糧倉溫濕度在線除濕
本系統(tǒng)主要針對多點環(huán)境和設(shè)備內(nèi)溫度、濕度的集中監(jiān)控和管理，是一套可無人值所24小時不間斷實時監(jiān)控記錄的自動化監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)能對大面積的多點的溫濕度進行監(jiān)測記錄，并將溫濕度數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)絇C機上，利用系統(tǒng)監(jiān)測軟件進行數(shù)據(jù)存儲與分析，并輸出打印歷史數(shù)據(jù)和曲線圖，在設(shè)備異常情況下還以現(xiàn)場多媒體音響、聲光報警器、電話報警、手機短信息報警、網(wǎng)絡客戶端報警等多種形式的通知相應監(jiān)管人員?？朔艘郧翱抗芾砣藛T手工檢查、測量和手工計算溫度值和濕度值，提高了糧倉溫度和濕度除濕的檢測速度和檢測精度，節(jié)省了大量人力和物力，減輕了溫濕度管理的工作強度，提高了管理效率。
系統(tǒng)基于傳感技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、信息管理技術(shù)、通信技術(shù)等先進技術(shù)為主體，按照分布式原則設(shè)計，以全數(shù)字信號進行傳輸，提高了系統(tǒng)的可靠性和可維護性。。通過我們（優(yōu)度科技）的專用溫濕度監(jiān)測軟件接收、顯示、分析、監(jiān)測，從而達到實時監(jiān)控被測點位的溫濕度環(huán)境變化。是一套可無人值所，能24小時不間斷實時監(jiān)控記錄的自動化監(jiān)測系統(tǒng)。
方案為分布式智能網(wǎng)絡型監(jiān)控系統(tǒng)（優(yōu)度科技），采用硬件功能軟件化的系統(tǒng)設(shè)計思想及系統(tǒng)硬件的模塊化、通訊網(wǎng)絡化設(shè)計，系統(tǒng)可根據(jù)需要升級軟件功能與擴展硬件種類，增加監(jiān)控點數(shù)量，監(jiān)控軟件的編制采用軟件工程管理，開放性與可擴充性極強。
本系統(tǒng)（優(yōu)度科技）能對現(xiàn)場溫濕度環(huán)境進行數(shù)據(jù)檢測、顯示、記錄、文檔保存、打印、數(shù)據(jù)分析、設(shè)置上下線超限報警、分析報警點位及趨勢曲線圖等功能。監(jiān)控電腦軟件采用圖形界面實時顯示，界面可進行總貌顯示、分區(qū)顯示、顯示各點位溫濕度的每時刻的詳細數(shù)據(jù)、歷史溫濕度曲線、可記錄查找、打印各點位的溫濕度數(shù)據(jù)。
系統(tǒng)組成
二、監(jiān)測模塊
功能參數(shù)：
RS485通訊接口
傳感器采用瑞士盛世瑞恩（Sensirion）SHTX系列或霍尼威爾Honeywell（HS1101/HIH4000）。
SHT15型智能傳感器的相對濕度測量范圍是0~100％，最高精度為2％RH（SHT10為5％RH）。
溫度測量范圍是—40℃一十123．8℃。分辨率為0．1℃。響應時間小于3s。
三、上位機軟件
1、監(jiān)控界面直觀顯示每個監(jiān)測點的名稱、位置、編號、溫度數(shù)值、濕度數(shù)值。
2、根據(jù)實際情況增加、修改、減少監(jiān)測點的名稱、位置、編號。
3、可查看每個監(jiān)測點的溫度/濕度等數(shù)據(jù)曲線。
4、每個監(jiān)測點的采集數(shù)據(jù)實時存入數(shù)據(jù)庫，可導出EXCEL表格。
5、實時記錄監(jiān)測點的越限記錄，存入數(shù)據(jù)庫，可導出EXCEL表格。
6、有監(jiān)測點越限時，計算機播放聲音告警。
7、郵件報警功能：每次的異常記錄都通過郵件發(fā)送到負責人郵箱。
8、可選功能
?。?）短信報警功能
?。?）現(xiàn)場報警：聲光報警
本設(shè)計采用89c51單片機為控制中心，該芯片具有4KB的快擦寫可編程/擦除只讀存儲器EEPROM、256KB片內(nèi)RAM、3個16位定時計數(shù)器、5個中斷源，無需進行系統(tǒng)擴展既可滿足任務要求，能較大幅度提高系統(tǒng)的性價比。而溫濕度傳感器我選用的是dht11傳感器，他性價比高。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點。
另外該系統(tǒng)除了能顯示溫濕度以外，還能設(shè)置溫濕度報警閾值。
