基于單片機(jī)的糧倉遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1緒論

1.1 課題研究背景及意義

中國自古以來就是一個(gè)大國，地大物博，特別是新中國成立以來，糧食的產(chǎn)量屢創(chuàng)新高，但是中國也是一個(gè)人口大國，人口達(dá)14億位居世界第一[1]。我國以占世界不到10%的耕地面積養(yǎng)活了世界將近22%的人口，因此糧食的儲(chǔ)備問題備受世界各國的關(guān)注[2]。

為了保障國家的糧食安全，需要對(duì)糧食存儲(chǔ)保存以備不時(shí)之需，糧食的存儲(chǔ)方式主要是通過各地的糧庫對(duì)糧食進(jìn)行長期或短期的存放[3]。但是，由于糧倉的存儲(chǔ)環(huán)境變化，蟲害的存在等因素，給糧食的存儲(chǔ)帶來一些挑戰(zhàn)：（1）糧倉中較高的溫濕度會(huì)對(duì)糧倉中糧食的存儲(chǔ)產(chǎn)生不良的影響，糧食會(huì)發(fā)生霉變，同時(shí)也容易導(dǎo)致糧食在存儲(chǔ)過程中產(chǎn)生害蟲[4]。（2）糧倉內(nèi)的氣體成分與其他環(huán)境相比比較復(fù)雜。首先,糧食想要進(jìn)入糧倉內(nèi)，必定要經(jīng)過各種的科學(xué)儲(chǔ)藏技術(shù)處理，而藥物熏蒸就是其中的一種，熏蒸后所保留的氣體則會(huì)停留在整個(gè)糧倉內(nèi)；其次，糧食中殘留的害蟲和微生物通過呼吸釋放的氣體也會(huì)留在整個(gè)糧倉里；（3）如果谷物發(fā)霉，揮發(fā)性氣體也混合在空氣中。由此看來，糧倉內(nèi)的氣體成分較為復(fù)雜，如遇到高溫、明火時(shí)可能會(huì)對(duì)儲(chǔ)糧造成危害，因此需要在糧倉內(nèi)配置氣體濃度傳感器[5]。

雖然糧食儲(chǔ)備的狀況在接連不斷的改善中，但其改善效果并不顯著[6]。最原始的儲(chǔ)備方式已經(jīng)占據(jù)了全國百分之八十以上的百分比，甚至人工檢測這種原始方法仍在使用，這樣的非智能化方法對(duì)糧食的溫度、濕度以及害蟲的存在情況不能夠及時(shí)的發(fā)現(xiàn)，會(huì)產(chǎn)生糧食質(zhì)變，劣化等嚴(yán)重后果[7]。如若能夠?qū)崿F(xiàn)糧倉的溫度、濕度等信息的自動(dòng)監(jiān)測，并及時(shí)將信息傳遞到PC端、手機(jī)終端，讓監(jiān)管人員無論在何地都能直觀清晰的看到各個(gè)地方糧倉內(nèi)部情況[8]。同時(shí)也可以及時(shí)對(duì)糧倉采取措施，避免造成損失，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)在一處對(duì)不同地區(qū)的糧倉進(jìn)行管理，從而使得糧倉向著更智能化、自動(dòng)化、現(xiàn)代化方向發(fā)展。

結(jié)合以上問題，本文將無線通信技術(shù)運(yùn)用到糧情監(jiān)控系統(tǒng)中，提出一種基于NRF24L01無線通信技術(shù)的糧倉溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，以便對(duì)糧倉中的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和控制，方便、快捷且容易維護(hù)。可大量節(jié)省人力、物力，提供了有效的管理手段。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.2.1 國外研究現(xiàn)狀

