粮仓温湿度监测与控制系统的研究

湖北文理学院物理与电子学院　樊国龙　游必辉　王培元



粮仓温湿度监测与控制系统的研究

湖北文理学院物理与电子学院樊国龙游必辉王培元

【摘要】针对现有的粮仓温湿度监测系统存在传输距离短，速率低，组网复杂，节点间依赖性强，缺少自动控制环节等问题，本文设计出了一种以远距离无线模块SX1278为基础的闭环温湿度监测控制系统，其组网简单，传输距离远，穿墙效果好，支持多种低功耗模式，下位机加入PID控制算法对环境温湿度进行闭环控制，接收上位机设置的参数，同时将当前的温湿度值通过SX1278发回上位机，从而实现对粮仓温湿度的有效的监测与控制。

【关键词】SX1278；温湿度传感器；PID控制算法；RS232

0　引言

粮食是人类赖以生存的基本物质，粮食安全问题受到了各国政府的高度重视。温、湿度是影响粮食保存品质的重要环境参数，对粮仓的温、湿度进行监测，并在温、湿度超出正常范围时采取对应的措施有利于防止粮食出现发热、霉变等问题[1][2]。

SX1278是一种用于长距离扩频通信收发器，不仅抗干扰性强，而且功耗低，适用于电池待机的收发电路，MCU只需要通过SX1278的SPI接口进行寄存器的配置和数据的接收发送[3]。利用SX1278技术，结合现代温、湿度传感器模块，构成无线传感器网络终端检测子节点，对现场环境实时检测，从而能实现规模型粮库设施的智能化、现代化管理[4]。

1　系统架构

如图1所示，该系统研究内容包含“温湿度指标与传感器选型”、“SX1278通信网络的建立”、“下位机闭环控制系统的调试”、“上位机.NET平台人机界面编程”几个部分。

图1　系统研究内容拓扑图

如图2所示，该系统通信部分由终端——集中器——监控PC三级结构组成。终端汇集了温湿度传感器、温差发电片、抽湿器以及电控系统，PC机通过上位机软件将设定的参数发送给集中器，由SX1278传输给指定终端设备，终端根据传感器检测的当前值控制温差电片、抽湿器，并将传感器检测的信息传输给集中器。集中器自动收集附近多个节点检测到的信号，再通过RS232总线发送给PC机。

图2　系统组成框图

2　系统软硬件设计

2.1软件设计

该系统软件设计包括上位机和下位机，上位机运行于PC端，完成人机界面交互以及指令转换服务。下位机运行在硬件MCU处理器，主要完成数据采集、显示、上传以及闭环控制任务。集中器用来协调PC机与多个终端的数据通信，负责上传下达数据和指令。

如图3所示为上位机控制界面框架，该框架通过.NET编写程序，其核心部分是通过公用控件MSCOMM[5]和集中器交换数据，集中器和PC机通过RS232总线相连，一个集中器对应一个选项卡，PC机通过该软件对列表框所指定的设备进行依次排队访问。

通过该控制平台，用户可以方便的实现终端设备的添加、删除以及参数修改，也可以对集中器进行添加和删除操作，并且能直观地浏览到每个节点当前的温湿度值随时间的曲线图，用户使用时只需要配置设备地址，设置目标温湿度即可。

图4所示为下位机程序流程图，其中包括集中器和终端的程序流程。

集中器在初始化完毕之后，同时完成两项任务，一项是和终端之间进行数据交互，将设定缓存区的参数发给终端，将终端采集到的温湿度值放入采集缓存区；另一项是和PC机之间的数据交互，当PC机访问到该集中器之后，接收PC机发来的设定值放入设定缓存区，同时将采集缓存区的值发给PC机。终端在初始化完毕之后，根据集中器发来的参数，完成对温湿度的闭环控制任务，同时不断地采集当前温湿度并发送给集中器，并将该节点温湿度的当前值和设定值显示在屏幕上。

图3　上位机控制界面框架

图4　下位机程序流程图

2.2硬件设计

如图5所示，集中器和终端可以共同采用该结构模型，主要包含以下几个部分组成：

电源，SX1278无线模块，触屏显示器，温湿度传感器，通讯/下载。电路板搭载ARM处理器最小系统以及这些外设的相关接口。

SX1278用来连接集中器与终端的数据通信，RS232接口用来连接集中器与PC机之间的数据通信，传感器接口用来连接终端与温湿度传感器的数据通信，触屏显示屏用来显示当前节点数据以及设定该终端地址。

图5　扫描设备原理图

3　结束语

本设计方案采用SX1278无线组网，实现对大范围节点温湿度实时监测和控制。功耗低、组网简单、为粮仓环境的监测与控制提供了一种高效、节能的解决方案。这种组网监控架构不仅局限于对温湿度的监控，通过改变传感器，可以有效实现对各种参数的监测与控制，在物联网各个领域均可发挥出其作用。

参考文献

[1]吴卓葵.基于GSM的粮仓温湿度远程监测装置设计[J].电子测量技术,2014.

[2]刘朝纯.基于FPGA的粮仓温湿度模糊监控系统[D].东北农业大学,2008.

[3]王瑞.基于 SX1278 的水表端无线抄表控制器[J].电子质量,2015.

[4]王培元,高潮.基于Zigbee的粮仓温湿度实时监测系统设计[J].物流技术,2015(20):49-152.

[5]章辉,叶建芳,叶建威.基于MSComm控件串口通信的实现[J].电子测量技术,2011(8):126-129.

樊国龙（1994—），男，湖北襄阳人，研究方向：电气自动化，嵌入式系统，物联网。

王培元（1974—），男，湖北文理学院讲师，研究方向：信号处理及FPGA应用。

游必辉（1992—），男，湖北黄冈人，研究方向：嵌入式系统，电源。

通讯作者：

作者简介：

基金项目：湖北省省级大学生创新创业训练计划项目（编号：201510519016）。