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1、精品论文粮仓内气体浓度及温湿度无线采集与传送系统设计杜萍，周慧玲5（北京邮电大学自动化学院，北京 100876） 摘要：通过分析气调储粮的原理、作用以及气调仓中作业人员的安全问题，提出了粮仓内气 体浓度及温湿度无线采集与传送系统。针对粮仓坏境中，灰尘、温度、湿度等因素直接影响 到传感器的精度和使用寿命的问题，完成 O2、CO2 及温湿度传感器的选型。最后根据系统 的设计要求，完成了硬件和软件的设计与开发。10关键词：无线采集与传送；传感器；气调储粮中图分类号：TP212.6Design on gas concentration and temperature and humidity of g
2、ranary wireless monitoring and transmission system15Du Ping, Zhou Huiling(Automation School,Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876) Abstract: Through the analysis of the principle and effect of CA stored-grain, and warehouse workers in security issues, put forward the gas
3、 concentration and temperature and humidity of granary wireless monitoring and transmission system. Aiming at the granary environment, dust,20temperature, humidity and other factors directly affect the accuracy and the service life of sensors，complete O2, CO2, temperature and humidity sensor selecti
4、on. Finally, according to the design requirements of system, complete the hardware and software design and development.Keywords: wireless monitoring and transmission system; sensor; CA stored-grain250引言长期以来，粮仓中害虫防治主要依赖于化学杀虫剂，由于化学杀虫剂具有污染环境，对 人畜有害以及害虫容易产生抗药性等缺点，各国都在寻找能够代替化学杀虫剂的害虫防治措 施。正常空气的成分是 O2 20.9
5、5%，N278.09%，C02 0.03，3%他惰性气体 0.93%。近年来，30国内外学者研究发现如果有目的改变粮堆内气体成分的比例，造成一个不利于虫、霉孳生的 环境，对安全储粮是有利的。实验证明，当 O2 浓度降到 2以下，或 C02 浓度增加到 40 以上，或在高 N2 浓度下霉菌受到抑制，害虫也很快死亡，并能较好保持粮食品质，这种绿 色储粮技术被称为气调储粮技术，这种气调储粮技术具有广阔的应用前景 1 。但是在充氮储粮过程中必须经常检测粮堆中的氮气浓度, 在充氮的环境中，虽说氮气对35人无毒，但氧含量低于 14%或者 C02 含量在 5%以上时，对人的生命即有危险。人如果进人 氧含量在
6、 10以下的大气中，就会失去知觉。在 10%14%的氧浓度下，多数人尚不致失 去知觉，但对人的神经有所损害。这既增加了作业人员的工作量, 又对作业人员的健康产生 影响，同时对粮堆的密封性也有影响。针对这些问题本文提出了粮仓内气体浓度及温湿度无 线监测系统主要由气体采集、气体浓度测量、温湿度采集、数据传输和监控微机等部分组成，40通过对无线监控系统的开发，实现粮仓内气体浓度的无线、远程、可靠传输，使得作业人员 不进粮仓即可实时监测粮仓内粮情的变化，有利于科学储粮、绿色储粮、提高工作效率 2 。作者简介：杜萍，（1986-），女，硕士研究生，嵌入式系统与测控网络。通信联系人：周慧玲，（1965-）
7、，女，教授，嵌入式系统与测控网络。E-mail: huiling- 8 -1粮仓内气体浓度及温湿度无线采集与传送系统设计思路粮仓内气体浓度无线监测核心是传感器节点，一般传感节点的结构图如图 1 所示 345图 1 传感器节点的结构图设计无线传感器节点时，在考虑满足气体浓度监测需求的同时，节能性是硬件和软件设计上首要考虑解决的问题。无线传感器网络从源节点开始经过数跳传输将信息发送到目标节 点,节点的总能耗可概括为：50节点的总能耗=节点感知能耗+节点处理能耗+发送总能耗+接收总收耗其中传感器和射频前端消耗节点的大部分能耗，减少节点功耗的一个重要思想是选择合 适的传感器和射频前端芯片并最大程度降低