在國外，早在上世紀(jì)60年代，就有人研究利用糧食監(jiān)測系統(tǒng)來保障糧食的安全儲(chǔ)藏?；裟犴f爾國際的工程師 Hughes等使用氨化鋰Dunmore型元素法快速測定小麥面粉的水分，將溫濕度傳感器插入測量樣品中，再由之前建立的等溫關(guān)系曲線得到樣品含水率[9]。結(jié)果表明，在含水率為10%～15%的范圍內(nèi)，測量精度可達(dá)0.2%。1976年，William T. Eng發(fā)明了美國糧倉的電子溫度監(jiān)視器[10]。它通過選用多個(gè)硅二極管，在糧倉內(nèi)按一定的規(guī)律進(jìn)行排列，通過電纜與外部監(jiān)控單元相連。顯示單元可顯示各點(diǎn)的溫度值。該裝置在這些功能之外，還具有自動(dòng)報(bào)警的功能，當(dāng)其中一個(gè)傳感器檢測的溫度達(dá)到或超過預(yù)設(shè)值時(shí)，就會(huì)啟動(dòng)報(bào)警功能。

近幾年，國外農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國家對(duì)于糧倉的蟲害、粉塵以及揮發(fā)性氣體等的檢測已經(jīng)有很大的進(jìn)展。加拿大的許多糧食研究項(xiàng)目一直處于世界領(lǐng)先地位，擁有多達(dá)19個(gè)糧食研究所。

2015年，阿肯色大學(xué)助理教授格里菲斯·阿通古盧（Griffiths atungulu）提出了一種基于平衡水分含量（EMC）的新型布線和傳感器技術(shù)，可以準(zhǔn)確評(píng)估稻米品質(zhì)，包括稻米產(chǎn)量（Mry）、稻米產(chǎn)量（Hry）、稻米顏色和粘度，利用傳感器測量空氣環(huán)境和溫濕度，能有效監(jiān)測真菌毒素特別是黃曲霉毒素的產(chǎn)生[11]。

糧倉環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展既獨(dú)立于無線通信技術(shù)的發(fā)展，也獨(dú)立于傳感器技術(shù)的進(jìn)步。雖然目前有線監(jiān)控仍是主流，但從長遠(yuǎn)來看，無線檢測技術(shù)是未來監(jiān)控技術(shù)的選擇和發(fā)展趨勢(shì)[12]。

1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前與國外相比，國內(nèi)研究和應(yīng)用還存在較大差距。在我國的糧倉管理中，更多的還是利用人工方法來對(duì)糧倉進(jìn)行監(jiān)控和管理，這種方法不僅速度比較慢，還具有很大的不穩(wěn)定性。在人工檢測過程中，不僅回造成了大量的谷物損失，而且在檢測中也會(huì)大量的花費(fèi)成本和時(shí)間[13]。

2015年，在《基于ZigBee的智能糧倉溫度監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)》中，作者范娜設(shè)計(jì)了一個(gè)由感知層、傳輸層和應(yīng)用層三部分組成的監(jiān)控系統(tǒng)[14]。它具有短程、復(fù)雜程度低、功率損耗低、數(shù)據(jù)傳輸速率低、良好的無線接收靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。它的缺點(diǎn)是收集的數(shù)據(jù)種類少，缺乏數(shù)據(jù)分析進(jìn)行綜合管理。

2017年，筆者翟瑤在《糧倉無線溫濕度傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)》中，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于51單片機(jī)的五部分組成的監(jiān)控系統(tǒng)[15]。通過溫濕度傳感器來對(duì)糧倉的溫度和濕度進(jìn)行檢測，再將采集到的數(shù)據(jù)通過無線傳輸傳輸?shù)缴蠈庸?jié)點(diǎn)。接收端通過USB接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂平K端進(jìn)行處理，在接收端或控制終端進(jìn)行顯示和控制終端的數(shù)據(jù)通信與處理。它充分利用軟件編程的優(yōu)點(diǎn)，使元件精度不夠引起的誤差大大降低。這種設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是功能單一。