近幾年據(jù)海關(guān)統(tǒng)計結(jié)果顯示，我國糧食進出口同比均呈下降趨勢，我國糧食供求開始進入緊平衡階段。在糧食供給能力逐漸弱化的情況下，我們必須注意到貯存糧食的科學性和有效性。貯糧倉庫的現(xiàn)代管理也是當前糧食系統(tǒng)改造的重大項目之一。而在糧倉管理過程當中，最重要的是控制倉內(nèi)的溫度和濕度，溫濕度會直接影響糧食的貯存量。而溫濕度檢測傳統(tǒng)的方法是用與濕度表、毛發(fā)濕度表、雙金屬式測量計和濕度試紙等測試器材，通過人工進行檢測，對不符合溫度和濕度要求的場所進行通風、去濕和降溫等工作。這種人工測試方法費時費力、效率低，且測試的溫度及濕度誤差大，隨機性大，因此我們需要一種造價低廉、使用方便且測量準確的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。
過限報警【溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)要滿足以下條件：溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)能完成數(shù)據(jù)采集和處理、顯示、串行通信、輸出控制信號等多種功能。由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)調(diào)理、單片機、數(shù)據(jù)顯示等4個大的部分組成。該測控系統(tǒng)具有實時采集（檢測糧庫內(nèi)的溫濕度）、實時顯示（對監(jiān)測到的進行顯示）、實時警報（根據(jù)監(jiān)測的結(jié)果，超出預設(shè)定的值的進行蜂鳴警告）的功能。
傳感器是實現(xiàn)測量首要環(huán)節(jié)，是監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，如果沒有傳感器對原始被測信號進行準確可靠的捕捉和轉(zhuǎn)換，一切準確的測量和控制都將無法實現(xiàn)。工業(yè)生產(chǎn)過程的自動化測量和控制，幾乎主要依靠各種傳感器來檢測和控制生產(chǎn)過程中的各種參量，使設(shè)備和系統(tǒng)正常運行在最佳狀態(tài)，從而保證生產(chǎn)的高效率和高質(zhì)量。
2.1溫濕度傳感器的選擇
DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高
的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點。每個DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數(shù)以程序的形式儲存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20米以上，使其成為各類應用甚至最為苛刻的應用場合的最佳選則。產(chǎn)品為4針單排引腳封裝。連接方便，特殊封裝形式可根據(jù)用戶需求而提供。
2.2信號采集通道的選擇
在本設(shè)計系統(tǒng)中，溫度輸入信號為4路的模擬信號，這就需要多通道結(jié)構(gòu)采用多路分時的模擬量輸入通道。這種結(jié)構(gòu)的模擬量通道特點為：對ADC、S/H要求高。處理速度慢。硬件簡單，成本低。軟件比較復雜。如圖2-1所示。
最初的糧倉監(jiān)測除濕系統(tǒng)是通過人工對糧倉內(nèi)的溫度和濕度進行測量和觀察，采取相應的控制措施。再后來的糧倉監(jiān)測系統(tǒng)采用有線傳輸方式，這兩種監(jiān)測系統(tǒng)都需要耗費大量的人力、財力和物力。針對上述糧倉監(jiān)測系統(tǒng)出現(xiàn)的問題，本文在參考大量資料和剖析傳統(tǒng)糧倉監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種無線糧倉監(jiān)測系統(tǒng)，以替代傳統(tǒng)的有線傳輸系統(tǒng)。
隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，糧食儲備日益增加，糧庫建設(shè)對溫濕度監(jiān)測技術(shù)的要求越來越高。由于糧食在儲藏過程中易受溫度、水分等因素影響，使糧食發(fā)生霉變、蟲害滋生等情況，為了確保儲糧安全，需準確掌握糧食儲藏過程中溫濕度的實時變化，并對糧情數(shù)據(jù)進行分析，采取相應控制措施，而設(shè)計合理的糧倉監(jiān)測系統(tǒng)可以為安全儲糧提供技術(shù)保證和科學依據(jù)。最初的糧倉監(jiān)測系統(tǒng)是通過人工對糧倉內(nèi)的溫度和濕度進行測量和觀察，采取相應的控制措施;再后來的糧倉監(jiān)測系統(tǒng)采用有線傳輸方式，這兩種監(jiān)測系統(tǒng)都需要耗費大量的人力、財力和物力。針對上述糧倉監(jiān)測系統(tǒng)出現(xiàn)的問題，本文在參考大量資料和剖析傳統(tǒng)糧倉監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種無線糧倉監(jiān)測系統(tǒng)，以替代傳統(tǒng)的有線傳輸系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)合了現(xiàn)有的多種先進技術(shù)，提供了一種全新的獲取信息、處理信息的途徑。該系統(tǒng)布線少、故障率低、易于維護、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、工作穩(wěn)定可靠。使糧倉監(jiān)測系統(tǒng)朝“網(wǎng)絡化智能監(jiān)測”方向發(fā)展，即具有自動測溫、數(shù)據(jù)共享等特征。
ZigBee技術(shù)概述
在ZigBee聯(lián)盟的網(wǎng)站上有一個關(guān)于“ZigBee”名字由來的傳說，大體上描述的是蜜蜂在采蜜的過程中，通過ZigZag形狀的舞蹈在同伴之間交換蜜源信息，稱之為“ZigBee法則”，蜂群就是通過這種法則維持生存和發(fā)展的。由于蜜蜂本身體積小，能量消耗低，采集并互相傳送花粉，故ZigBee即表示一種短距離、低成本、低功耗、低速率的無線通信技術(shù)。在此之前，ZigBee亦被稱作“HomeRFLite”、“RF-EasyLink”或“FireFly”無線電技術(shù)，目前統(tǒng)稱為“ZigBee”，國內(nèi)通常翻譯為“紫蜂”技術(shù)。
ZigBee技術(shù)并非完全獨有、全新的標準，它是在IEEE802.15.4—2003標準的基礎(chǔ)上建立的。該標準定義了物理（PHY）層和媒體訪問控制（MAC）子層；在它的基礎(chǔ)上，ZigBee聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡（NWK）層和應用層框架（AF）。其中應用層框架包括應用支持子層（APS）和ZigBee設(shè)備對象（ZDO），制造商定義的應用對象使用該框架，并與ZDO分享APS和安全服務[15]。
根據(jù)IEEE802.15.4—2003協(xié)議標準，ZigBee的工作頻段共分為3個頻段，分別為868MHz、915MHz和2.4GHz。其中，868MHz頻段范圍是868.0~868.6MHz，該頻段上只有一個信道，調(diào)制方式是二進制相移鍵控（BPSK），數(shù)據(jù)傳輸速率為20kbit/s；915MHZ頻段范圍是902~928MHz，該頻段上有10個信道，調(diào)制方式也是BPSK，其數(shù)據(jù)傳輸速率為40kbit/s；2.4GHz頻段范圍為2400~2483.5MHz，調(diào)制方式是偏移四相相移鍵控（O-QPSK），數(shù)據(jù)傳輸速率是250kbit/s。868MHz和915MHz屬于歐洲頻段，主要在美國和澳大利亞使用；而2.4GHz是全球通用的工業(yè)、科學、醫(yī)學（ISM）頻段，且該無線電頻段不僅是免費的，而且無需申請[16，17]。根據(jù)ZigBee聯(lián)盟的觀點，他們開發(fā)的低成本、低功耗、雙向的ZigBee標準可被嵌入在消費類電子產(chǎn)品、家庭和樓宇自動化、工農(nóng)業(yè)控制、PC外設(shè)、醫(yī)療傳感器應用、玩具以及游戲，具有非常廣泛的市場應用前景。
ZigBee技術(shù)的特點
根據(jù)ZigBee技術(shù)的本質(zhì)，可歸納出ZigBee具有以下幾點優(yōu)越特性：
1、高可靠性：ZigBee聯(lián)盟在制定ZigBee規(guī)范時，針對數(shù)據(jù)在傳輸過程中的內(nèi)在的不確定性，采取了一些措施來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕饕胧┯校何锢韺蛹嫒莞呖煽康亩叹嚯x無線通信協(xié)議IEEE802.15.4，同時使用偏移四相相移鍵控（O-QPSK）和直接序列擴頻（DSSS）技術(shù)；采用載波偵聽多路訪問/沖突避免（CSMA-CA）技術(shù)解決數(shù)據(jù)沖突問題；使用16-bitCRC來確保數(shù)據(jù)的正確性；采用帶應答的數(shù)據(jù)傳輸方式來確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康牡刂罚徊捎镁W(wǎng)狀網(wǎng)絡盡量保證數(shù)據(jù)可以沿著不同的傳輸路徑從源地址到目的地址。
