基于ARM和组态技术的粮食存储环境远程监控系统设计*

赵 方 ， 朱海云

（郑州职业技术学院，河南 郑州 450121)

0 引言

粮食是国家的战略物资之一，粮食安全问题是关系国计民生的重要问题，其中粮食的可靠存储是粮食安全中的重点任务之一。当前在粮食存储过程中，国内外都存在严重的浪费现象，据统计，粮食的损耗达到10%以上[1]。其中，存储过程中的损耗占主要部分，粮食在存储过程中对存储环境的温度、湿度的控制是减少粮食存储损耗的关键。如果粮食存储环境的温度、湿度控制不当，会出现粮食霉变、虫害、发热等情况，直接导致粮食质量下降。为了保证粮食的存储质量，必须保证其存储环境的温度、湿度保持在合适的范围内。当前粮库的温湿度控制一般采用人工巡检的方式，不但耗费人力、增加粮食存储的成本，还存在控制不够及时的缺陷；另外，温湿度的检测通常采用模拟式传感器，存在精度低、易损坏、传输误差大等不足；控制器一般采用成本较高的PLC[2]。当前粮库环境一般不能实现远程集中监控，能实现远程集中监控的也大都采用有线传输的方式传输数据，如CAN总线传输、RS485传输，不但布线繁杂，而且线路过长会引起电磁场干扰，从而导致传输数据的错误。

课题组以某地一小型粮仓为研究对象，克服当前技术的不足，提出一种以ARM Cortex-M3控制器STM32F103VET6为核心，采用GSM无线通信技术进行数据传输，结合KingView 6.55组态技术的粮仓温度、湿度自动控制及实时远程监控系统。

1 控制系统构成

本设计由集中监控中心、管理员手机、粮仓温湿度控制系统组成。采用ARM Cortex-M3 32位微处理器STM32F103VET6为核心控制器，采用数字温湿度传感器DHT11实时采集粮仓内环境温湿度，并将检测信息传输给STM32F103VET6，STM32F103VET6根据实际值和设定值的关系进行决策（以自然通风为例），自动调整环境的温湿度，使其保持在在设定的范围内，设计了温度设定以及超限、故障报警、温度显示等功能。还设计了远程监控功能，通过GSM无线网络将现场的环境参数、故障等信息实时上传至远端监控中心，同时将报警信息发送到管理员手机，从而实现双重保险。系统整体结构框图如图1所示。

图1 系统整体结构图

2 控制系统硬件设计

2.1 主控制器的选择

当前市面上粮食存储环境自动控制系统大都采用价格昂贵的PLC作为主控制器，本设计采用了32位的RISC STM32F103VET6单片机，它是ARM Cortex-M3系列中的主流处理芯片，价格与8位机和16位机相当，具有工业级的抗干扰能力。STM32F103VET6有100个引脚，512 K Flash，64 K SRAM，80个GPIO口，2个PWM定时器，4个通用定时器，2个高级定时器，2个基本定时器，3个SPI，2个I2C，2个I2S接口，5个USART，1个USB接口，1个CAN通信接口，1个SDIO接口。3路12位ADC，共16个通道；2路12位的DAC，共2个通道。可运行于72 MHz的频率下，工作速度快。工作电压是直流2.0 V～3.6 V，功耗低，可在－40 ℃～＋105 ℃的温度范围内工作。

STM32F103VET6单片机要想正常工作，必须接上复位电路、振荡电路、启动电路等核心部分构成其最小系统。其中，STM32F103VET6的时钟电路由两个外部时钟源组成，一个低速时钟源接到PC14和PC15引脚，接32.768 kHz的晶振；一个是高速时钟源，接到OSCIN和OSCOUT引脚，接8 MHz的晶振。STM32F103VET6用低电平复位，复位电路设计一个开关电路即可。由于STM32F103VET6可以从内置Flash启动，可从系统存储器启动，还可从内置SRAM启动，本系统的启动电路设计为从内置Flash启动。

2.2 温湿度传感器的选择及键盘的设计

传统的粮食存储环境的检测大都采用模拟式热电偶、热电阻等温度传感器，其特点是输出信号微弱，并且需要后期数据处理，电路复杂，且模拟信号不易远传[3-4]。本设计选用了温湿度传感器DHT11实时检测粮食存储环境的温度和湿度。DHT11是一款含有已校准数字信号输出的数字温湿度复合传感器。它包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接，具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比高等优点。其供电电压是3 V～5.5 V，湿度精度为±5%RC，温度精度为±2 ℃，湿度分辨率为1%RH，温度分辨率为1 ℃，湿度测量范围为20%RH～90%RH，温度测量范围为0～50 ℃。DHT11采用单总线通信，有4个引脚：VCC、VDD、DATA、NC。DHT11和STM32F103VET6的连接如图2所示。

在实际中，需要人工根据不同的季节设定粮食存储环境的温度和湿度。因此，课题组根据需要设计了一个3×4的矩阵式键盘，分别表示数字0～9键和设置键、确认键，矩阵式键盘连接到STM32F103VET6 GPIOA口的PA1～PA7口，如图2所示。

图2 温湿度采集和键盘电路

2.3 液晶显示、报警、风机控制、转换开关、时钟电路设计

本设计中LCD液晶显示器用来显示粮食存储环境的温度、湿度、通风机运行情况是否正常等关键信息，设计中选用了带有中文字库的LCD12864作为显示器，LCD12864具有硬件电路结构简单易用、程序设计简单、功耗低等优点[5]。系统时钟采用美国DALLAS公司的DS1302，其特点是功耗低、性能高、价格低、使用简单方便，自带RAM可以对年、月、日、周、时、分、秒计时，主要用来作为整个系统的时钟时基，以便准确记录超限报警等故障时间。由于STM32F103VET6的工作电压是3.3 V，而LCD12864最稳定的工作电压是5 V，因此在LCD和STM32F103VET6进行连接的时候采用电平转换芯片74LVX4245把3.3 V转换为5 V。当粮食存储环境的温湿度或者通风机工作异常时，现场进行声光报警，温湿度报警红灯闪烁、风机故障黄灯闪烁，同时将报警信息通过GSM网络发送至管理员手机和上位机监控系统，以便提醒管理员及时处理[6]。这些功能占据了STM32F103VET6的GPIOB和GPIOC端口。电路原理图如图3所示。