2018年，作者郝勝華、陳艷杰在《基于單片機(jī)的糧倉無線溫濕度檢測系統(tǒng)》中設(shè)計(jì)，通過溫濕度傳感器和無線收發(fā)模塊傳輸溫濕度，并通過報(bào)警系統(tǒng)有效防止溫濕度過高或過低，采用LCD1602液晶顯示器進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，實(shí)現(xiàn)了糧倉溫濕度無線檢測的目的，能有效防止糧倉溫濕度的產(chǎn)生[16]。但該設(shè)計(jì)缺乏報(bào)警措施，安全性不高。

2019年，筆者徐爽在《基于單片機(jī)糧倉溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)》中基于MSP430設(shè)計(jì)，利用GSM無線通信技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)或手機(jī)的遠(yuǎn)程通信，及時(shí)掌握和控制糧倉溫濕度，糧倉管理方式將逐步實(shí)現(xiàn)智能化、集成化[17]。此外，還具有報(bào)警功能、顯示功能和執(zhí)行功能，便于人員管理和操作。這種設(shè)計(jì)雖然考慮了功能的多樣性，但通風(fēng)設(shè)備不能靈活調(diào)用，只能根據(jù)設(shè)定的閾值進(jìn)行開關(guān)。

2019年，作者李明澤、李一濤、胡凱、石夏、祿玉蘭在《基于52單片機(jī)的智能糧倉火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)》[18]。它采用ADC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，LCD1602顯示屏，煙霧，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了溫度傳感器等組件對(duì)糧倉火災(zāi)的各種特性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，從而滿足生產(chǎn)對(duì)火災(zāi)報(bào)警的要求，而且系統(tǒng)成本相對(duì)較低，生產(chǎn)操作簡單，很好的實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)報(bào)警功能，具有很好的應(yīng)用和實(shí)用價(jià)值。這種設(shè)計(jì)雖然符合推廣的要求，但不能及時(shí)反映糧倉的情況?；馂?zāi)發(fā)生后不易立即發(fā)現(xiàn)并立即采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施，缺乏一定的安全性。

綜上所述,糧倉監(jiān)測系統(tǒng)中人工預(yù)測過多、結(jié)構(gòu)過于簡單、功能單一、成本過高、監(jiān)控點(diǎn)布線繁瑣、不能依據(jù)特殊環(huán)境變化而設(shè)計(jì)監(jiān)測閾值，當(dāng)監(jiān)測不及時(shí)都會(huì)帶來不小的損失，所以設(shè)計(jì)一種更加智能、可靠、高效的糧倉監(jiān)控系統(tǒng)是很有必要的。

1.2.3 研究現(xiàn)狀綜述

為了解決糧食在存儲(chǔ)過程中發(fā)生不必要的損失為主，國內(nèi)外都展開了相關(guān)的研究。國外進(jìn)展很快并且保持相對(duì)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在測溫、報(bào)警、蟲霉、粉塵等方向具有領(lǐng)先的地位。如今有線傳感逐漸被無線傳感取代，這個(gè)趨勢(shì)正在慢慢加大。國外在這個(gè)方面也投入大量的精力、財(cái)力、人力，而國內(nèi)雖然起步較晚，而且還存在人工檢測導(dǎo)致谷物損失的現(xiàn)象，但是科研人員以及廣大從事這方面的工作人員都在致力開發(fā)糧食數(shù)據(jù)監(jiān)測的有關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)?？偟膩碚f國內(nèi)外對(duì)糧食監(jiān)測分以下幾點(diǎn)。

（1）國內(nèi)外都以糧倉環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的總體在以實(shí)際的生產(chǎn)生活中對(duì)糧倉進(jìn)行監(jiān)控為目的，努力提高監(jiān)測水平為需求。

（2）國內(nèi)外糧倉環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的采集部分適應(yīng)需求方便為分散采集，而后便于采集數(shù)據(jù)集中處理與分析。

