儲糧質(zhì)量安全檢測系統(tǒng)

儲糧質(zhì)量安全檢測系統(tǒng)摘要：本文設(shè)計一套用于儲量質(zhì)量監(jiān)測的系統(tǒng)，使用MSP430軍片機采集糧堆多點溫濕度，用STM32F103對相關(guān)泵閥進行控制，收集二氧化碳、磷化氫、氧氣等氣體，并采集氣體的含量數(shù)據(jù)。送入基于安卓系統(tǒng)的工業(yè)電腦觸摸屏。上位機人機交互節(jié)點顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)，并通過相關(guān)的數(shù)學模型對數(shù)據(jù)進行分析，得到儲量的安全等級和災害種類。關(guān)鍵詞：糧倉;二氧化碳;無線;溫濕度;STM32□Abstract：Thispaperdesignsasystemforstockqualitymonitoring，usesMSP430single-chipmicrocomputertocollectmulti-pointtemperatureandhumidityofgrainpile，usesSTM32F103tocontrolrelatedpumpvalves，collectscarbondioxide，phosphine，oxygenandothergases，andcollectsgascontentdata.DeliveredintoanindustrialcomputertouchscreenbasedonAndroid.Thehuman-computerinteractionnodeoftheuppercomputerdisplaysthemonitoringdata，andanalyzesthedatathroughtherelevantmathematicalmodeltoobtainthesecuritylevelandthedisastertypeofthereserves.Keywords：granary;carbondioxide;wireless;temperatureandhumidity;STM32緒論糧食安全是關(guān)系經(jīng)濟發(fā)展、社會穩(wěn)定和國家安全的全局性、戰(zhàn)略性問題。糧食的收購與儲藏是糧食流通過程中十分重要的環(huán)節(jié)，但就目前來看，世界范圍內(nèi)從糧食生產(chǎn)到最終消費期間存在著不容忽視的極大的損失和浪費。在我國由于全國大部分地區(qū)農(nóng)戶儲糧裝具簡陋，保管技術(shù)水平低，受鼠害、蟲害和霉變等因素的影響造成糧食大量損失，主產(chǎn)區(qū)農(nóng)戶儲糧損失情況尤為突出。據(jù)國家糧食局抽樣調(diào)查，全國農(nóng)戶儲糧損失率平均為8%左右，每年損失糧食約400億斤。因此需要一種可以有效對糧倉儲存環(huán)境進行數(shù)字化監(jiān)測管理的設(shè)備。隨著科技的不斷發(fā)展，國家投資興建了許多大型現(xiàn)代化糧倉。目前新建的國儲庫基本上使用的都是大型集中式巡檢儀器，該儀器雖然可以實現(xiàn)糧溫檢測和通風制冷功能，可以連續(xù)監(jiān)測糧情的變化，然而其對于糧倉規(guī)模要求較高、工程浩大、費用高，且測溫設(shè)備和布線系統(tǒng)一旦完成就難以變更，系統(tǒng)靈活性差。糧倉的位置并非長期固定，會經(jīng)常倒倉和翻包，傳統(tǒng)以布線為主的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)已不能很好地滿足要求。針對目前糧倉溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)存在的不足，需要研制中小型糧倉糧情的溫濕度及氣體濃度的無線采集與控制的設(shè)備。通過調(diào)研，目前國內(nèi)已有數(shù)十家企業(yè)生產(chǎn)儲糧質(zhì)量安全檢測系統(tǒng)產(chǎn)品，種類繁多結(jié)構(gòu)各異，但其基本功能大致可實現(xiàn)的有糧倉內(nèi)溫濕度檢測、通風機和干燥機的控制等，系統(tǒng)功能重點放在了儲糧內(nèi)部溫濕度的檢測分析上。