图3 液晶显示、报警、时钟、通风机控制、自动/手动切换电路原理图

2.4 系统电源设计

本系统主控制器STM32F103VET6的工作电源是直流3.3 V[7-8]，LCD液晶显示稳定的工作电压是直流5 V。单相220 V的交流电先经变压器降压，采用的220 V变交流12 V的变压器，变压后经二极管全波整流变为脉动的直流电，然后进行电容滤波，再用7805三端稳压管进行稳压，稳压后再次滤波，最后得到稳定、平滑的5 V直流电压。由于主控制器是3.3 V供电，因此用REG1117-3.3 V电压转换模块将直流5 V转换为直流3.3 V为主控制器STM32F103VET6供电。系统中的电容为滤波电容，容值大的电容用来滤低次谐波，容值小的电容主要用来滤高次谐波。二极管为电源指示灯。系统电源电路原理图及参数如图4所示。

图4 系统电源电路

2.5 GSM通信电路设计

本设计采用中国移动公用GSM无线通信网络作为传输数据的通道，GSM无线通信传输距离不受限制，覆盖面广，只要网络覆盖的地方数据都可以到达。GSM通信模块采用Siemens公司的TC35，通信接口电路设计由两部分组成，一是粮食存储环境温湿度测控装置和TC35的接口电路，二是监控中心PC机和TC35的接口电路设计。

TC35模块支持中文短消息，工作电压是直流3.3 V～5.5 V，典型值是4.2 V，可以在900 MHz和1 800 MHz两个频段工作，可以安全可靠地实现本设计的数据传输服务。TC35支持文本和PDU模式的短消息，主要由供电单元、射频单元、闪存、零阻力插座、天线等部分组成。TC35与STM32F103VET6都是CMOS电平，相互兼容，可通过零阻力插座连接。STM32F103VET6单片机共有5个串口[9-11]，在设计中选择了串口USART1（即PA9和PA10）和TC35通信。STM32F103VET6控制和驱动TC35将现场检测的温湿度、报警等信息，通过与TC35连接的SIM卡1发送至管理员手机SIM卡2和PC机监控中心SIM卡3，并在上位机监控软件中存储、显示。上位机通过RS232串口和TC35模块连接，TC35将接收到的来自现场的信息通过串口传送至上位机监控软件。

TC35模块有40个引脚，通过零阻力插座引出，有电源引脚、SIM卡连接引脚、数据输入/输出引脚、音频和控制接口引脚，共5类。1～5是正电源，并联后接到电源正极。6～10是电源地，并联后接地。16～23是数据输入/输出引脚，符合RS-232接口标准。24～29引脚连接SIM卡。32引脚SYNC接指示灯，指示TC35的工作状态。主控制器、无线通信模块和上位机的接口电路如图5所示。

图5 通信接口电路

3 软件设计

3.1 控制终端软件设计

控制终端环境温湿度自动控制系统主要完成对粮食存储环境的温湿度检测，并和设定值比较，若超限则控制器启动通风机以降温、除湿，从而保证粮食存储环境的温湿度在要求的范围内。其软件主要包括主控程序、温湿度采集程序、键盘子程序、LCD液晶显示子程序、数据处理子程序、数据发送子程序、时钟子程序等。控制终端的主程序流程图如图6所示。

图6 主程序流程图

3.2 电脑监控软件设计

粮食存储环境的温湿度控制系统的温度、湿度数据可以通过GSM网络传给上位机监控软件，PC机上位机监控软件采用组态软件组态王KingView 6.55进行开发。上位机监控软件主要起到监控作用，其数据曲线显示功能清楚易懂，并能方便地通过动画设计把上位机监控界面的显示数据和环境监控点的实际位置联系起来。系统的上位机监控软件主要包括以下功能。

1）监控软件主界面：主界面主要显示现场环境监测点的温湿度数据、风机故障、温湿度超限报警等信息。

2）历史数据查询：完成环境监测点温湿度的历史数据存储、查询。

3）曲线显示：用曲线图直观地显示现场温湿度的变化趋势。

4）参数设定：完成对温湿度监测点温度、湿度上下限值的远程设置。

5）温湿度检测：实时查询现场环境温湿度数据。

6）打印：打印监测点温湿度的历史数据。

7）存储：存储监测点的历史温湿度数据。

8）报警提示：用指示灯的不同颜色以提示用户管理者温湿度异常、风机故障等报警信息，指示灯绿色为工作正常，红色为工作异常。

4 结论

课题组以某粮食经销商的小型粮仓为研究对象，制作了试验样机，设置了一个温湿度采样点，利用本控制系统能够自动调节粮仓内的温湿度在设定的范围内。模拟了几个故障点，上位机和用户手机都收到了故障信息，上位机监控软件能按照设定的时间间隔实时获取现场信息。

本设计利用GSM技术、组态技术和ARM单片机技术实现了粮食存储环境温湿度的自动控制和远程监控，并且基于GSM网络平台传输信息不受时间、空间的限制，可实现远距离监控。用工业级的高性能ARM单片机代替传统的PLC控制，大大降低了成本，提高了粮食存储质量的可靠性，本设计在粮食存储环境控制中具有广泛的应用前景和实际价值。