粮库远程智能监控系统的研究

熊宗接，陈良洲，徐永杰

(1. 中国人民解放军92601 部队，广东 湛江524009;2. 华中科技大学机械学院，湖北 武汉430074)

0 引言

为实现科学存粮，必须对粮仓内外环境温度、湿度、粮食温度、粮食水分、有害气体浓度、储粮害虫等粮情参数进行综合监测，并进行相应的控制。目前粮情采集监测系统多采用有线通信，或近距离的Zigbee 无线传感器网络监测［1］，由于通信距离短，并且与控制系统没有集成在一起，系统智能化程序低，集成性差、监测范围小。因此粮食仓储管理急需一套集成度高、智能化的远程系统来进行科学管理。

1 粮库智能监控系统总体方案

系统组成如图1 所示。由SHT11 数字温湿度传感器和DS18B20 单总线数字温度传感器构成测量主体［2］，前者测量粮仓中的温度和湿度，后者测量粮食中的各层温度。各个传感节点将测量数据发送给单片机检测分机，单片机分机与GPRS DTU 模块通过485 总线相连接，将各个分机的测量数据发送到远程上位机上，并且测量过程可受远程上位机命令控制。这个GPRS DTU 模块根据各分机不同的地址可负责几个分机的分时操作。另一个GPRS DTU 模块可连接多个不同站号的PLC 进行远程控制，上位机可根据单片机测量系统的数据与设置的上、下限数据进行PLC 的自动控制。视频监控可通过网线或无线WIFI 连接至PC 系统，实验中我们通过WIFI 与笔记本电脑通讯。

图1 系统组成框图

2 库房分机设计

设计的库房测温湿度分机具备设备在线查询、分机切换操作、周期自动检测和库房测温传感器的地址表远程烧写功能。每个设备分机通过板上的跳线座可设定0x00 至0x1f 之间的任意唯一地址，上位机就可以通过指令检查该分机是否在线并通过相应的指令操作具体的库房分机，在库房某根电缆中的传感器发生故障时，可通过更换新电缆并重新烧写新的地址表来实现简单的后期维护。分机的数据接口设计为二线制的485 总线接口，可扩展性相当强。实验中分别利用支持485 总线的宏电公司的GPRS 模块和卓岚公司的485 转以太网模块［3］实现远程服务器端的数据双向交互功能，尤其是485 转以太网模块操作实时性强，后期免充值或维护费用。库房控制分机由三菱PLC 组成，通过485 总线与GPRS 模块或485 转以太网模块形成通信链路。系统上电后，可通过远程计算机指令控制单片机系统电源进行粮情检测板的复位，设定检测周期开始检测库房温湿度，手动或根据测量结果自动控制库房各风机、空调设备。

3 上位机设计

上位机程序采用组态王(KingVIEW)软件编写，组态王软件作为一种开放型的通用工业监控软件，融过程控制设计、现场操作以及工厂资源管理于一体，将一个企业内部的各种生产系统和应用以及信息交流汇集在一起，实现最优化管理。本系统采用组态王内嵌的宏电GPRS DTU 驱动，利用虚拟串口，可方便实现与下位机的通信。

上位机监控中心包含以下几个基本模块:用户管理模块，使用正确的用户名和密码才能安全登录进入系统;粮库查询模块，在线粮仓对应的命令按钮高亮显示，点击此按钮可对相应粮仓进行操作;数据接收模块，用于接收下位机测量数据;PLC 控制模块，手动远程控制PLC 各输出的动作，及根据报警模块的设置进行自动控制;报警模块及数据报表模块。其中上位机数据接收流程如图2 所示。如果虚拟串口“接收数据”改变，则在数据改变命令语言中启动“接收数据数目延时”，此延时在秒数据改变命令语言中计数，延时时间到达后，“接收数据数目”加1，之后在应用程序命令语言中，根据“接收数据数目”把接收到的数据赋值给相应的变量。随后检测接收到数据的长度，如果长度正确，则“数据接收完成N”置1，在事件命令语言中，根据不同的“数据接收完成N”完成最后的解析。如图2 所示，虚拟串口在接收到数据以后，需要延时一段时间才能把“接收数据数目”加1，这个延时非常重要。

