第30卷第4期河南工业大学学报(自然科学版
Vo.l 30,N o .42009年8月Journa l o fH enan Un iversity of Techno l o gy(N atural Sc i e nce EditionAug .2009
收稿日期:2009 04 15 作者简介:刘杰(1971 ,男,河南尉氏人,讲师,主要从事单片机 及嵌入式技术应用的研究.文章编号:1673 2383(200904 0072 05 基于双通信模式的分布式粮情测控系统设计 刘 杰1 ,张红梅
2 (1.河南广播电视大学,河南郑州450008;2.河南工业大学信息科学与工程学院,河南郑州450001 摘要:针对粮仓测控需求,提出了基于双重通信模式的分布式粮情测控系统设计方案,利用电力线载波和zi g bee 无线通信相结合的方式实现仓储信息的测与控.通过分析分布式粮情测控系统的组成和工作过程,给出相应测控模块的软硬件设计.关键词:粮情;测控系统;双通信模式;分布式中图分类号:TS 210 文献标识码:B 0 前言
粮食储存的主要问题是如何随时掌握粮仓内粮食的质量变化情况,保证入库粮食在较长时间内不变质.在存储过程中,粮食主要受温度、湿度及其他因素的影响,可能出现发热霉变、虫害孳生等情况,根据官方数据,因上述等因素在存储阶段损失的粮食约占总量的0.2%,农户家庭储粮的损失率更高
[1] .在4项储粮新技术中(谷物冷却、
循环通风、环流蒸熏,粮情测控中,粮情测控是基础,是粮食储藏成败的关键,为了减少粮食的损失,保证粮食品质,就必须准确及时掌握储存过程中各种物理因素尤其是温度和湿度的变化情况,找出其变化的规律及影响,并执行及时可行的调控策略.随着电子技术的发展,我国已有各个厂家研制成功了品种多样、系统结构各异的粮情测控系统,这些系统普遍采用485总线或CAN 总线结构,这种结构需要铺设专用线路,这样不但施工量大而且线路出现故障时不易维修.也有利用电力线或无线网络的测控系统,采用电力线载波的确减少了铺设专用线路,减少了施工工作量,降低了
施工成本和系统成本[2]
;但是一般电力线在建设粮仓时已经铺设完毕,且大多埋于墙体内部,给施工带来一定影响,同时还存在布点不够灵活的缺点.单纯使用无线网络,只能完成数据的检测,无
法针对粮情采取控制措施[3 4] .针对上述问题,作者提出了一种基于电力线载波和无线通讯相结合的新型粮情测控系统
方案.1 系统组成及工作过程 1.1 系统组成 系统组成如图1所示.图1 系统组成
整个系统由1台上位机、1台测控主机、若干个测控分机(每个粮仓或廒间1台、若干个温度湿度采集器、测量传感器和风机控制器组成,其中上位机和测控主机之间采用RS232通信,测控分机与测控主机以及风机控制器之间采用电力线载波方式进行通信和控制,采集器与测控分机之间
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采用无线方式进行通信,这样构成一个集粮情测控,智能分析和通信控制为一体的,具有一定规模的计算机测控系统.上位机和测控主机位于粮情测控计算机中心.测控分机分别位于粮仓的分机箱中,它们利用现成的低压电力线和测控主机相连,采用电力线载波方式进行通信,同时和同一粮仓中的风机控制器,也利用低压电力线载波方式进行控制.每个粮仓中的采集器与本粮仓中的测控分机通过无线模块进行通信,整个系统层次清晰,结构紧凑.1.2 系统工作过程
系统上电初始化后,上位机根据人员的操作或自动将命令发送给测控主机,测控主机通过电力线向测控分机发出命令.上位机选用普通的PC 兼容机,其主要功能是存储所有被测定的历史数据,处理测控主机收集上传来的数据并根据处理结果通过测控主机向测控分机发送控制命令.采集器接收测控分机的命令采集各测量点的温度和湿度,转换成数字量,并向测控分机发回数据.测控分机采用循环方式收集粮仓内的所有采集器的温度湿度等数据、仓外空气的温度湿度数据,将这些数据保存并进
行简单的处理,根据简单处理的结果控制风机的起停;同时通过电力线向测控主机发回数据.测控主机把收集到的实时数据发送给上位机,供上位机进行数据的分析.从而达到对整个粮库系统的实时测控的目的.系统的状态如图2所示.