而由于技術(shù)和資金等問題，很多糧庫仍采用原始的存儲方式，多數(shù)的溫濕度檢測需要人工進行現(xiàn)場檢測。但是當溫濕度超標時，若不能及時發(fā)現(xiàn)險情及時處理將會造成糧食的大量損失。隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化以及科技強國的推進，國家糧食產(chǎn)量不斷突破歷史新高。在這樣一種大形勢下，各產(chǎn)糧地興建起了各種規(guī)模，各式各樣的儲糧糧倉，而各糧倉對于科學可靠便捷的儲糧質(zhì)量安全監(jiān)測系統(tǒng)的需求也日益提升。鑒于糧食儲存的復雜性和特殊性，本文提出一種新型系統(tǒng)設(shè)計，在可以實現(xiàn)溫濕度檢測功能的前提下特地加入了二氧化碳、氧氣、磷化氫氣體濃度的測定功能，以便可以全方位，系統(tǒng)性，更準確的把握糧倉內(nèi)糧食儲存的情況，有力地保障糧倉安全。系統(tǒng)總體設(shè)計方案本文設(shè)計的儲糧質(zhì)量安全檢測系統(tǒng)是一款集監(jiān)測與控制于一身的設(shè)備，使用STM32單片機作為控制系統(tǒng)，系統(tǒng)配置了風機泵及相關(guān)氣體傳感器和溫、濕度傳感器，實現(xiàn)了監(jiān)測糧倉中的溫度、濕度指標的功能，并能夠測量糧倉內(nèi)二氧化碳、氧氣、磷化氫含量，同時通過繼電器控制氣閥的通斷。最后將結(jié)果顯示在顯示屏上面，并通過觸摸屏幕完成人機交互。糧倉監(jiān)測系統(tǒng)由終端節(jié)點和ARM主控器組成。整個系統(tǒng)的工作流程為：終端節(jié)點采集糧倉內(nèi)的溫濕度參數(shù)，并將得到的數(shù)據(jù)傳送到ARM主控器。ARM主控器對數(shù)據(jù)進行顯示、匯總和存儲備份，管理員可設(shè)定每個終端節(jié)點的報警范圍，傳感器采樣頻率等參數(shù)。儲糧質(zhì)量安全檢測系統(tǒng)主要由嵌入式主控單元、串口顯示觸摸屏、氣體采集模塊、溫濕度采集模塊、氣體控制單元、泵控制單元等幾部分組成。儲糧質(zhì)量安全檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。系統(tǒng)通過串口顯示觸摸屏與STM32F103ZE單片機進行信息交互，電源系統(tǒng)添加電源，對其進行供電。氣體采集模塊對糧倉內(nèi)的氣體進行抽樣檢驗，并進行氣體檢測，分別檢測各種類的氣體濃度，溫、濕度傳感器也會對其進行測試，并將檢測結(jié)果傳遞給單片機。而主控單元也會通過檢測結(jié)果，對風機泵和繼電器進行控制。各功能模塊的設(shè)計主控模塊在儲糧質(zhì)量安全檢測系統(tǒng)的設(shè)計中，系統(tǒng)控制器的設(shè)計占據(jù)主要地位。本項目選擇廣泛用于工業(yè)控制的STM公司的單片機STM32F103ZE，是一款高性能、低成本、低功耗的單片機。那么，基于STM32F103ZE的主板是系統(tǒng)主要控制單元，把二氧化碳采集單元和泵驅(qū)動單元設(shè)計在主控板上。主控板拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示?！跸到y(tǒng)主控板上設(shè)計放有六個單刀雙擲、六腳超小型電磁繼電器HK23F-DC5V，用作整個體統(tǒng)的控制單元，控制系統(tǒng)各部分外接設(shè)備的工作與否。終端無線采集模塊該模塊主要由單片機MSP430G2553、溫濕度傳感器、無線傳輸模塊Si4463等組成。利用溫濕度傳感器檢測糧倉內(nèi)各監(jiān)測點的溫濕度，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后溫濕度數(shù)據(jù)通過無線傳送到主控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理。溫度傳感器采用瑞士Sensirion公司的溫濕度傳感器SHT11。