熊宗接，陳良洲，徐永杰

(1. 中國人民解放軍92601 部隊，廣東 湛江524009;2. 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院，湖北 武漢430074)

0 引言

為實現(xiàn)科學(xué)存糧，必須對糧倉內(nèi)外環(huán)境溫度、濕度、糧食溫度、糧食水分、有害氣體濃度、儲糧害蟲等糧情參數(shù)進(jìn)行綜合監(jiān)測，并進(jìn)行相應(yīng)的控制。目前糧情采集監(jiān)測系統(tǒng)多采用有線通信，或近距離的Zigbee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測［1］，由于通信距離短，并且與控制系統(tǒng)沒有集成在一起，系統(tǒng)智能化程序低，集成性差、監(jiān)測范圍小。因此糧食倉儲管理急需一套集成度高、智能化的遠(yuǎn)程系統(tǒng)來進(jìn)行科學(xué)管理。

1 糧庫智能監(jiān)控系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)組成如圖1 所示。由SHT11 數(shù)字溫濕度傳感器和DS18B20 單總線數(shù)字溫度傳感器構(gòu)成測量主體［2］，前者測量糧倉中的溫度和濕度，后者測量糧食中的各層溫度。各個傳感節(jié)點將測量數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)檢測分機(jī)，單片機(jī)分機(jī)與GPRS DTU 模塊通過485 總線相連接，將各個分機(jī)的測量數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程上位機(jī)上，并且測量過程可受遠(yuǎn)程上位機(jī)命令控制。這個GPRS DTU 模塊根據(jù)各分機(jī)不同的地址可負(fù)責(zé)幾個分機(jī)的分時操作。另一個GPRS DTU 模塊可連接多個不同站號的PLC 進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，上位機(jī)可根據(jù)單片機(jī)測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與設(shè)置的上、下限數(shù)據(jù)進(jìn)行PLC 的自動控制。視頻監(jiān)控可通過網(wǎng)線或無線WIFI 連接至PC 系統(tǒng)，實驗中我們通過WIFI 與筆記本電腦通訊。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2 庫房分機(jī)設(shè)計

設(shè)計的庫房測溫濕度分機(jī)具備設(shè)備在線查詢、分機(jī)切換操作、周期自動檢測和庫房測溫傳感器的地址表遠(yuǎn)程燒寫功能。每個設(shè)備分機(jī)通過板上的跳線座可設(shè)定0x00 至0x1f 之間的任意唯一地址，上位機(jī)就可以通過指令檢查該分機(jī)是否在線并通過相應(yīng)的指令操作具體的庫房分機(jī)，在庫房某根電纜中的傳感器發(fā)生故障時，可通過更換新電纜并重新燒寫新的地址表來實現(xiàn)簡單的后期維護(hù)。分機(jī)的數(shù)據(jù)接口設(shè)計為二線制的485 總線接口，可擴(kuò)展性相當(dāng)強(qiáng)。實驗中分別利用支持485 總線的宏電公司的GPRS 模塊和卓嵐公司的485 轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊［3］實現(xiàn)遠(yuǎn)程服務(wù)器端的數(shù)據(jù)雙向交互功能，尤其是485 轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊操作實時性強(qiáng)，后期免充值或維護(hù)費用。庫房控制分機(jī)由三菱PLC 組成，通過485 總線與GPRS 模塊或485 轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊形成通信鏈路。系統(tǒng)上電后，可通過遠(yuǎn)程計算機(jī)指令控制單片機(jī)系統(tǒng)電源進(jìn)行糧情檢測板的復(fù)位，設(shè)定檢測周期開始檢測庫房溫濕度，手動或根據(jù)測量結(jié)果自動控制庫房各風(fēng)機(jī)、空調(diào)設(shè)備。