（3）國內(nèi)外糧倉環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的測試從開始的有線通信走向無線通信，通信距離增大、采集節(jié)點(diǎn)功耗以及整體樣機(jī)的綜合性運(yùn)行和試驗(yàn)系統(tǒng)的可行性提高。因此本設(shè)計(jì)在考慮各方面等因素設(shè)計(jì)一種可靠的糧食監(jiān)測系統(tǒng)。

1.3 主要研究內(nèi)容

現(xiàn)場采集終端進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)的采集，經(jīng)過處理后發(fā)送給控制終端，與控制終端程序中的設(shè)定閾值進(jìn)行對(duì)比。當(dāng)大于設(shè)定閾值后，聲光報(bào)警并且顯示頁面提示，并且對(duì)現(xiàn)場采集終端的風(fēng)機(jī)控制，達(dá)到降溫通風(fēng)的作用。

系統(tǒng)硬件功能介紹如下：

（1）溫濕度反饋功能：采用DHT11模塊采集環(huán)境溫度和濕度的數(shù)據(jù)；

（2）煙霧反饋功能：采用MQ-2模塊采集環(huán)境煙霧氣體濃度數(shù)據(jù)[19]；

（3）顯示功能：采用0.96寸IIC通信協(xié)議、分辨率為128X64的OLED屏顯示各模塊數(shù)據(jù)；

（4）無線通信功能：采用SPI通信協(xié)議的無線模塊NRF24L01進(jìn)行上現(xiàn)場采集終端的通信[20]；

（5）報(bào)警功能：采用有源蜂鳴器、LED燈進(jìn)行聲光報(bào)警；

（6）閾值設(shè)定功能：采用輕觸開關(guān)進(jìn)行按鍵觸發(fā)調(diào)整閾值參數(shù)；

（7）降溫通風(fēng)功能：采用5V直流電機(jī)模擬風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)；

從符合本設(shè)計(jì)功能要求出發(fā)，考慮性價(jià)比、成本、安全、實(shí)用性、功能多樣性等方面因素，確定以上功能實(shí)現(xiàn)方案。

2糧倉遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件分為控制終端和現(xiàn)場采集終端倆個(gè)部分，采用無線模塊為倆個(gè)部分的無線通信樞紐。以單片機(jī)為核心，依據(jù)采集的多路溫濕度、煙感的數(shù)據(jù)進(jìn)行聲光的報(bào)警，相關(guān)數(shù)據(jù)的顯示。如圖2.1系統(tǒng)框架圖所示。

圖2.1系統(tǒng)框架圖

2.2 設(shè)計(jì)方案的選擇

2.2.1 單片機(jī)的選擇

微處理器在整個(gè)系統(tǒng)都處于舉足輕重的地位，它不僅影響整個(gè)系統(tǒng)的性能，也決定著整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)難度。

單片機(jī)是一種集成電路芯片，如何選擇單片機(jī)有以下方案。

方案一：目前市場上廣泛采用STC公司生產(chǎn)的8051核微處理器。與STC89C52相比，它是新一代增強(qiáng)型微處理器。該指令碼與傳統(tǒng)的8051完全兼容，速度快了8到12倍，還有良好的加密性和較強(qiáng)的抗干擾性。

方案二：Tms370和MSP430系列由德州儀器公司生產(chǎn)。Tms370是一種8位CMOS微處理器，具有多種存儲(chǔ)模式和外圍接口模式，特別適用于復(fù)雜的實(shí)時(shí)控制情況；MSP430系列微處理器是一種功率損耗低、功能集成度高的16位微控制器。與Tms370系列微處理器相比，它基本上都是在低停電的情況下使用。