8、芯片工作时的功耗 4。1.1 元器件选型1.1.1MCU 选型55MCU 选用 ST 意法半导体公司 32 位低功耗处理器 STM32L151C8T6,其功耗数据如图 2所示。该芯片内置 128KB Flash、USB 控制器、USART 控制器、高速 ADC、DAC、比较器。图 2 STM32L151C8T6 超低功耗数据601.1.2无线通信模块选型无线通信模块选用 APC240 模块，它是高度集成超低功耗半双工微功率无线数据传输模 块，其嵌入高速单片机和高性能射频芯片。创新的采用高效的循环交织纠检错编码，抗干扰 和灵敏度都大大提高，APC240 模块提供了多个频道的选择，可在线修改串口速
9、率，发射功 率，射频速率等各种参数。APC240 模块可在 2.1-3.6V 电压范围内工作，在接收状态仅仅消65耗 3.2mA，有四种工作模式。在 1SEC 周期轮询唤醒省电模式(Polling mode)下，接收仅仅消 耗不到 20uA,一节 3.6V/3.6A 时的锂亚电池可工作 10 年以上。1.1.3二氧化碳传感器选型二氧化碳传感器选用英国 GSS 公司的低功耗型红外二氧化碳传感器 COZIR-ambient5 ， 此款传感器具有如下特点。701) 超低功耗 3.5mW2) 测量范围是从 5%到 100%3) 3.3V 供电4) 峰值电流只有 33mA，平均电流小于 1.1 mA5)
10、 可选温度、湿度输出756) 标准型号温度范围 050 C（可扩展-2555 C）7) 湿度适用范围 095% RH8）存储温度-30+70 C1.1.4氧气传感器选型氧气传感器选用英国阿尔法特 Alphasense 公司的 O2-A2 氧气传感器，此款传感器具有如80下特点，1）测量范围（%）：0-30；2）输出：当测量环境的温度在 22，氧气浓度在 20.9% 时，输出的电流为 80-120A；3）工作寿命：24 当测量环境的氧气浓度在 20.9% 时，输出达到此环境的 85%时的月 数；响应时间(秒)：854） 当测量环境的氧气浓度从 20.9%降到 0 时，响应时间小于 15 秒（此时
11、测量负载为47）；5）线性度（ppm）：0.6 全量程时线性误差（零点，400ppm）;6) 温度范围：-30 到 55；7）压力范围：80-120Kpa；908）湿度范围：5-95%RH951001051101.1.5温湿度传感器选型SHT15 是瑞士 Sensirion 温湿度传感器家族中的贴片封装系列。传感器将传感元件和信 号处理电路集成在一块微型电路板上，输出完全标定的数字信号。该产品具有一下特点：1）将温湿度感测、信号变换、A/D 转换和 I2C 总线接口等功能集成到一个芯片上2）提供两线数字串行接口 SCK 和 DATA，并支持 CRC 传输校验；3）测量精度可编程调节，内置 A/
12、D 转换器；4）提供温度补偿和湿度测量值以及高质量的露点计算功能；5）由于采用了 CMOSensTM 技术，可浸入水中进行测量。6) 湿度测量范围：0100RH；7）温度测量范围：-40+123.8；8）湿度测量精度：2.0RH；9) 温度测量精度：0.3；10) 响应时间：8 s（tau63）；1.2系统结构组成如图(3)和(4)所示为粮仓内气体浓度无线监测系统的终端监测节点和中心汇聚节点的硬 件结构设图，它是一个微型化的嵌入式系统，构成了无线传感器网络的基础支持平台。由处 理器 MCU、APC240 无线通信、传感器及传感器稳压电路电能供给等部分组成。内置 RTC 可 为节点提供时钟从而实
13、现节点网络定时采集数据并为传感数据打上时间戳，同时还可用于网 络时间同步；内置存储器可供节点在网络通信失败时存储传感数据；终端节点采用电池供电， 中心汇聚节点通过 USB 供电；传感器稳压电路一方面可以为传感器提供稳定的电源供给， 另一方面可以通过使能引脚控制传感器的供电进而降低传感器的待机功耗；中心汇聚节点通过 USB 将传感数据送到上位机服务器。BOOTJTAGRST天线两 节五MCUAPC240号电 池SHT O2 传传 感感 器器 电电 源源CO2传感器+变送电路O2传感器+变送电路SHT传感器115图 3 终端监测节点硬件结构框图BOOT JTAGMCU天线APC240RSTUSB图
14、 4 中心汇聚节点硬件结构框图2粮仓内气体浓度及温湿度无线采集与传送系统硬件实现1201252.1 氧气传感器变送电路硬件设计对于氧气传感器来说，它将环境中的氧气浓度转换成A 级的电流，这在实际环境中很 难检测精准，必须通过变送电路模块，才能接到 STM32 上。从 I-V 变换原理出发，通过选 用高输入阻抗、高准确度的运放设计成一种能够测量A 级范围的 I-V 变换式直流微弱电流 检测电路。为提高放大电路的性能，对元器件的选择、参数设计、电路抗干扰进行探讨，整 个微弱电流检测电路的结构如图 5。微 弱I-V 变 电流换滤波 稳 压电路模 数粮情 检 转换测节点图 5 微弱电流检测电路结构图1