图2 系统状态
测控主机采用单片机系统.采用AT89C2051单片机.主要功能是接收上位机的命令,并将命令发送给测控分机;接收测控分机的数据,将数据上传给上位机.它和上位机的通信采用RS 232通信接口.该接口比较简单,同时已有成熟的软件.它和测控分机的通信采用电力线载波方式.电力线
载波芯片采用SGS THOM SON 公司的ST7538[5] ,该芯片是专门为电力线网络通信设计的,除了具
有一般电力线波芯片的信号调试解调功能外,还
针对电力线应用加入了许多特别的信号处理手段,利用ST7538组成的电力线载波通信网络接口如图3所示.图3 测控主机电力线载波接口
AT89C2051的P1.6、P1.7和P3.4分别于A、B、C 三相耦合保护控制信号相连.工作时,CP U 首先控制与A 相电力线相连通,并向与A 相线相连的测控分机发送命令,接收A 相测控分机的数据;A 相的数据收集完毕,发送给上位机;断开A 相,再依次控制连通B 相和C 相,接收B 相和C 相的测控分机的数据.测控分机也采用单片机系统,采用CC2430 MC U.CC2430出自N I 公司[6] ,是一款真正符合I E EE802.15.4标准的片上ZigBee 产品.该芯片集成ZigBee 射频(RF前端、内存和微控制器.它使用一个8位M C U (8051,具有32/64/128kB 可编程闪存和8kB 的RAM,还包含模/数转换器(ADC、几个定时器、AES -128安全协处理器、看门狗定时器、32k H z 晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路等.CC2430还有21个可编程的I/O 口引脚,CC2430能够满足以Zi g B ee 为基础的2.4GH z I S M 波段应用对低成本低功耗的要求,休眠时的最低功耗电流为0.3 A,正常工作时电流损耗典型值为12.3mA;在接收和发射模式下,电流损耗均低于27mA.通常,Zigbee 的发射功率在0~+10dB m,通信距离范围为10m,可扩大到约1000m.因为粮仓的空间相对不大,应用基于ZI GBEE 技术用于粮情测控是能够满足要求的.采用CC2430芯片组成的测控分机利用专用电力线调制解调芯片通过低压电力线路与测控主机连接.测控分机的主要功能有: 采集空气的温湿度和收集粮仓内温湿度并存储; 通过低压电力线载波和上位通信;!根据上位机命令或粮仓内外的温湿度情况控制风机控制器动作;∀独立完成收集各个采集器的测量数值等,保
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证在与上位机通信出现故障时粮情的测控.测控分机的电力线载波接口如图4所示.