2、功耗低：低功耗通常是針對終端設(shè)備而言的，一般情況，路由器和協(xié)調(diào)器需一直處于供電狀態(tài)，只有終端設(shè)備可以定時休眠。當終端設(shè)備不需要工作，可以讓其處于休眠模式，此時耗電量非常低；當其需要工作時，喚醒設(shè)備，使其處于工作狀態(tài)，喚醒時間非常短，一般只需15ms。在實際系統(tǒng)中，終端設(shè)備對數(shù)據(jù)的采集一般都是定時采集的，就這樣在工作與休眠之間交替轉(zhuǎn)換，使ZigBee終端設(shè)備非常省電，通常兩節(jié)普通的五號電池可支持一臺ZigBee終端設(shè)備長達6~24個月的使用時間。
3、成本低：ZigBee技術(shù)可以應用于8-bit的MCU，目前TI公司推出的兼容ZigBee2007協(xié)議的SoC芯片CC2530每片價格也才20~35元，外圍只需要簡單的電路設(shè)計即可實現(xiàn)網(wǎng)絡節(jié)點的構(gòu)建，且隨著半導體集成技術(shù)的發(fā)展，ZigBee芯片的體積將會越來越小，開發(fā)成本也會隨之下降[19]；ZigBee的協(xié)議棧是免專利費的，開發(fā)人員可直接調(diào)用協(xié)議棧里的一些函數(shù)，縮短了開發(fā)周期，這大大降低了開發(fā)成本。
4、安全性高：為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕琙igBee提供了基于循環(huán)冗余校驗（CRC）的數(shù)據(jù)包完整性檢查和鑒權(quán)、認證功能；還可以使用AES-128加密算法對傳說的數(shù)據(jù)進行加密處理，提高整個傳輸過程的安全性。
5、網(wǎng)絡容量大：一個ZigBee網(wǎng)絡理論上可支持高達個節(jié)點[20]。
總體設(shè)計方案
1.1基于zigbee的糧倉溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計指標以及要求本文選取糧倉中的溫度、濕度為監(jiān)測對象，采用zigbee無線網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸。為了確保監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的準確性和無線傳輸?shù)目煽啃?，系統(tǒng)的測量參數(shù)和zigbee網(wǎng)絡性能需要滿足以下要求:
糧倉監(jiān)測系統(tǒng)的測量參數(shù)要求如下：測量溫度在40℃~123.8℃之間，測量適度范圍在0~100%RH之間，分辨力分別為0.1℃和0.1%RH，允許的誤差范圍在±0.4℃以及3.0%RH。
1.2基于zigbee的糧倉溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的方案設(shè)計
基于ZigBee的糧倉溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)主要由監(jiān)測網(wǎng)絡和信息監(jiān)測管理系統(tǒng)(上位pc機)兩部分組成，系統(tǒng)總體設(shè)計示意圖如圖1所示。監(jiān)測網(wǎng)絡是由若干個傳感節(jié)點和一個匯聚節(jié)點按照一定的協(xié)議形成的無線傳感器網(wǎng)絡。傳感節(jié)點放在特定的監(jiān)測區(qū)域中，將采集的數(shù)據(jù)以多跳的通信方式傳送到聚節(jié)點，同時能夠接收匯聚節(jié)點發(fā)來相應命令。監(jiān)測網(wǎng)絡中的匯聚點接收網(wǎng)絡內(nèi)所有傳感節(jié)點的信息，并將這些數(shù)據(jù)解析成幀后通過RS232串口上傳至pc機監(jiān)測管理系統(tǒng);同時匯聚節(jié)點也能夠接收pc(上位)機發(fā)來的幀，解析幀后向網(wǎng)絡中的節(jié)點發(fā)送管理信息，完成用戶自定義網(wǎng)絡設(shè)置功能。
