单片机的粮仓温湿度检测报警系统
目 录
1 引言 1
2 系统总体设计 2
3 系统硬件设计 3
3.1 系统硬件设计简介 3
3.2 温湿度传感网关 4
3.3 温湿度传感节点 16
4 系统软件设计 19
4.1 温湿度传感网关 19
4.2 温湿度传感节点 21
4.3 服务器 23
4.4 Android APP 23
5 运行与调试 24
5.1 网关调测 24
5.2 节点调测 25
5.3 服务器调测 26
5.4 Android APP调测 27
结 论 32
致 谢 33
参 考 文 献 34
附录 35
附1 温湿度传感网关电路原理图 35
附2 温湿度传感网关PCB 36
附3 温湿度传感节点电路原理图 37
附4 温湿度传感节点PCB 38
1 引言
粮仓监测，是大型粮仓管理的重要环节，实时监测粮仓的环境因素，如温度、湿度等，对于安全、长时间存储粮食有十分重要的意义；为了保证人们日常工作的顺利进行，首先需要对粮仓内部的温湿度等环境数据很了解，但是传统的方法是由工作人员拿着温湿度计进行实地测量，然后对不符合标准的仓库采取措施，采用纯人工的监测，会造成监测的有效性降低、实时性不高、持久性不强等问题，同时也会造成人力成本上升和人力资源浪费。所以，对粮仓的环境信息的实时采集和监控十分重要。采用信息技术对粮仓监控，可以提高对粮仓的工作效率和安全性，同时提高粮仓的信息化程度。
随着 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
国内对电子元件与自动化技术的研究，我国的粮食测控系统主要集中在第三代的程度，通过使用数字式的传感器、单片机、工业串行总线与Windows操作系统的PC机组成的粮仓监测系统可以在较低成本下，由操作人员在工作站完成粮仓的主要测控工作[1]。基本满足当前的中小型粮库的需求，对于国内的大型粮库已经开始了第四代远程式粮仓监测系统的研究。
自上世纪60年代起，就出现了使用各种模拟电子仪表检测粮仓的技术，随着时间与技术的推移与进步，在通信技术的发展与集成电路的技术基础下，逐步形成了粮仓监控系统。粮仓监测系统的发展和研究经历了以下几个阶段:
第一代粮仓监测系统，早期的粮仓监测系统中使用的是以单片机为测控核心，各类模拟式温度传感器为执行机构，使用时通过人工经验在各监测点插入传感器，获得温度值后手动记录，实现了温度检测。此类粮仓监测系统使用模拟信号进行传感器信号的传输，缺点是精度较差，自动化程度非常低，对使用人员的工作经验要求高，并且工作强度很大，在当前粮食储存工作中，这种方式己被淘汰。
第二代粮仓监测系统是将热敏电阻等各类感温类元件以矩阵形式安置在粮库之中，中控部分则升级使用PC机，操作系统使用DOS系统，系统具有一定人机交互操作功能的界面，如检测、查询、打印等，其覆盖面积可以达到大型粮仓。但是要求各粮库均需一套该系统，该系统的信息集成度不高，在大中型粮库中需要较多人力。同时，粮仓的各种信息汇总依然使用人工方式进行，这种使用效率低下的传统方法在各大粮仓已经处于淘汰的边缘。
第三代粮仓监测系统的特点是数字化，自动化检测水平明显提升。这一代测控系统中传感器全面升级，使用当前市场中较为流行的数字式温度传感器DS18B20，通过单总线的方式埋设于各个粮库之中，而中控的PC升级为Windows操作系统，使用串行工业总线将各个粮仓中信息采集汇总至粮库中的检测上位机进行储存，实现一个粮库集中管理检测各粮仓温湿度的功能。这是目前主流的中小型粮仓监测系统类型，该类型具有系统集成度高，自动化程度高等特点。
第四代粮仓监测系统融入互联网的概念。新一代的粮仓的监控系统，将不再局限于一个粮库一套测控设备的集成度，该系统使用Internet将各大粮库的信息汇总于粮食检测的总中心，形成以全国为中心的总测控点，各地市为地方分测控点，对各大重要粮库进行全局的测控，同时也方便实现粮食的调配，建立起全新的物联网式的远程粮仓监测系统。该类系统也在WSN无线传感网的基础上进行了扩展。该系统检测方式简便，也可以实现远程查看，大大的减少了操作人员的工作量，而且可以允许多点同时检测以及同步控制，对地域性粮仓提供大数据分析支持，是未来粮仓发展的趋势之一。