图2 上位机数据接收流程图

根据控制规程，在上位机监测系统中编写控制策略，并以此来驱动PLC 的内部辅助寄存器，完成对风机、除湿机、空调以及窗户的控制。PLC 选用三菱FX2N 系列，利用GX-Developer 编写PLC 控制程序方便灵活，易于调试。上位机测控系统形成决策后，通过互联网把指令传送至DTU，DTU 再以串口形式发送给PLC，PLC 根据事先编译好的程序做出相应的动作，与此同时上位机读取PLC 的输出状态，并判断指令是否执行成功。关于现场控制模式则是通过PLC 编程口连接工业触控屏，实现现场近距离手动控制。

4 关键难点与创新

4.1 任意多个DS18B20 测温传感器的地址二叉树搜索算法的实现

现有许多库房安装的老一代单一的粮情检测系统都带有大量的测温电缆，如果都废弃不用，既没有经济效益也是一种资源的浪费。但要用起来，当初设计的上位机程序中固化的每个传感器的地址又不得而知，就没办法将这些测温传感器利用起来，所以读出现有测温电缆中的各传感器地址变得相当重要。

根据DS18B20 的技术文档中提到的其地址的自动搜索算法的描述［4］，利用堆栈的出入栈技术将各二叉树的分支保存起来，就可以将任意多个DS18B20 传感器的地址读取出来，并通过单片机的串口打印到电脑显示器上，其中核心程序如下:

#define MAXNUM 4 //定义传感器数量

idata uchar ID ［MAXNUM］［8］ =0;//定义传感器地址变量

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 ();//读两位数据

k=k＆0x03;

s ＞＞=1;

if (k= =0x01)//01 读到的数据为0 写0

{write_ bit (0);

ss ［(m* 8 +n)］ =0;

}

else if (k= =0x02)//读到的数据为1 写1

… …

else if (k= =0x00)//读到的数据00 有冲突位

{

… …

if (location ＞record ［top］)

{write_ bit (0);

ss ［(m* 8 +n)］ =0;

record ［+ +top］ =location;//入栈

}

… …

ID ［num］［m］ =s;

}

num=num+1;

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

4.2 将测量系统和控制系统、视频监视系统集成在一个上位机画面

视频监控硬件方面选用了支持WIFI 和网线双功能的网络摄像头，软件上使用组态软件将粮情检测数据和风机、空调电源控制和视频画面的选择集成在一个上位机操作画面。整个系统是真正意义上的测量和控制系统，不是目前传统的单一测量系统［5］。

4.3 远程无线通迅

通过安装手机SIM 卡的GPRS 模块真正建立远程无线通讯，比通过Zigbee 无线网络组建的无线通讯距离大。另外如果在各库房间实现无线的或有线的局域网联接，安装485 转以太网模块也可实现远程测量和控制，而且无需后续手机充值且建立连接速度快。

5 结束语

根据以上思路设计了一套粮库远程监控系统的实验模型。实验模型效果图如图3 示。

图3 实验模型效果图

模型中有两个平房库和两个立筒库，每个库房侧面安装两个小风扇代表库房的风机，安装两排流水灯代表库房的空调。GPRS 模块通过域名访问的方式联接远程的电脑服务器程序。运行上位机程序可对四个库房模型的粮情数据和风扇，流水灯进行远程监测。现场附近可配置一个工业屏并行控制PLC 的操作。以上基于模型的实验研究预期可在实际工程应用中得到运用和检验。

［1］牛宇卿. 基于无线传感器网络的无线粮情监控系统的设计与实现［D］. 太原:太原理工大学，2011.

［2］徐小玲，李少彪，张福强. 基于ZigBee 的粮仓温湿度监控系统设计［J］ . 广东石油化工学院学报，2011，21(4):48.

［3］上海卓岚信息科技有限公司. ZLAN3100 串口服务器用户手册［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］陈爽，王军，韩树人. 基于无线传感器网络的粮仓环境监测系统设计［J］. 农机化研究，2010 (9):100－103.