一、無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的硬件設(shè)計
由于本溫濕度測控系統(tǒng)的驗證實驗是在一個小型的糧庫中進行的，組建簡單的星形網(wǎng)絡即可，不需要路由器節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)所采集的信息。本糧倉溫濕度測控系統(tǒng)各部分工作情況如下：
1、傳感器采集節(jié)點工作過程【糧倉溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)原代碼】
首先，根據(jù)實際需求，將傳感器采集節(jié)點撒布在糧倉內(nèi)所需監(jiān)測的區(qū)域，傳感器感知并采集監(jiān)控區(qū)域周圍的溫濕度信息，并在其內(nèi)部對所采集到的溫度和濕度信息進行放大、A/D轉(zhuǎn)換等處理；然后，通過MCU讀取傳感器輸出的數(shù)據(jù)，并對讀到的數(shù)據(jù)進行計算處理以得到溫濕度真實值；最后，將糧倉內(nèi)溫濕度的最終真實數(shù)據(jù)無線發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。其中，為了保證數(shù)據(jù)能夠順利傳送至網(wǎng)關(guān)，傳感器采集節(jié)點在采集數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)之前，必須能夠并順利加入ZigBee網(wǎng)絡。
2、網(wǎng)關(guān)的工作過程
本糧倉溫濕度測控系統(tǒng)中的網(wǎng)關(guān)相當于ZigBee網(wǎng)絡中的協(xié)調(diào)器，擔負著ZigBee組網(wǎng)工作。各終端設(shè)備申請加入網(wǎng)絡成功后，就可以和該網(wǎng)關(guān)進行無線通信。本網(wǎng)關(guān)接收到傳感器采集節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，經(jīng)過相關(guān)處理后，會通過串口將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C或者通過以太網(wǎng)將它們傳送到遠程PC端，從而實現(xiàn)對糧倉內(nèi)溫度和濕度信息的監(jiān)測。同時，當監(jiān)測的溫度或濕度值超出系統(tǒng)所設(shè)定值的范圍，上位機或遠程PC端會發(fā)送相應的控制信息給網(wǎng)關(guān)，再通過網(wǎng)關(guān)將這些控制信息無線轉(zhuǎn)發(fā)給糧倉內(nèi)相應的控制節(jié)點。
3、控制節(jié)點的工作過程
對于本設(shè)計中的控制節(jié)點，同樣根據(jù)實際需求將其撒布在糧倉內(nèi)，且在工作之前，也需要申請加入ZigBee網(wǎng)絡。加入網(wǎng)絡成功后，才可以實時監(jiān)聽無線信道上是否有網(wǎng)關(guān)無線發(fā)送過來的控制命令，若控制節(jié)點接收到控制命令，會立即通過控制節(jié)點中的MCU控制繼電器的通斷以控制糧倉內(nèi)的現(xiàn)場調(diào)控設(shè)備（如電風扇、降溫器、除濕機等），從而實現(xiàn)對糧倉內(nèi)溫度和濕度信息的遠程調(diào)控。
2.1傳感節(jié)點系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.2匯聚節(jié)點系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡中的傳感節(jié)點和匯聚節(jié)點由于功能不同，所需的硬件結(jié)構(gòu)也會有所不同，本文分別對傳感節(jié)點和匯聚節(jié)點進行了設(shè)計。匯聚節(jié)點主要由電源模塊、微處理器模塊、無線通信模塊組成，其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示
匯聚節(jié)點主要是接收傳感網(wǎng)絡中傳感節(jié)點的信息，通過RS232串口發(fā)送給PC機上的信息監(jiān)測管理系統(tǒng)，同時一能夠接收PC機發(fā)來的幀，經(jīng)解析后完成用戶自定義網(wǎng)絡的管理功能.
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