3 上位機(jī)設(shè)計

上位機(jī)程序采用組態(tài)王(KingVIEW)軟件編寫，組態(tài)王軟件作為一種開放型的通用工業(yè)監(jiān)控軟件，融過程控制設(shè)計、現(xiàn)場操作以及工廠資源管理于一體，將一個企業(yè)內(nèi)部的各種生產(chǎn)系統(tǒng)和應(yīng)用以及信息交流匯集在一起，實現(xiàn)最優(yōu)化管理。本系統(tǒng)采用組態(tài)王內(nèi)嵌的宏電GPRS DTU 驅(qū)動，利用虛擬串口，可方便實現(xiàn)與下位機(jī)的通信。

上位機(jī)監(jiān)控中心包含以下幾個基本模塊:用戶管理模塊，使用正確的用戶名和密碼才能安全登錄進(jìn)入系統(tǒng);糧庫查詢模塊，在線糧倉對應(yīng)的命令按鈕高亮顯示，點擊此按鈕可對相應(yīng)糧倉進(jìn)行操作;數(shù)據(jù)接收模塊，用于接收下位機(jī)測量數(shù)據(jù);PLC 控制模塊，手動遠(yuǎn)程控制PLC 各輸出的動作，及根據(jù)報警模塊的設(shè)置進(jìn)行自動控制;報警模塊及數(shù)據(jù)報表模塊。其中上位機(jī)數(shù)據(jù)接收流程如圖2 所示。如果虛擬串口“接收數(shù)據(jù)”改變，則在數(shù)據(jù)改變命令語言中啟動“接收數(shù)據(jù)數(shù)目延時”，此延時在秒數(shù)據(jù)改變命令語言中計數(shù)，延時時間到達(dá)后，“接收數(shù)據(jù)數(shù)目”加1，之后在應(yīng)用程序命令語言中，根據(jù)“接收數(shù)據(jù)數(shù)目”把接收到的數(shù)據(jù)賦值給相應(yīng)的變量。隨后檢測接收到數(shù)據(jù)的長度，如果長度正確，則“數(shù)據(jù)接收完成N”置1，在事件命令語言中，根據(jù)不同的“數(shù)據(jù)接收完成N”完成最后的解析。如圖2 所示，虛擬串口在接收到數(shù)據(jù)以后，需要延時一段時間才能把“接收數(shù)據(jù)數(shù)目”加1，這個延時非常重要。

圖2 上位機(jī)數(shù)據(jù)接收流程圖

根據(jù)控制規(guī)程，在上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)中編寫控制策略，并以此來驅(qū)動PLC 的內(nèi)部輔助寄存器，完成對風(fēng)機(jī)、除濕機(jī)、空調(diào)以及窗戶的控制。PLC 選用三菱FX2N 系列，利用GX-Developer 編寫PLC 控制程序方便靈活，易于調(diào)試。上位機(jī)測控系統(tǒng)形成決策后，通過互聯(lián)網(wǎng)把指令傳送至DTU，DTU 再以串口形式發(fā)送給PLC，PLC 根據(jù)事先編譯好的程序做出相應(yīng)的動作，與此同時上位機(jī)讀取PLC 的輸出狀態(tài)，并判斷指令是否執(zhí)行成功。關(guān)于現(xiàn)場控制模式則是通過PLC 編程口連接工業(yè)觸控屏，實現(xiàn)現(xiàn)場近距離手動控制。

4 關(guān)鍵難點與創(chuàng)新

4.1 任意多個DS18B20 測溫傳感器的地址二叉樹搜索算法的實現(xiàn)

現(xiàn)有許多庫房安裝的老一代單一的糧情檢測系統(tǒng)都帶有大量的測溫電纜，如果都廢棄不用，既沒有經(jīng)濟(jì)效益也是一種資源的浪費。但要用起來，當(dāng)初設(shè)計的上位機(jī)程序中固化的每個傳感器的地址又不得而知，就沒辦法將這些測溫傳感器利用起來，所以讀出現(xiàn)有測溫電纜中的各傳感器地址變得相當(dāng)重要。

根據(jù)DS18B20 的技術(shù)文檔中提到的其地址的自動搜索算法的描述［4］，利用堆棧的出入棧技術(shù)將各二叉樹的分支保存起來，就可以將任意多個DS18B20 傳感器的地址讀取出來，并通過單片機(jī)的串口打印到電腦顯示器上，其中核心程序如下:

#define MAXNUM 4 //定義傳感器數(shù)量

idata uchar ID ［MAXNUM］［8］ =0;//定義傳感器地址變量

void search_ rom (void)//搜索ROM

{ uchar k，top，location，m，n;

uchar record ［(MAXNUM+1)］ =0;

uchar ss ［64］ = {0};

top=0;

do

{ write_ byte (0xf0);

for (m=0;m ＜8;m+ +)

{

uchar s=0;

for (n=0;n ＜8;n+ +)

{k=read_ 2bit ();//讀兩位數(shù)據(jù)

k=k＆0x03;

s ＞＞=1;

if (k= =0x01)//01 讀到的數(shù)據(jù)為0 寫0

{write_ bit (0);

ss ［(m* 8 +n)］ =0;

}

else if (k= =0x02)//讀到的數(shù)據(jù)為1 寫1

… …

else if (k= =0x00)//讀到的數(shù)據(jù)00 有沖突位

{

… …

if (location ＞record ［top］)

{write_ bit (0);

ss ［(m* 8 +n)］ =0;

record ［+ +top］ =location;//入棧

}

… …

ID ［num］［m］ =s;

}

num=num+1;

}while (record ［top］!=0＆＆ (num ＜MAXNUM));

4.2 將測量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)集成在一個上位機(jī)畫面

視頻監(jiān)控硬件方面選用了支持WIFI 和網(wǎng)線雙功能的網(wǎng)絡(luò)攝像頭，軟件上使用組態(tài)軟件將糧情檢測數(shù)據(jù)和風(fēng)機(jī)、空調(diào)電源控制和視頻畫面的選擇集成在一個上位機(jī)操作畫面。整個系統(tǒng)是真正意義上的測量和控制系統(tǒng)，不是目前傳統(tǒng)的單一測量系統(tǒng)［5］。

4.3 遠(yuǎn)程無線通迅

通過安裝手機(jī)SIM 卡的GPRS 模塊真正建立遠(yuǎn)程無線通訊，比通過Zigbee 無線網(wǎng)絡(luò)組建的無線通訊距離大。另外如果在各庫房間實現(xiàn)無線的或有線的局域網(wǎng)聯(lián)接，安裝485 轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊也可實現(xiàn)遠(yuǎn)程測量和控制，而且無需后續(xù)手機(jī)充值且建立連接速度快。

5 結(jié)束語

根據(jù)以上思路設(shè)計了一套糧庫遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的實驗?zāi)Ｐ?。實驗?zāi)Ｐ托Ч麍D如圖3 示。

圖3 實驗?zāi)Ｐ托Ч麍D

模型中有兩個平房庫和兩個立筒庫，每個庫房側(cè)面安裝兩個小風(fēng)扇代表庫房的風(fēng)機(jī)，安裝兩排流水燈代表庫房的空調(diào)。GPRS 模塊通過域名訪問的方式聯(lián)接遠(yuǎn)程的電腦服務(wù)器程序。運行上位機(jī)程序可對四個庫房模型的糧情數(shù)據(jù)和風(fēng)扇，流水燈進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測。現(xiàn)場附近可配置一個工業(yè)屏并行控制PLC 的操作。以上基于模型的實驗研究預(yù)期可在實際工程應(yīng)用中得到運用和檢驗。

［1］牛宇卿. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線糧情監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［D］. 太原:太原理工大學(xué)，2011.

［2］徐小玲，李少彪，張福強(qiáng). 基于ZigBee 的糧倉溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計［J］ . 廣東石油化工學(xué)院學(xué)報，2011，21(4):48.

［3］上海卓嵐信息科技有限公司. ZLAN3100 串口服務(wù)器用戶手冊［EB/OL］. ［2013－02－11］.http://www.zlmcu.com.

［4］Dallas Semiconductor.DS18B20－datasheet. ［EB/OL］. ［2013－02 －11］. http://wenku.baidu.com/view/73675f2fed630b1c 59eeb58a.

［5］陳爽，王軍，韓樹人. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的糧倉環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計［J］. 農(nóng)機(jī)化研究，2010 (9):100－103.