15、30在 I-V 变换式直流微弱电流测量电路设计中，运放的选择是至关重要的。主要考虑下面几个参数：偏置电流足够小；失调电压要足够小；输入阻抗要足够大；温漂及噪声 系数要尽量小；运算放大器增益足够大。本电路选择通用型运算放大器 LM741，放大电 路中，需要供+-5V 或者+-15V 的电压给运放，实验表明在+-5V 的电源供给下，电路的响应 时间短，稳定性好。本系统选用 MAXIM 公司的 MAX865，它可以提供紧凑的、双极性输 出电荷泵。电路结构如图 6。135140图 6 放大电路及正负电源设计2.2氧气传感器变送电路实际低氧环境验证在国家粮食局科学研究院的帮助下，搭建出氧气检测精密变送电
16、路设计测量环境，经多 次测量验证设计的变送电路能够测量出不同高氮低氧环境中的氧气浓度，绘制平均实验结果如图 7 所示,实验结果0-0.50510152025-1系列1输出电压（V）-1.5-2氧气浓度（%）图 7 氧气浓度与输出电压的关系1451502.3CO2 传感器及其变送电路硬件电路设计CO2 传感器及其变送电路连接简单，除了 3.3 V 电源和地线外，还有 RX 和 TX 引脚 可直接连接 STM32 的 UART 口。Pin2 一定不要连接（悬空），Pin4 和 Pin6 可以不连接， 也可以跟地连接，如图 8 所示。本系统将 CO2 传感器及其变送电路的通讯口接到 STM32 的
17、UART0 口。图 8 CO2 传感器及变送电路外形图1552.4温湿度传感器硬件电路设计SHT15的供电电压范围为2.4-5.5V, 多次实验表明供电电压超过3.5V SHT15传感器会发 生温漂，所以本系统使用3.5V供电电压。在电源引脚（VDD，GND）之间须加一个100nF 的电容，用以去耦滤波。如图9所示。串行时钟输入(SCK) 用于微处理器与SHT15 之间的 通讯同步，串行数据 (DATA) 引脚为三态结构，用于读取传感器数据 . 当向传感器发送命 令时, DATA 在SCK 上升沿有效且在SCK 高电平时必须保持稳定。DATA 在SCK 下降沿 之后改变。SHT1STM32L1
18、51C8T63.5V160165图 9 SHT15 电路设计图3粮仓内气体浓度及温湿度无线采集与传送系统软件设计与实现如图 10 和 11 所示为中心汇聚节点和无线终端监测节点的软件设计结构设图，软件功能 要求从软件编码的角度，系统应用软件实现了以下控制功能 6 ：(1)传感器节点工作模式控制-传感器节点的工作模式分成发送模式、接收模式、睡眠模 式。可根据不同的情况，切换传感器节点的工作模式，以降低能耗。(2)设定采样时间，即根据用户要求，具体设定每次采样时间。传感器及 MCU 在设定 的时间(或间隔固定时间)到来时，会自动唤醒，进行采样。(3)数据上传方式设定节点在采集到数据后，可以通过以下
19、 2 种方式上传数据：立即上 传数据，实时性较强；保存在节点的存储器内，当达到一定数据量后，一起上传，比较节能。系统初始化否收到上位机指令并校 验正确是轮训从节点并接收O2 浓 度、CO2浓度以及温湿度 数据发送O2 浓度、CO2浓度以 及温湿度数据给上位机170图 10 中心汇聚节点流程图4结论图 11 无线终端监测节点流程图175180185190本文通过对国内外粮情监测系统相关动态的调查和研究，提出了无线传感器网络技术应 用于粮食仓储领域的几个技术问题，并通过对技术问题的分析讨论给出了一种可行的实现方 案，通过设计实现基于无线传感器网络技术的粮情监测系统验证了方案的可行性，对设计和 实现
20、过程中采用的主要技术、软硬件以及测试方法和结果进行了详细的介绍。本文的主要特点是：通过对无线监控系统的开发，实现粮仓内气体浓度、温湿度的无线、 远程、可靠传输，使得粮库管理员不进粮仓即可实时监测粮仓内粮情变化，有利于科学储粮、 绿色储粮、提高工作效率。致谢本论文是在导师周慧玲教授的悉心指导和大力支持下完成的。导师在学术上渊博的知 识、创新的思维、严谨的态度影响着我，教育着我，开阔了我的思路，增长了我的学识，使 我在学习和工作中受益匪浅；她严以律己，宽以待人的人格魅力更使我懂得了更多待人接物 与为人处世的道理。在此向尊敬的导师周慧玲教授致以真诚的谢意和敬意，感谢导师对我学 习上孜孜不倦的教诲和生
21、活上无微不至的关怀。衷心祝愿导师身体健康，万事如意。在此还要感谢国家粮食局科学研究院的曹阳教授、李燕羽老师、田琳实验员对课题的指 导和帮助。参考文献 (References)1951 张来，林金文，张虎.我国气调储粮技术的发展及应用J.自动化与仪表，2010:25-282 韩安太，何勇，李剑锋.基于无线传感网络的多参数粮情自动检测系统设计J.农业工程学报，2011,27（7）：231-2373 孙利民.无线传感器网络M.北京：清华大学出版社，2005.4 周慧玲.多功能粮情智能监测和控制平台的研究D.北京：北京邮电大学，2010 5 卿太全，郭明琼.最新传感器选用手册M.北京：中电力出版社，20096 赵文敏，邢建国.基于无线传感器网络的粮情监测系统J.自动化与仪表，2010:25-28