方案三：意法半導(dǎo)體研發(fā)生產(chǎn)的STM32系列基于ARM架構(gòu)的嵌入式單片機(jī)，功能強(qiáng)大、功耗低等。

STC微控制器的加密性強(qiáng)，解密或破解困難；抗干擾能力強(qiáng)；低功耗。MSP430是一款16位微處理器，運(yùn)行速度快，具有豐富的集成資源和兩組具有中斷功能的公共I/O端口；但是由于工作電壓只有3.3V，對(duì)于很多5V的系統(tǒng)來說，接口電路就比較麻煩，如果沒有保護(hù)電路的話，會(huì)損壞二極管和電路元件。STM32嵌入式單片機(jī)是前面8位機(jī)、16位機(jī)的升級(jí)版，各項(xiàng)功能進(jìn)行了加強(qiáng)、增加了許多外設(shè)功能，但是價(jià)格比傳統(tǒng)的STC單片機(jī)貴。

根據(jù)系統(tǒng)控制要求、性價(jià)比、實(shí)用性等因素，最終選用了STC公司生產(chǎn)的STC15W4K32S4微處理器。STC15W4K32S4微處理器安全可靠，低耗電。采用STC的第9代加密技術(shù)，命令代碼和以往的8051微處理器可以共用，但他的速度是8051微處理器的8倍到12倍，省去了昂貴的外接晶振和外接復(fù)位電路。它集成了8路10位PWM和8路高速10位ADC通道，不需要外部ADC芯片就可以采集MQ-2有害氣體檢測傳感器的信息。該功能完全滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2.2 STC15W4K32S4芯片圖(LQFP形式)

2.2.2 通信模塊的選擇

方案一：NRF24L01無線傳感器模塊是一種無線通信的芯片，工作的頻率為2.4GHz。它采用GFSK調(diào)制，集成了Nordic的Enhanced Shock Burst協(xié)議。通信速度高達(dá)2Mbps，內(nèi)部信號(hào)放大電路使模塊在開放區(qū)域的數(shù)據(jù)傳輸距離達(dá)到1km以上。它提供了標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口，方便了與單片機(jī)的接口，結(jié)合模擬控制終端的按鍵等部分，實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場采集終端的遠(yuǎn)程無線控制。

方案二：Wi-Fi模塊又稱串行Wi-Fi模塊，屬于物聯(lián)網(wǎng)傳輸層。它將串行接口或TTL層轉(zhuǎn)換為符合非FIO網(wǎng)絡(luò)通信模式的嵌入式模塊，并具有嵌入式無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IEEE802.11b.G。N協(xié)議棧和TCP/IP協(xié)議棧，傳統(tǒng)的硬件設(shè)備配備了WLAN模塊，可以直接使用Wi-Fi接入互聯(lián)網(wǎng)。

根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，傳輸距離要遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)傳輸速率快，在這里選擇方案一，采用NRF24L01無線傳感器模塊。見圖2-3。

圖2.3 NRF24L01

2.2.3 降壓模塊的選擇

方案一：線性穩(wěn)壓芯片--AMS1117-3.3，AMS117-3.3是一個(gè)低分辨率穩(wěn)壓器，用于輸出電壓為3.3V的前端，AMS1117穩(wěn)壓率高、設(shè)計(jì)簡單，維護(hù)維修不方便。

方案二：開關(guān)電源芯片--LM2596-3.3，同樣是一種輸出電壓為3.3V的穩(wěn)壓器。對(duì)比線性電源，它的體積和質(zhì)量只有它的20～30%，但是效率高設(shè)計(jì)復(fù)雜，維護(hù)維修不方便。

考慮到在保證功能實(shí)現(xiàn)情況的下降低設(shè)計(jì)難度，選擇方案一，見圖2.4。

圖2.4 AMS1117-3.3

2.2.4 顯示模塊的選擇

根據(jù)系統(tǒng)的要求，以及功能的實(shí)現(xiàn)，能夠準(zhǔn)確顯示實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)，操作簡單。界面能夠人性化。在這里我們有很多的選擇：

