粮仓环境监测系统设计与实现

叶建新　武斌　王安澜

摘要：在粮食仓储过程中，为给粮食提供较好的仓储环境，往往需要对粮仓环境进行实时监测。因此设计采用STM32单片机为核心控制单元的实时监测系统，通过传感器采集环境数据并实时显示，定时通过无线模块将数据传输至服务器平台。系统能实现粮仓内温湿度、氧气浓度和二氧化碳浓度的实时采集。

关键词：STM32;粮仓环境监测;传感器;无线传输

中图分类号：TP368.1 文献标识码：A 文章编号：1006-8228（2020）08-42-03

0 引言

粮食是国民之所必须，粮食的质量和储量都是社会稳定的保障，因此做好粮食的生产和储备工作具有重大的意义。影响储备粮质量的主要环境因素有温度、湿度、氧气浓度和二氧化碳浓度等[1]。因此，快速准确的检测这些参数并及时做出处理对减少每年的储粮损失具有十分重要的意义。

针对粮仓环境，很多学者做了相关的研究，例如，Hemanth Kumar G[2]等人设计了一种基于ARM9和Zigbee的无线传感网络用于监测粮仓环境;孙瑶瑶[3]等设计的基于51单片机的粮仓环境检测系统;高宁[4]等设计的基于智能小车的粮仓环境监测系统。这些监测系统的监测量都比较单一，因此针对监测量单一的问题，本文设计了—套基于STM32单片机的粮仓环境监测系统，本系统能够实时采集粮仓中的温度、湿度、氧气浓度和二氧化碳浓度，间隔时间将数据传输至云服务器平台。

1 粮仓环境监测系统硬件设计

本系统采用STM32单片机作为主控单元[6-7]，各个模块通过相应的接口与STM32相连，实现数据的传输，系统的总体结构框图如图l所示。

1.1 环境监测传感器选型

1.1.1 温湿度传感器

温湿度传感器采用的是瑞士Sensirion公司设计生产的新一代数字温湿度传感器SHT20，SHT20内配全新设计的CMOSens芯片、一个经过改进的电容式湿度传感元件和一个温度传感元件，可靠性水平相较于前一代产品得到了很大的提升。该传感器具有低功耗、高精度、稳定性强等特点。通过传感器采集到的温湿度值以数字量进行输出，其中温度转换通过式（1）完成，相对湿度通过式（2）进行转换。

SHT20的使用比较简单，在VDD和VSS间连接一个104电容用于去耦合，SDA和SCL连接一个电阻作为上拉电阻。传感器单元采集到数据后输出模拟信号，通过SHT20内置的AD转换器进行AD转换后输出数字信号，之后通过nc串口传输到主控模块。

1.1.2氧气浓度传感器

氧气浓度采用ZE03-02电化学氧气模组进行检测，它采用三电极电化学气体传感器和高性能微处理器，其内搭载氧气传感器进行氧气浓度的测量。内置有温度传感器，可以实现温度补偿，能都精确的测量环境中的氧气浓度。测量结果输出有数字和模拟两种形式的信号，可以根据需要进行选择，更加方便使用者进行调试。模组具有高分辨率、高灵敏度和低功耗等特点，具有较好稳定性和较高的抗干扰能力。在本系统中采用UART串口与主控单元进行连接与通讯。

1.1.3二氧化碳浓度传感器

二氧化碳浓度采用的是MH-219B二氧化碳气体传感器进行采集，MH-219B是一种小型的利用非色散红外（NDIR）原理对空气中存在的C02进行探测，具有很好的选择性和无氧气依赖性、高灵敏度、低功耗和寿命长等特点。内置有温度自补偿，其输出有串口输出、模拟输出和PWM输出三种方式。在本系统中通过UART串口的与主控单元进行信息交互。

1.2 无线传输模块电路设计

无线传输采用合宙Air202芯片设计[8]，Air202是一款功耗低、稳定性高的集成GPRS无线芯片，采用虚拟卡版本的Air202芯片，可实现无SIM卡网络通信，通过稳压电路给Air202芯片供电，将芯片的程序下载接口外接以方便下载程序，通过USART与主控单元相连。

1.3 主控模块电路设计

主控模块采用的是STM32Fl03单片机为核心的最小系统，STM32Fl03是一款低功耗高性能Cortex-M3内核的32位处理器，集成浮点运算和数字信号处理指令，内存上自带64KB SRAM、512KB FLASH，STM32Fl03可以通过电路将I/O口引出，引出的1/0口可以连接一些外设模块，比如WIFI、蓝牙、GPRS等，通过控制LCD可以实现各种类型图片的显示和处理，支持SWD和JTAG调试，方便在编程时进行在线调试，其运行主频高达72MHz，可以高速的进行数据处理，并保证系统运行的流畅性[9]。