該芯片包括溫度和濕度敏感元件、信號放大處理、A/D轉(zhuǎn)換和I2C總線接口。SHT11傳感器電源的工作電壓為2.4-5.5V，采用兩線串行接口。溫度的測量范圍是-40-125度，濕度的測量范圍是0%-100%口仇溫度測量最大誤差0.4度。將SHT11的兩線數(shù)字接口輸出至單片機MSP430G2553。能夠同時采集溫度和濕度數(shù)據(jù)，大大節(jié)約反應(yīng)時間?？紤]到使用環(huán)境的特殊性，糧倉內(nèi)壁可能會比一般建筑物要厚，需要選擇一款穿透性比較好，傳輸距離較遠的無線模塊。選用美國芯科實驗室生產(chǎn)的Si4463芯片，SI4463無線模塊有較高的輸出功率，保證了大范圍和高鏈路性能，芯片中心頻率是433MHz，供電電壓1.8-3.6V，發(fā)射功率20dBm，最大發(fā)射電流92.94mA，接受電流13.915mA。數(shù)據(jù)傳輸采用SPI模式。同時實現(xiàn)了極低的活動和休眠電流消耗。其內(nèi)置天線的多樣性和對跳頻支持可以用于進一步擴大范圍，提高性能，十分適合本系統(tǒng)使用，也有利于后期開發(fā)。圖3為無線傳輸模塊514463、溫濕度采集模塊與單片機電路板連接接口電路圖?！醵趸紳舛炔杉K為了能夠更精準的掌控糧倉內(nèi)部的環(huán)境，除了實現(xiàn)最基礎(chǔ)的溫、濕度監(jiān)測的功能，還接入了氧氣、二氧化碳、磷化氫氣體濃度傳感器。二氧化碳傳感器采用T6615-50KF，NDIR紅外CO2傳感器，雙通道吸入流通式。供電電壓為5V，測量范圍0-50，000ppm。輸出信號為UART波特數(shù)字方式或者0?4V模擬量輸出，本系統(tǒng)選擇了抗干擾性比較強的UART通信方式，模塊的RXD和TXD分別與系統(tǒng)使用電化學氣體傳感器中的原電池型氣體傳感器進行檢測。其基本原理是，利用氧氣的電化學活性進行氧化還原反應(yīng)的程度來檢測氧氣的氣體濃度。使用紅外氣體傳感器來檢測二氧化碳的濃度，因為紅外氣體傳感器具有出色的選擇性，可以通過設(shè)置實現(xiàn)，只檢測固定波長的氣體，而且使用紅外氣體傳感器的信噪比也很高，抗干擾能力強，穩(wěn)定性好，響應(yīng)速度快。二氧化氮模塊模塊的RXD和TXD分別與STM32F103ZET6單片機的串口4的111腳、112腳連接，接口電路如圖4。氣體控制模塊設(shè)計氣體控制主要是通過16個電磁閥來控制，那一路電磁閥導通，主路氣體就通向那一路。電磁閥的驅(qū)動是通過單獨設(shè)計了16路繼電器電路來實現(xiàn)的，控制各路糧倉氣閥的連接與斷開，以便分別對于各路糧倉進行有針對性的測量，實現(xiàn)更有效的控制。繼電器控制板上選用的繼電器型號是SRD-12VDC，具有10A觸點切換功能，且具有一組常開，一組轉(zhuǎn)換觸點形式。圖5為氣體控制模塊拓撲結(jié)構(gòu)圖。開關(guān)電源輸出的12V和5V電源接入驅(qū)動電路板，5V電源經(jīng)過AMS1117穩(wěn)壓模塊的降壓為3.3V給STM8L151單片機供電。12V電源為繼電器供電。通道轉(zhuǎn)換電磁閥為1路主通道和16路分支通道構(gòu)成，若某路通道電磁閥通電則打開此氣體通道，采集此路的二氧化碳或者氧氣的含量。電源模塊本設(shè)計外接220V/50Hz電網(wǎng)交流電壓，通過開關(guān)電源連入系統(tǒng)，給主板和其他模塊提供12V和5V直流電壓。主控板單片機正常工作所需要的電源通過LM1117降壓模塊搭建?！醣鞠到y(tǒng)中使用了一個3.3V的固定電壓輸出模塊以及兩個可變電壓輸出模塊。圖6為主控板電源模塊原理圖。風機泵模塊設(shè)計在整個系統(tǒng)中微型風機泵的驅(qū)動有主控板直接控制。單片機上在程序中實現(xiàn)控制，因其對工作電壓電流要求不是很高，無需大功率驅(qū)動，所以也就通過主控STM32加三極管進行驅(qū)動。系統(tǒng)將微型風機泵與主控板等封裝在機箱內(nèi)。注意風機泵在啟動時會產(chǎn)生一個大電流，注意電磁干擾。我們選用的泵為FKY8006,啟動電流大約5.5A左右，且持續(xù)時間小于30ms，在系統(tǒng)電路板的承受范圍之內(nèi)。