方案一：選擇數(shù)碼管。數(shù)碼管是根據(jù)LED燈按數(shù)字形狀擺放而成的一款電子產(chǎn)品。數(shù)碼管占用的I/O口多，一次性顯示的數(shù)據(jù)需要多個(gè)數(shù)碼管，當(dāng)然也有多位一體的數(shù)碼管，但是給占用整個(gè)系統(tǒng)資源較多。

方案二：選擇OLED顯示屏。在現(xiàn)有的市場上OLED屏一般有SPI、IIC通信的兩款。OLED顯示屏功耗小，體積小，占用I/O口少，分辨率為128x64，滿足顯示多組數(shù)據(jù)。

方案三：選擇液晶LCD1602，驅(qū)動(dòng)程序簡單，但是缺點(diǎn)就是體積大，占用引腳多，同時(shí)不能顯示漢字。

方案四：選擇液晶LCD12864。液晶12864數(shù)據(jù)連接在占用單片機(jī)I/O口增加電路難度，體積大。

在這里考慮到降低硬件電路設(shè)計(jì)難度，選擇方案二。見圖2.4所示。

圖2.5 OLED

2.2.5 溫濕度模塊的選擇

溫度濕度傳感器是常用的傳感器之一，即通過一定的測量儀器測量空氣中的溫度和濕度，測量溫度和濕度，根據(jù)某些特定規(guī)律轉(zhuǎn)換為電信號(hào)或其他輸出信息，在很多行業(yè)中都有應(yīng)用。

方案一：接觸式。接觸式溫度傳感器的檢測部分與被測物體接觸良好，也可以叫溫度計(jì)。導(dǎo)電或?qū)α?，使溫度?jì)的值直接反映被測物體的溫度和濕度，一般來說測量精度較高，在一定的溫度和濕度允許范圍內(nèi)，也可以測量接觸物體里面的溫度和濕度的分布。然而，微小的目標(biāo)或低熱容物體將受到重大的測量誤差。

方案二：非接觸式。其敏感元件與物體不接觸，稱為非接觸式溫度計(jì).該儀器可用于測量運(yùn)動(dòng)物體的表面溫度，小目標(biāo)和熱容或快速（瞬時(shí)）體溫變化，以及溫度場的溫度分布。

那么在這里選擇方案二，使用非接觸式的溫濕度傳感器DHT11。

圖2.6 DHT11

2.2.6 煙霧傳感器的選擇

方案一：離子型煙霧傳感器。它是一種十分發(fā)達(dá)、穩(wěn)定并且可靠性高的傳感器技術(shù)，在許多火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)有應(yīng)用到了離子感煙傳感器，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氣敏火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。

方案二：煙霧傳感器。煙霧傳感器能夠檢測固定氣體，主要包括半導(dǎo)體氣體傳感器和接觸式氣體傳感器。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在這里選擇方案二。使用氣敏式煙霧傳感器MQ-2。

圖2.7 MQ-2

2.2.7 報(bào)警模塊的選擇

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，按鍵需要有提示音，那么可以選擇單片機(jī)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。對(duì)于蜂鳴器的選擇有倆種方案。

方案一：無源蜂鳴器。顧名思義，沒有震源，不能由恒定信號(hào)引起，因此需要使用2K-5K方波，這就增加了編程的難度。

方案二：有源蜂鳴器。顧名思義，有一個(gè)內(nèi)部震蕩源，可以由直流信號(hào)驅(qū)動(dòng)，雖然價(jià)格比無源蜂鳴器貴，但它符合設(shè)計(jì)。

雖然兩者價(jià)格不同，有源蜂鳴器比無源蜂鳴器貴，因?yàn)槔锩嬗袀€(gè)震蕩電路，所以它更符合設(shè)計(jì)要求。因此選擇方案二，見圖2.8所示。

