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1緒論
1.1 課題研究背景及意義
中國自古以來就是一個大國，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，需要對糧食存儲保存以備不時之需，糧食的存儲方式主要是通過各地的糧庫對糧食進(jìn)行長期或短期的存放[3]。但是，由于糧倉的存儲環(huán)境變化，蟲害的存在等因素，給糧食的存儲帶來一些挑戰(zhàn)：（1）糧倉中較高的溫濕度會對糧倉中糧食的存儲產(chǎn)生不良的影響，糧食會發(fā)生霉變，同時也容易導(dǎo)致糧食在存儲過程中產(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停留在整個糧倉內(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留在整個糧倉里；（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、明火時可能會對儲糧造成危害，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糧食的溫度、濕度以及害蟲的存在情況不能夠及時的發(fā)現(xiàn)，會產(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、濕度等信息的自動監(jiān)測，并及時將信息傳遞到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地方糧倉內(nèi)部情況[8]。同時也可以及時對糧倉采取措施，避免造成損失，同時也可以實現(xiàn)在一處對不同地區(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)實現(xiàn)方案，以便對糧倉中的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集和控制，方便、快捷且容易維護(hù)?？纱罅抗?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藏。霍尼韋爾國際的工程師 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的溫度值。該裝置在這些功能之外，還具有自動報警的功能，當(dāng)其中一個傳感器檢測的溫度達(dá)到或超過預(yù)設(shè)值時，就會啟動報警功能。
近幾年，國外農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國家對于糧倉的蟲害、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目一直處于世界領(lǐng)先地位，擁有多達(dá)19個糧食研究所。
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)展既獨立于無線通信技術(shù)的發(fā)展，也獨立于傳感器技術(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[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，而且在檢測中也會大量的花費成本和時間[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》中，作者范娜設(shè)計了一個由感知層、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》中，設(shè)計了一個基于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。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，使元件精度不夠引起的誤差大大降低。這種設(shè)計的缺點是功能單一。
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，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)行實時動態(tài)顯示，實現(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)計缺乏報警措施，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》中基于MSP430設(shè)計，利用GSM無線通信技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)實現(xiàn)與PC機(jī)或手機(jī)的遠(yuǎn)程通信，及時掌握和控制糧倉溫濕度，糧倉管理方式將逐步實現(xiàn)智能化、集成化[17]。此外，還具有報警功能、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)報警系統(tǒng)設(shè)計》[18]。它采用ADC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，LCD1602顯示屏，煙霧，設(shè)計并實現(xiàn)了溫度傳感器等組件對糧倉火災(zāi)的各種特性進(jìn)行實時監(jiān)測，從而滿足生產(chǎn)對火災(zāi)報警的要求，而且系統(tǒng)成本相對較低，生產(chǎn)操作簡單，很好的實現(xiàn)了火災(zāi)報警功能，具有很好的應(yīng)用和實用價值。這種設(shè)計雖然符合推廣的要求，但不能及時反映糧倉的情況?；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)控點布線繁瑣、不能依據(jù)特殊環(huán)境變化而設(shè)計監(jiān)測閾值，當(dāng)監(jiān)測不及時都會帶來不小的損失，所以設(shè)計一種更加智能、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的技術(shù)優(yōu)勢，在測溫、報警、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，這個趨勢正在慢慢加大。國外在這個方面也投入大量的精力、財力、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?？偟膩碚f國內(nèi)外對糧食監(jiān)測分以下幾點。
（1）國內(nèi)外都以糧倉環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的總體在以實際的生產(chǎn)生活中對糧倉進(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)點功耗以及整體樣機(jī)的綜合性運行和試驗系統(tǒng)的可行性提高。因此本設(shè)計在考慮各方面等因素設(shè)計一種可靠的糧食監(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)行對比。當(dāng)大于設(shè)定閾值后，聲光報警并且顯示頁面提示，并且對現(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）報警功能：采用有源蜂鳴器、LED燈進(jìn)行聲光報警；
（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)運行狀態(tài)；
從符合本設(shè)計功能要求出發(fā)，考慮性價比、成本、安全、實用性、功能多樣性等方面因素，確定以上功能實現(xiàn)方案。
2糧倉遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計
2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計硬件分為控制終端和現(xiàn)場采集終端倆個部分，采用無線模塊為倆個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)計方案的選擇
2.2.1 單片機(jī)的選擇
微處理器在整個系統(tǒng)都處于舉足輕重的地位，它不僅影響整個系統(tǒng)的性能，也決定著整個系統(tǒng)的設(shè)計開發(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，具有多種存儲模式和外圍接口模式，特別適用于復(fù)雜的實時控制情況；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)的升級版，各項功能進(jìn)行了加強(qiáng)、增加了許多外設(shè)功能，但是價格比傳統(tǒng)的STC單片機(jī)貴。
根據(jù)系統(tǒng)控制要求、性價比、實用性等因素，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，實現(xiàn)了對現(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)計復(fù)雜，維護(hù)維修不方便。
考慮到在保證功能實現(xiàn)情況的下降低設(shè)計難度，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，以及功能的實現(xiàn)，能夠準(zhǔn)確顯示實時的數(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)動程序簡單，但是缺點就是體積大，占用引腳多，同時不能顯示漢字。
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。導(dǎo)電或?qū)α?，使溫度計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.該儀器可用于測量運動物體的表面溫度，小目標(biāo)和熱容或快速（瞬時）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 報警模塊的選擇
根據(jù)設(shè)計要求，按鍵需要有提示音，那么可以選擇單片機(jī)驅(qū)動蜂鳴器。對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，有一個內(nèi)部震蕩源，可以由直流信號驅(qū)動，雖然價格比無源蜂鳴器貴，但它符合設(shè)計。
雖然兩者價格不同，有源蜂鳴器比無源蜂鳴器貴，因為里面有個震蕩電路，所以它更符合設(shè)計要求。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)型號的選擇
按照工作電源的種類可以劃分設(shè)計方案，如下：
方案一：直流電動機(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。
同時考慮的直流電機(jī)也分為無刷和有刷前者優(yōu)點，運行聲音小、無火花、壽命長、速度高。后者結(jié)構(gòu)簡單運行平穩(wěn)，啟停動效果好、控制精度高。綜合考慮。為了提高用戶的體驗高，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
3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計
本設(shè)計是以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實時顯示現(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
那么為了更好的實現(xiàn)糧倉管理，有三路檢測溫濕度、煙霧。實時檢測處理，同樣通過無線傳感器與控制終端建立通信。當(dāng)上電時，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。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
3.2.1 控制核心電路設(shè)計
在設(shè)計溫度控制時，控制核心為STC15W4K32S4單片機(jī)，采用8位單片機(jī)。
有38個IO端口包含32K閃存進(jìn)程內(nèi)存。它適用于電的即時擦除和重寫、呼吸酒精測試、人體呼吸氣味測試等。而且價格便宜，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
如圖3.4所示，NRF24L01是一款獨特的非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。控制終端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
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
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
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I/O口即可接收采集信號以及發(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
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?，F(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，同時現(xiàn)場采集終端也隨時準(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，對通信的I/O配置為準(zhǔn)雙向口模式，模擬IIC的時序，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，實時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)。存儲在數(shù)組中，待到要顯示時，從數(shù)組里面取出來，分別對每一位進(jìn)行精準(zhǔn)的顯示。
