cāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由終端節(jié)點(diǎn)和ARM主控器組成。整個(gè)系統(tǒng)的工作流程為：終端節(jié)點(diǎn)采集糧倉(cāng)內(nèi)的溫濕度參數(shù)，并將得到的數(shù)據(jù)傳送到ARM主控器。ARM主控器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、匯總和存儲(chǔ)備份，管理員可設(shè)定每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的報(bào)警范圍，傳感器采樣頻率等參數(shù)。儲(chǔ)糧質(zhì)量安全檢測(cè)系統(tǒng)主要由嵌入式主控單元、串口顯示觸摸屏、氣體采集模塊、溫濕度采集模塊、氣體控制單元、泵控制單元等幾部分組成。儲(chǔ)糧質(zhì)量安全檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。系統(tǒng)通過(guò)串口顯示觸摸屏與STM32F103ZE單片機(jī)進(jìn)行信息交互，電源系統(tǒng)添加電源，對(duì)其進(jìn)行供電。氣體采集模塊對(duì)糧倉(cāng)內(nèi)的氣體進(jìn)行抽樣檢驗(yàn)，并進(jìn)行氣體檢測(cè)，分別檢測(cè)各種類的氣體濃度，溫、濕度傳感器也會(huì)對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，并將檢測(cè)結(jié)果傳遞給單片機(jī)。而主控單元也會(huì)通過(guò)檢測(cè)結(jié)果，對(duì)風(fēng)機(jī)泵和繼電器進(jìn)行控制。各功能模塊的設(shè)計(jì)主控模塊在儲(chǔ)糧質(zhì)量安全檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)占據(jù)主要地位。本項(xiàng)目選擇廣泛用于工業(yè)控制的STM公司的單片機(jī)STM32F103ZE，是一款高性能、低成本、低功耗的單片機(jī)。那么，基于STM32F103ZE的主板是系統(tǒng)主要控制單元，把二氧化碳采集單元和泵驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)在主控板上。主控板拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示?！跸到y(tǒng)主控板上設(shè)計(jì)放有六個(gè)單刀雙擲、六腳超小型電磁繼電器HK23F-DC5V，用作整個(gè)體統(tǒng)的控制單元，控制系統(tǒng)各部分外接設(shè)備的工作與否。終端無(wú)線采集模塊該模塊主要由單片機(jī)MSP430G2553、溫濕度傳感器、無(wú)線傳輸模塊Si4463等組成。利用溫濕度傳感器檢測(cè)糧倉(cāng)內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫濕度，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后溫濕度數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳送到主控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。溫度傳感器采用瑞士Sensirion公司的溫濕度傳感器SHT11。該芯片包括溫度和濕度敏感元件、信號(hào)放大處理、A/D轉(zhuǎn)換和I2C總線接口。SHT11傳感器電源的工作電壓為2.4-5.5V，采用兩線串行接口。溫度的測(cè)量范圍是-40-125度，濕度的測(cè)量范圍是0%-100%口仇溫度測(cè)量最大誤差0.4度。將SHT11的兩線數(shù)字接口輸出至單片機(jī)MSP430G2553。能夠同時(shí)采集溫度和濕度數(shù)據(jù)，大大節(jié)約反應(yīng)時(shí)間?？紤]到使用環(huán)境的特殊性，糧倉(cāng)內(nèi)壁可能會(huì)比一般建筑物要厚，需要選擇一款穿透性比較好，傳輸距離較遠(yuǎn)的無(wú)線模塊。選用美國(guó)芯科實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)的Si4463芯片，SI4463無(wú)線模塊有較高的輸出功率，保證了大范圍和高鏈路性能，芯片中心頻率是433MHz，供電電壓1.8-3.6V，發(fā)射功率20dBm，最大發(fā)射電流92.94mA，接受電流13.915mA。數(shù)據(jù)傳輸采用SPI模式。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了極低的活動(dòng)和休眠電流消耗。其內(nèi)置天線的多樣性和對(duì)跳頻支持可以用于進(jìn)一步擴(kuò)大范圍，提高性能，十分適合本系統(tǒng)使用，也有利于后期開發(fā)。圖3為無(wú)線傳輸模塊514463、溫濕度采集模塊與單片機(jī)電路板連接接口電路圖?！