基于STM32Fl03的主控电路最小系统的设计包括JTAG电路、复位电路、外部晶振电路、稳压供电电路、电源指示电路等小的模块，最小系统的电路如图2所示。

2 系统软件设计

系统的软件采用Keil平台C语言设计[10]，其程序流程图如图3所示，主要实现对各传感器的采集值的处理和显示。

在接收采集值之前要进行各个串口的初始化，其中UART/USART串口需要配置波特率、停止位、奇偶校验等。IIC总线有一条时钟线SCL和数据线SDA，传输是需要根据相应的时序配置起始信号和结束信号，以此来完成采集值的接收，每次接收单位为一个字节，每次接收都产生一个应答信号，在所有数据传输完成后，SDA会保持为高电平，此时则会产生一个结束信号，结束传输。

初始化完成后进行数据的接收和处理，并将数据通过USART串口发送给Air202无线传输模块，Air202通过lua脚本语言编有程序，只要串口接收到数据就会将数据发送到服务器平台上。

3 系统调试与结果

调试采用分模块调试的方法，对各个模块分别进行性能测试，测试方法如下。

（1）温湿度模块调试：在调试温湿度模块时，采用現成的温湿度计作为对比，在不同环境下测试。通过对比相同环境下本系统的温湿度采集值和成品温湿度传感器的测量值，来得出本系统温湿度测量是否正常且精确。测试结果如表l所示。

（2）氧气浓度传感器调试：调试氧气浓度传感器时，同样采用与成品氧浓度传感器进行对比的方式。在相同位置，传感器传回值会在LCD上显示，然后和成品氧浓度传感器对比以得出本系统的氧气浓度传感器是否正常运行。测试场地选在室外多树的地方分时段多次测试。测试结果如表2所示。

（3）二氧化碳传感器调试：与前面的调试方法相同，在相同条件下将本系统的二氧化碳浓度值与成品测量的二氧化碳浓度值进行对比以确定本系统的二氧化碳传感器是否正常。测试环境与氧气浓度测试环境相同。测试结果如表3所示。

（4） Air202无线传输模块调试：Air202程序下载后，通过STM32发送测试数据到Air202，查看服务器平台是否接收到数据。测试结果如表4所示。

4 结束语

本文设计并完成了基于STM32的粮仓环境实时监测系统的搭建。由于人口总量巨大，为了维持社会稳定，粮食的储备极为重要，因此，粮食的仓储技术应用非常广泛。本文设计的粮仓环境实时监测系统能够帮助农业工作者更好的监测粮仓内温湿度、氧气浓度和二氧化碳浓度的变化，保证储粮在最适宜的环境下存储，减少因环境问题而产生的重大损失与浪费。该系统使用方便，能够实现长期的环境量监控和数据保存，不仅可以满足科学研究的需求，也能够满足农业工作者对于粮食贮存时间的需求。农业工作者可以随时查看当前数据，也可以调取之前的环境数据进行抽检，可全程监测粮仓的环境是否在正常范围内，保证了粮食贮存的质量。

进一步的研究可以围绕环境因素的调节装置展开，本文设计的监测系统仅实现环境的监测，还没有达到环境可控。后续可加入调节装置，配合监测系统进行粮仓环境调节，这样既可起到环境监测的作用，又可起到环境调节的作用，使系统更加完善。

参考文献（References）：

[1]范向东.粮食储存注意事项研究探索[J].中国农业信息， 2014.2014（11）：112

[2]王丽芬.禽舍环境监测系统的设计[J]湖北农业科学，2013.52（6）：1432-1434

[3]Hemanth Kumar G，Manjunathlakkannavar. The Design ofGranaW Environmental Monitoring and Control SystemBased On ARM9 and ZIGBEE[Jl.International Journalof Innovative Technology and Exploring Engineering，2012.1（3）：25-29

[4]孙瑶瑶，张长利.基于单片机的数字化粮仓测控系统的研究[J].东北农业大学学报，2008.39（9）：112-116

[5]高宁，彭力，陈凯健.粮仓环境检测智能巡检小车研制[J].现代电子技术，2010.33（1）：153-155，159

[6]刘宁，陈冬琼，杨克磊.基于STM32最小系统串口通信显示系统设计[J].工业控制计算机，2017.30（8）：33-34，36

[7]方少雷，李鹏，苏跃龙.STM32系列单片机多串口通讯系统簡述[J].山西电子技术，2016.3：55-57

[8]任肖丽，陈佳喜，王骥.基于GPRS技术在线环境监测系统的研究[J].现代电子技术，2015.38（4）：60-62，65

[9]杨光祥，梁华，朱军.STM32单片机原理与工程实践[M].武汉理工大学出版社，2013.

[10]谭浩强.c程序设计（第五版）[M].清华大学出版社，2017.

★基金项目：国家重点研发计划（2018YFD0401403）：浙江省重点研发项目（2018C02050）;杭州市农业与社会发展科研主动设计项目（20190IOIA07）

作者简介：叶建新（1996-），男，浙江丽水人，硕士研究生，主要研究方向：农林业智能设备与信息系统。

通讯作者：武斌（1982-），男，安徽池州人，硕士研究生，主要研究方向：图像识别及人工语言处理。