图4 测控分机电力线载波接口
图4中CC2430为测控分机端的控制单片
机,利用P0.0和P0.1引脚通过软件模拟串口与ST7538的RXD、TXD 以串口通信方式完成数据的收发,ST7538的其它端口则用于和单片机之间的状态及信息交换.风机控制器主要功能是接受测控分机的命令,完成风机的启动和停止,从而达到控制粮仓内的温度和湿度,使其符合存储粮食的要求.它采用电力线载波方式接收测控分机的命令.接口电路与测控分机相同.采集器主要作用是采集粮仓内采集点的温度和湿度,采集器也采用CC2430模块,采用电池供电,与测控分机采用无线通信方式,其安装不受电源线控制,也无需单独铺设专用线路,因此具有安装方便、布点灵活得特点,同时还具有组网灵活扩充方便的优势,在粮仓粮情测控中应该具有良好应用.温度和湿度传感器采用SHT11.SHT11是一个单芯片关于温湿度的多功能传感器模块,包含了一个电容性聚合体传感元件来测相对湿度和一个能带隙的温度传感器,两个都连接到一个14位的模数转换器上和一个串行接口电路,这样具有信号质量好、响应时间快、不受外界干扰等优点.SHT11集成了校准数字输出,工业级的C MOS 方法的应用确保了高的可靠性和极好的稳定性,具有2线串行接口和内置电压校准让系统集成方便,外型尺寸小,体积与火柴头相近,接口电路非常简单,具有稳定式输出,免调试,免标定、一致性好的特点.其DATA 输出端具有高阻态,可以将该输出端并联.温湿度传感器SHT11和CPU 的接口电路如图5所示.利用CC2430的P0口和P1口,可以连接15 个传感器.将传感器DATA 端并联,接CPU 的P00 引脚,CP U 的P02~P17引脚分别接传感器的SCK 端,工作时依次为传感器提供工作时钟,每个传感器就可以轮流工作.通过软件可以将温湿度数据依次读出.采集器采用电池供电,因此,对采集器要采用低功耗设计.通常的低功耗设计采用#唤醒∃工
作∃休眠∃唤醒%这种循环方式.通过这样的设计,可以将每个采集器的功耗降低约70%.图5 传感器接口 2 通信协议和算法设计
本系统的通信协议主要包括无线通信和电力线载波通信两部分.其中采集器和测控分机之间采用无线通信进行数据交换,测控分机和测控主机之间使用电力线载波通信方式进行命令和数据交换;每个采集器和测控分机都内置一个24位的地址,这样可以确保每一个采集器和测控分机都具有一个唯一的通信地址,其中采集器地址的前8位作为子网内的标识.设置一个广播地址,用于测控主机对网络中的测控分机广播命令和测控分机对子网内采集器广播命令.因此系统能够避免采集器之间的数据干扰和采集器与测控分机之间的干扰问题.数据帧格式如下所示: 目的地址 源地址 命令类型 传感器类型 数据 校验
其中目的地址、源地址和命令类型各占3字节,传感器类型占1字节,数据占15字节,检验占1字节,1帧共计26字节.测控主机主要算法流程如图6所示.
测控主机接收到上位机的命令后,判断是否是测量数据的命令,如果是,则广播测量数据的命
第4期刘 杰等:基于双通信模式的分布式粮情测控系统设计75 令,然后等待接收测控分机传回的数据,并将数据上传给上位机.如果不是,
就广播控制命令,让测控分机控制风机工作,然后等待下一次上位机发出的命令.测控分机主要算法流程如图7所示.
测控分机接收到发给本机的命令后,判断是测量数据还是控制风机的命令,如果是控制风机的命令,则向风机控制器发送控制命令,控制风机工作.如果是测量数据的命令,则向各个采集器广播命令,启动采集器工作.测量仓外的温湿度数据,等待接收采集器的数据,并对收到的数据进行处理,然后上传给测控主机.将处理后的数据和仓外的温湿度数据比较判断是否启动风机工作.如果需要就向风机控制器发送控制命令启动风机工作.!采集器工作流程如图8所示.采集器经过初始化后,接收发给本采集器的命令,如果是采集数据的命令,则启动传感器工作,采集数据并将数据回传给测控分机.如果是对
本采集器的设置命令,则对采集器进行设置.然后进入自动休眠状态.根据设置,采集器自动唤醒,接收下一次命令.图8 采集器工作流程
3 结论
作者所设计的基于电力线载波和无线通信相结合的分布式粮情测控系统,利用了无线通信方式,收集粮仓中温湿度情况,再通过电力线载波方式将各个粮仓中的温湿度数据收集、上传到PC 机中进行数据分析和统计,根据粮仓内外温湿度差异,对风机进行控制,有效调节粮仓的温湿度.系统充分利用了已有资源,避免了铺设专用线路,简化了系统设计.在温湿度的测量方面具有测量准确,采集面广、采集器布置灵活的特点.其控制功能可以根据需要进行增减,如添加紫外线杀虫功能等.参考文献: [1] 加强病虫害控制和储粮能力,减少粮食损 失[EB /OL].(2007 12 06[2008 12 20].htt p :&www.Chinagrain .ne t/ne w s /2007/12/06/200712261035964844.sht m .l [2] 忻龙彪,刘春蕾.基于电力载波的自动抄表系统设计[J].低压电器,2008(4:1 4.[3] 陈伟歌.基于Z i g Bee 技术的仓库温度检测
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DESIGN OF D I STR IBUTED GRA IN INF ORMATION MEA S UREMENT AND CONTROL S YSTEM BA SED ON DUAL COM MUN ICAT ION MODE L IU Jie1,ZHANG H ong m e i2 (1.H enan Rad io&TV Universit y,Zhengzhou450008,China; (2.School of Infor mation Science and Engineeri n g,H enan University o f Technology,Zhengzhou450001,China Abst ract:To ensure the safe ty of stored g rain,it is t h e neceary to kno w the gra i n conditi o n acc urately and ti m ely by m easuri n g and