醵趸紳舛炔杉K為了能夠更精準(zhǔn)的掌控糧倉(cāng)內(nèi)部的環(huán)境，除了實(shí)現(xiàn)最基礎(chǔ)的溫、濕度監(jiān)測(cè)的功能，還接入了氧氣、二氧化碳、磷化氫氣體濃度傳感器。二氧化碳傳感器采用T6615-50KF，NDIR紅外CO2傳感器，雙通道吸入流通式。供電電壓為5V，測(cè)量范圍0-50，000ppm。輸出信號(hào)為UART波特?cái)?shù)字方式或者0?4V模擬量輸出，本系統(tǒng)選擇了抗干擾性比較強(qiáng)的UART通信方式，模塊的RXD和TXD分別與系統(tǒng)使用電化學(xué)氣體傳感器中的原電池型氣體傳感器進(jìn)行檢測(cè)。其基本原理是，利用氧氣的電化學(xué)活性進(jìn)行氧化還原反應(yīng)的程度來(lái)檢測(cè)氧氣的氣體濃度。使用紅外氣體傳感器來(lái)檢測(cè)二氧化碳的濃度，因?yàn)榧t外氣體傳感器具有出色的選擇性，可以通過(guò)設(shè)置實(shí)現(xiàn)，只檢測(cè)固定波長(zhǎng)的氣體，而且使用紅外氣體傳感器的信噪比也很高，抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好，響應(yīng)速度快。二氧化氮模塊模塊的RXD和TXD分別與STM32F103ZET6單片機(jī)的串口4的111腳、112腳連接，接口電路如圖4。氣體控制模塊設(shè)計(jì)氣體控制主要是通過(guò)16個(gè)電磁閥來(lái)控制，那一路電磁閥導(dǎo)通，主路氣體就通向那一路。電磁閥的驅(qū)動(dòng)是通過(guò)單獨(dú)設(shè)計(jì)了16路繼電器電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，控制各路糧倉(cāng)氣閥的連接與斷開，以便分別對(duì)于各路糧倉(cāng)進(jìn)行有針對(duì)性的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)更有效的控制。繼電器控制板上選用的繼電器型號(hào)是SRD-12VDC，具有10A觸點(diǎn)切換功能，且具有一組常開，一組轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)形式。圖5為氣體控制模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。開關(guān)電源輸出的12V和5V電源接入驅(qū)動(dòng)電路板，5V電源經(jīng)過(guò)AMS1117穩(wěn)壓模塊的降壓為3.3V給STM8L151單片機(jī)供電。12V電源為繼電器供電。通道轉(zhuǎn)換電磁閥為1路主通道和16路分支通道構(gòu)成，若某路通道電磁閥通電則打開此氣體通道，采集此路的二氧化碳或者氧氣的含量。電源模塊本設(shè)計(jì)外接220V/50Hz電網(wǎng)交流電壓，通過(guò)開關(guān)電源連入系統(tǒng)，給主板和其他模塊提供12V和5V直流電壓。主控板單片機(jī)正常工作所需要的電源通過(guò)LM1117降壓模塊搭建。□本系統(tǒng)中使用了一個(gè)3.3V的固定電壓輸出模塊以及兩個(gè)可變電壓輸出模塊。圖6為主控板電源模塊原理圖。風(fēng)機(jī)泵模塊設(shè)計(jì)在整個(gè)系統(tǒng)中微型風(fēng)機(jī)泵的驅(qū)動(dòng)有主控板直接控制。單片機(jī)上在程序中實(shí)現(xiàn)控制，因其對(duì)工作電壓電流要求不是很高，無(wú)需大功率驅(qū)動(dòng)，所以也就通過(guò)主控STM32加三極管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)將微型風(fēng)機(jī)泵與主控板等封裝在機(jī)箱內(nèi)。注意風(fēng)機(jī)泵在啟動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大電流，注意電磁干擾。我們選用的泵為FKY8006,啟動(dòng)電流大約5.5A左右，且持續(xù)時(shí)間小于30ms，在系統(tǒng)電路板的承受范圍之內(nèi)。風(fēng)機(jī)泵驅(qū)動(dòng)電路如圖7所示。□氧氣及磷化氫采集模塊設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)在系統(tǒng)氣體檢測(cè)模塊上分別使用三個(gè)不同種類的氣體傳感器，分別對(duì)其濃度進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)儀器內(nèi)設(shè)采樣泵和外部連接管道，將檢測(cè)點(diǎn)的氣體樣本采集，輸送到儀器內(nèi)部進(jìn)行集中測(cè)定。連入單片機(jī)，在單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換，接線非常簡(jiǎn)單，單片機(jī)只需要捕捉到此模擬信號(hào)，然后在CPU里進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再根據(jù)單片機(jī)的數(shù)據(jù)位數(shù)和基準(zhǔn)電壓值，就可以換算出得到氣體濃度的實(shí)際含量。