圖2.8有源蜂鳴器

2.2.8 風(fēng)機(jī)型號(hào)的選擇

按照工作電源的種類可以劃分設(shè)計(jì)方案，如下：

方案一：直流電動(dòng)機(jī)，它可以直接將直流電轉(zhuǎn)變成機(jī)械能。它擁有良好的調(diào)速性能。

方案二：交流電機(jī)，它能將交流電的電能直接轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。交流電動(dòng)機(jī)主要由定子繞組和旋轉(zhuǎn)電樞或轉(zhuǎn)子組成，電機(jī)是由磁場中通過電流線圈的力旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象制成的。

那么根據(jù)系統(tǒng)本身，顯然選擇方案一。

同時(shí)考慮的直流電機(jī)也分為無刷和有刷前者優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)行聲音小、無火花、壽命長、速度高。后者結(jié)構(gòu)簡單運(yùn)行平穩(wěn)，啟停動(dòng)效果好、控制精度高。綜合考慮。為了提高用戶的體驗(yàn)高，選擇了直流無刷電機(jī)，見圖2.9所示。

圖2.9 5v直流無刷的電機(jī)

3糧倉遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是以STCW15W4K32S4單片機(jī)控制中心，主要通過現(xiàn)場采集終端控制溫度傳感器DHT11得到的溫度以及煙霧傳感器MQ-2得到的空氣中有害氣體濃度，處理數(shù)據(jù)后上傳給控制終端，判斷是否超過設(shè)定好的安全閾值以此控制電風(fēng)扇的開關(guān)、轉(zhuǎn)速的變化、蜂鳴器以及LED工作?？刂平K端OLED實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場采集終端采集得來的數(shù)據(jù)系統(tǒng)總體電路圖如圖4.2所示。見圖3.1控制終端電路圖所示。

圖3.1 控制終端電路圖

那么為了更好的實(shí)現(xiàn)糧倉管理，有三路檢測溫濕度、煙霧。實(shí)時(shí)檢測處理，同樣通過無線傳感器與控制終端建立通信。當(dāng)上電時(shí)，控制指令來自控制終端并且接受數(shù)據(jù)，現(xiàn)場采集終端只做數(shù)據(jù)的采集和接受控制指令。根據(jù)采集的數(shù)據(jù)一旦超過閾值時(shí)發(fā)送風(fēng)機(jī)的控制指令，來控制現(xiàn)場采集終端風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)。見圖3.2現(xiàn)場采集終端電路圖所示。

圖3.2現(xiàn)場采集終端電路圖

3.2 主要硬件電路設(shè)計(jì)

3.2.1 控制核心電路設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)溫度控制時(shí)，控制核心為STC15W4K32S4單片機(jī)，采用8位單片機(jī)。

有38個(gè)IO端口包含32K閃存進(jìn)程內(nèi)存。它適用于電的即時(shí)擦除和重寫、呼吸酒精測試、人體呼吸氣味測試等。而且價(jià)格便宜，可以不需要接外部晶振電路以及復(fù)位電路。具體步驟：（1）使用ISP程序燒錄軟件設(shè)定主頻頻率為11.0592Mhz；（2）按鍵一端連接P5.4口（復(fù)位引腳），一端連接VCC。STC15W4K32S4單片機(jī)設(shè)計(jì)電路如下圖3.3所示。

圖3.3主控制電路圖

3.2.2 通信模塊電路設(shè)計(jì)

如圖3.4所示，NRF24L01是一款獨(dú)特的非FIO收發(fā)芯片，工作在2.4~2.5GHz的ISM頻段，通信是通過SPI協(xié)議進(jìn)行通訊的，也通過STC15單片機(jī)提供的SPI接口進(jìn)行的。此外還要特別注意的就是NRF24L01的供電范圍在1.9V-3.6V，因此外圍電路使用ASM1117穩(wěn)壓芯片，提供3.3V的電源?？刂平K端2.4G連接單片機(jī)的P4.5（CE）、P2.7(SCK)、P2.6（MISO）、P2.5(IRQ)、P2.4(MOSI)、P2.3（CSN），現(xiàn)場采集終端與控制終端2.4G連接單片機(jī)的引腳一致，方便后續(xù)的調(diào)試。