contro lli n g.Based on the de m and,a desi g n sche m e of a distri b u ted grain i n for m ation m easure m ent and control syste m based on the dua l co mmunicati o n m ode w as proposed to ach ieve storage infor m ati o n m easure m ent and con tro l by usi n g the co m b i n ation o f po w er li n e carrier and zi g bee radio co mmunica ti o n.The so ft w are and hard w are desi g n of the corresponding m easure m ent and controlm odu le w as put for w ar d by analyzing of the co mposition and the wo r k i n g proce o f the syste m.The syste m desi g n sche m e has so m e re ference value for the research o fm easure m ent and control syste m s i n si m ilar field.K ey w ords:grai n conditi o n;m easure m ent and contr o l syste m;dua l co mm un i c ation m ode;distributed (上接第57页
EFFECT OF COM P OUND P ROTEIN FEED FROM K ITCH EN LEFTOVER ON GROWTH PERFORMANCE AND M EAT QUAL ITY OF GRO W ING-FIN I S H ING PIG LIU Lai ti n g1,2,MAO L ian hua1,2,MA Q iu gang2, ZHANG Jian yun2,L IU Q i n g m e i3,TANG Jie lan3,Y IN Pe i hu i3
(1.School o f B iotechno logy,H enan Un i v ersit y of Technology,Zhengzhou450052,China; 2.S tate K ey Laboratory of Ani m alNu trition,China Agricultural University,B eijing10094,China; 3.B eijing Z i y uan G roup,B eijing102600,China Abst ract:The experi m ent w as conducted to study the effects of co m pound prote i n feed fr o m the k itchen le fto ver on the gro w th perfor m ance,heavy m eta l content and m eat quality o f gro w ing finishi n g pigs and to study the opti m al a m ount of the co m pound pr o te i n feed i n t h e diets o f the gro w ing fi n ishing pigs.160w h ite gro w i n g fin ish i n g pigs w ith t h e w e i g ht o f75kg w ere rando m l y div i d ed i n to4groups,w ith4replicates i n each group.The 4g r oups i n c l u ded a control group fed w ith corn soybean m eal basal diets,and three experi m ental groups fed w it h diets conta i n i n g the co m pound protei n feed w ith an a m oun t o f4%,8%and12%,respectively.The re su lts sho w tha:t the experi m enta l group feeding w ith the d iets containing8%co m pound prote i n is superi o r to t h e contr o l group i n t h e average da ily gain,feed conversion rati o and drei n g percen tage;the diets containing 12%co mpound protei n have no adverse influences on the g r ow th perfor m ance and the drei n g percentage o f t h e gro w i n g fi n ish i n g p i g s;and the co m pound protein feed fro m the k itchen leftover is free o f heavy m etal resi dues in the pork produc.t K ey w ords:gro w ing finishing p i g;kitchen leftover;gro w t h perfo r m ance;m eat qua lity;heavy m etal
基于Intranet的储粮测控与粮情分析推理系统的设计与实现