其氧氣采集的檢測(cè)模塊電路圖如下圖8所示，由高精度運(yùn)放LT6003對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，用恒壓源TL431輸出1.6V基準(zhǔn)源為運(yùn)放供電。放大的信號(hào)通過(guò)STM32F103的27腳進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。磷化氫數(shù)據(jù)的采集采用標(biāo)準(zhǔn)4-20mA模擬量輸出的三線制傳感器。其模塊與主電路接口如下圖9所示。檢測(cè)流程的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中單片機(jī)用的是STM32F103ZE，適用的編譯器為Keil5,在硬件仿真時(shí)使用JTAG。主要系統(tǒng)流程如圖10所示?！醣鞠到y(tǒng)的下位機(jī)部分主要包括一系列在線檢測(cè)儀器，檢測(cè)項(xiàng)目包括溫度、濕度、CO2和磷化氫。CO2和磷化氫檢測(cè)是通過(guò)儀器內(nèi)設(shè)采樣泵和外部連接管道，將檢測(cè)點(diǎn)的氣體樣本采集，輸送到儀器內(nèi)部進(jìn)行集中測(cè)定。溫濕度是在各采樣頭，預(yù)設(shè)溫濕度傳感器，通過(guò)無(wú)線傳輸方式檢測(cè)?！跸挛粰C(jī)儀器的自行檢測(cè)功能有兩種，其一是可以通過(guò)定期檢測(cè)，如10d?30d,可自由設(shè)定。其二是實(shí)時(shí)監(jiān)控，一般1h或24h,可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)定。其檢測(cè)順序?yàn)椋簡(jiǎn)?dòng)檢測(cè)程序一檢測(cè)各點(diǎn)溫濕度值一打開采樣泵一進(jìn)行各檢測(cè)點(diǎn)CO2、氧氣和磷化氫氣體檢測(cè)。□在信息通訊和人機(jī)交互方面，下位機(jī)設(shè)有與上位機(jī)的有線和無(wú)線連接接口，可與控制中心進(jìn)行信息傳輸。其基本操作可通過(guò)按鍵和觸摸屏來(lái)實(shí)現(xiàn)。用戶對(duì)屏幕的一些基本操作也可以通過(guò)一些代碼的設(shè)定，發(fā)送給單片機(jī)，從而完成雙機(jī)對(duì)話，有利于后期工人使用及檢修。系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置參照點(diǎn)一般為儀器檢測(cè)點(diǎn)零號(hào)。參照點(diǎn)的溫度值是進(jìn)行計(jì)算的重要的依據(jù)，系統(tǒng)以參照點(diǎn)的二氧化碳和磷化氫檢測(cè)值的大小作為糧倉(cāng)能否安全進(jìn)入依據(jù)，當(dāng)二氧化碳或磷化氫達(dá)到某值以上，儀器外接的警示燈由綠變紅，表示不安全。在系統(tǒng)源代碼中可存一個(gè)預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)設(shè)定及修改窗口，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況的需要，可進(jìn)行SSI（安全指數(shù)）、MMI（遷移指數(shù)）、臨界點(diǎn)（CP）、潛在點(diǎn)（PP）和磷化氫PH3點(diǎn)的設(shè)定和更改。設(shè)定內(nèi)容如下：SSI值設(shè)定（判定依據(jù)：CO2檢測(cè)結(jié)果）：□W800ppm1級(jí)□801?3010ppm2級(jí)□30n?5010ppm3級(jí)□250nppm4級(jí)□潛在問(wèn)題點(diǎn)（CP）：22000ppm□MMI值^定（判定依據(jù)：環(huán)境溫度與檢測(cè)點(diǎn)溫度差值的絕對(duì)值）：□W5.0℃1級(jí)□5.1?8.0℃2級(jí)□8.1?12.0℃3級(jí)□212.1℃4級(jí)潛在潛在點(diǎn)（PP）：28.0℃□5結(jié)語(yǔ)系統(tǒng)能對(duì)糧倉(cāng)內(nèi)溫濕度及各種氣體含量進(jìn)行檢測(cè)，并將其顯示在觸摸屏上。而通過(guò)觸摸屏的控制，可以對(duì)初始值的設(shè)定與修改，可以分別控制各路風(fēng)機(jī)泵，可以對(duì)目標(biāo)糧倉(cāng)內(nèi)氣體抽取通過(guò)氣體傳感器進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)的結(jié)果也可以存貯在系統(tǒng)配置的SD卡內(nèi)，以便后期隨時(shí)進(jìn)行提取與調(diào)查。系統(tǒng)新增加了對(duì)空氣中三種氣體含量的檢測(cè)，彌補(bǔ)了市場(chǎng)上檢測(cè)裝置的不足，投入使用可提高糧倉(cāng)的安全性。另外溫度和濕度數(shù)據(jù)則通過(guò)433M系列無(wú)線模塊傳輸數(shù)據(jù)，不需要人工進(jìn)入糧倉(cāng)進(jìn)行測(cè)量，很大程度上節(jié)省了人力。此外，系統(tǒng)還具有穩(wěn)定性好、易于維修和高效的