風機泵驅(qū)動電路如圖7所示?！跹鯕饧傲谆瘹洳杉K設(shè)計本設(shè)計在系統(tǒng)氣體檢測模塊上分別使用三個不同種類的氣體傳感器，分別對其濃度進行檢測。通過儀器內(nèi)設(shè)采樣泵和外部連接管道，將檢測點的氣體樣本采集，輸送到儀器內(nèi)部進行集中測定。連入單片機，在單片機內(nèi)進行ADC轉(zhuǎn)換，接線非常簡單，單片機只需要捕捉到此模擬信號，然后在CPU里進行轉(zhuǎn)換，再根據(jù)單片機的數(shù)據(jù)位數(shù)和基準電壓值，就可以換算出得到氣體濃度的實際含量。其氧氣采集的檢測模塊電路圖如下圖8所示，由高精度運放LT6003對信號進行放大，用恒壓源TL431輸出1.6V基準源為運放供電。放大的信號通過STM32F103的27腳進行AD轉(zhuǎn)換。磷化氫數(shù)據(jù)的采集采用標準4-20mA模擬量輸出的三線制傳感器。其模塊與主電路接口如下圖9所示。檢測流程的設(shè)計本設(shè)計系統(tǒng)中單片機用的是STM32F103ZE，適用的編譯器為Keil5,在硬件仿真時使用JTAG。主要系統(tǒng)流程如圖10所示。□本系統(tǒng)的下位機部分主要包括一系列在線檢測儀器，檢測項目包括溫度、濕度、CO2和磷化氫。CO2和磷化氫檢測是通過儀器內(nèi)設(shè)采樣泵和外部連接管道，將檢測點的氣體樣本采集，輸送到儀器內(nèi)部進行集中測定。溫濕度是在各采樣頭，預設(shè)溫濕度傳感器，通過無線傳輸方式檢測?！跸挛粰C儀器的自行檢測功能有兩種，其一是可以通過定期檢測，如10d?30d,可自由設(shè)定。其二是實時監(jiān)控，一般1h或24h,可根據(jù)需要進行設(shè)定。其檢測順序為：啟動檢測程序一檢測各點溫濕度值一打開采樣泵一進行各檢測點CO2、氧氣和磷化氫氣體檢測?！踉谛畔⑼ㄓ嵑腿藱C交互方面，下位機設(shè)有與上位機的有線和無線連接接口，可與控制中心進行信息傳輸。其基本操作可通過按鍵和觸摸屏來實現(xiàn)。用戶對屏幕的一些基本操作也可以通過一些代碼的設(shè)定，發(fā)送給單片機，從而完成雙機對話，有利于后期工人使用及檢修。系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置參照點一般為儀器檢測點零號。參照點的溫度值是進行計算的重要的依據(jù)，系統(tǒng)以參照點的二氧化碳和磷化氫檢測值的大小作為糧倉能否安全進入依據(jù)，當二氧化碳或磷化氫達到某值以上，儀器外接的警示燈由綠變紅，表示不安全。在系統(tǒng)源代碼中可存一個預設(shè)標準參數(shù)設(shè)定及修改窗口，可根據(jù)現(xiàn)場情況的需要，可進行SSI（安全指數(shù)）、MMI（遷移指數(shù)）、臨界點（CP）、潛在點（PP）和磷化氫PH3點的設(shè)定和更改。設(shè)定內(nèi)容如下：SSI值設(shè)定（判定依據(jù)：CO2檢測結(jié)果）：□W800ppm1級□801?3010ppm2級□30n?5010ppm3級□250nppm4級□潛在問題點（CP）：22000ppm□MMI值^定（判定依據(jù)：環(huán)境溫度與檢測點溫度差值的絕對值）：□W5.0℃1級□5.1?8.0℃2級□8.1?12.0℃3級□212.1℃4級潛在潛在點（PP）：28.0℃□5結(jié)語系統(tǒng)能對糧倉內(nèi)溫濕度及各種氣體含量進行檢測，并將其顯示在觸摸屏上。而通過觸摸屏的控制，可以對初始值的設(shè)定與修改，可以分別控制各路風機泵，可以對目標糧倉內(nèi)氣體抽取通過氣體傳感器進行檢測。檢測的結(jié)果也可以存貯在系統(tǒng)配置的SD卡內(nèi)，以便后期隨時進行提取與調(diào)查。系統(tǒng)新增加了對空氣中三種氣體含量的檢測，彌補了市場上檢測裝置的不足，投入使用可提高糧倉的安全性。另外溫度和濕度數(shù)據(jù)則通過433M系列無線模塊傳輸數(shù)據(jù)，不需要人工進入糧倉進行測量，很大程度上節(jié)省了人力。此外，系統(tǒng)還具有穩(wěn)定性好、易于維修和高效的