圖3.4 NRF24L01電路圖

3.2.3 顯示電路設(shè)計(jì)

如圖3.5所示，控制終端采用顯示模塊為IIC通信協(xié)議的OLED屏幕，因此可以直接連接STC15單片機(jī)含有IIC端口的I/O口來實(shí)現(xiàn)通信?；蛘咧苯硬捎密浖M的方式，這樣引腳的選擇就不局限與只有含IIC外設(shè)的端口了。在本系統(tǒng)中選擇模擬的方式，連接單片機(jī)P3.3（SCL）、P3.4（SDA）。

圖3.5 OLED顯示電路圖

3.2.4 降壓電路設(shè)計(jì)

如圖3.6所示，NRF24L01的供電范圍在1.9V-3.6V，因此在5V輸入電源后加上3.3穩(wěn)壓電路，采用Ams1117-3.3調(diào)壓芯片提供3.3V電源，并在進(jìn)出口兩側(cè)增加濾波電容以保證穩(wěn)定性。

圖3.6 AMS1117-3.3V降壓電路圖

3.2.5 溫濕度模塊電路的設(shè)計(jì)

DHT11模塊是一種非常常見的溫度和濕度傳感器模塊，采用單總線通信方式，連接控制終端單片機(jī)的一個(gè)I/O口即可接收采集信號(hào)以及發(fā)送采集數(shù)據(jù)，采用電源模塊5V電源供電，分別連接單片機(jī)的P1.3、P1.4、P1.6口。如下圖3.7所示。

圖3.7多路溫濕度傳感器電路圖

4糧倉遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 主程序流程

如圖4.1所示，系統(tǒng)通電后，程序初始化。各個(gè)模塊分配的微處理器資源寄存器以及變量復(fù)位。當(dāng)穩(wěn)定后，處理器收集模塊采集外界的數(shù)據(jù)并運(yùn)算處理，經(jīng)過NRF24L01無線傳感器模塊把數(shù)據(jù)由現(xiàn)場采集終端發(fā)送到控制終端。現(xiàn)場采集終端的無線通信模塊的要調(diào)整在發(fā)送模式，及時(shí)的把傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送給控制終端，而控制終端的無信通信模式調(diào)整在接收模式，及時(shí)接收傳感器的數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理后顯示在OLED上。

圖4.1主程序流程圖

4.2 無線通信子程序

如圖4.2所示，NRF24L01無線傳感器使用前，需要編程設(shè)置好通信地址，數(shù)據(jù)包位寬以及發(fā)送接收的內(nèi)容，模塊收發(fā)模式，經(jīng)過一系列初始化后，發(fā)送現(xiàn)場采集終端的處理好的數(shù)據(jù)給控制終端，同時(shí)現(xiàn)場采集終端也隨時(shí)準(zhǔn)備接收控制終端的指令進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。模塊的收發(fā)模式要及時(shí)切換，提高數(shù)據(jù)的通信成功率。

圖4.2無線通信子程序

4.3 顯示子程序

如圖4.3所示，OLED顯示屏采用IIC通信協(xié)議，對(duì)通信的I/O配置為準(zhǔn)雙向口模式，模擬IIC的時(shí)序，通過讀寫字節(jié)進(jìn)行初始化的通信，成功通信后，顯示基本的字符串，實(shí)時(shí)接收來微處理器處理過后的顯示數(shù)據(jù)，更新在顯示屏上。

圖4.3顯示子程序

4.4 溫濕度子程序

如圖4.4所示，DHT11是單總線協(xié)議，對(duì)I/O口進(jìn)行準(zhǔn)雙向口設(shè)置，首先進(jìn)行通信初始化，再連續(xù)的接收模塊采集的溫濕度數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)在數(shù)組中，待到要顯示時(shí)，從數(shù)組里面取出來，分別對(duì)每一位進(jìn)行精準(zhǔn)的顯示。