国外的农业机械化、数字化、信息化的发展时间早，技术己经较为成熟。尤其以美国、荷兰、澳大利亚等农业生产发达国家，利用本国的科技优势，拥有较为先进的测量芯片与控制技术，很多都己经完成了无人式的远程粮仓检测系统，有些甚至使用无线技术搭建了无线缆式的粮库传感器网络组，真正实现了网络化。先进国家在新式远程粮仓监测系统的研发投入较大，获得这方面的科研技术也更为成熟可靠，主要体现在远程网络化、智能无人化、绿色环保化这几个方面[2]。
2 系统总体设计
粮仓温湿度检测报警系统主要由硬件和软件两大部分组成。硬件部分由温湿度传感网关和节点两部分组成。节点负责温湿度数 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
据的采集并将其发给网关，网关负责接收节点发送的数据并上传至服务器，同时也接收服务器传回的数据，并向节点发送控制指令。软件部分由服务器和Android APP两部分组成。服务器负责接收网关上传的温湿度数据，将其存储到数据库中，并且提供数据库访问接口。Android APP负责接收服务器推送的数据，并显示温湿度及历史数据图表，同时也具有设定不同节点温湿度门限值以及复位报警的功能。
在该系统中，节点与网关之间的组网，选用无线方式——蓝牙进行组网。这里的蓝牙为传统蓝牙。网关与服务器之间的通信由网关上的GPRS通信模块实现。Android手机使用移动数据方式或者WiFi方式与服务器建立TCP Socket通信，同时通过HTTP协议，访问数据库接口，获取历史数据等信息。图2. 1是系统总体设计框图。
图2. 1系统总体设计框图
3 系统硬件设计
3.1 系统硬件设计简介
3.1.1 硬件设计工具
本课题的硬件电路设计是使用的2016年推出的一款比较简单易学的电路原理图以及PCB设计的Altium Designer 16.0软件。它的前身是Protel 99SE这款软件， Protel 99SE也是一款较为经典的电路原理图设计和PCB板绘制的软件，在2002年后的两年时间里Altium公司又相继推出了Protel DXP和Protel DXP 2004两款软件，之后更名为Altium系列，更新到2016年推出这款16.0版本，其布线等功能比较完善，直到现在也广泛应用。Altium Designer 16.0这款能够将硬件、软件和可编程硬件设计在一个环境下运行，大大提高了这款软件的实用性。
3.1.2 硬件设计流程
系统的硬件设计分为两大部分，原理图设计和PCB设计。图 3. 1是硬件设计流程图。
温湿度传感网关由五个部分组成：
1、用于与节点之间通信的WLT2564F蓝牙模块；
2、用于与具有公网IP的服务器通信的GPRS模块SIM800L模块；
1 引言 1
2 系统总体设计 2
3 系统硬件设计 3
3.1 系统硬件设计简介 3
3.2 温湿度传感网关 4
3.3 温湿度传感节点 16
4 系统软件设计 19
4.1 温湿度传感网关 19
4.2 温湿度传感节点 21
4.3 服务器 23
4.4 Android APP 23
5 运行与调试 24
5.1 网关调测 24
5.2 节点调测 25
5.3 服务器调测 26
5.4 Android APP调测 27
结 论 32
致 谢 33
参 考 文 献 34
附录 35
附1 温湿度传感网关电路原理图 35
附2 温湿度传感网关PCB 36
附3 温湿度传感节点电路原理图 37
附4 温湿度传感节点PCB 38
1 引言
粮仓监测，是大型粮仓管理的重要环节，实时监测粮仓的环境因素，如温度、湿度等，对于安全、长时间存储粮食有十分重要的意义；为了保证人们日常工作的顺利进行，首先需要对粮仓内部的温湿度等环境数据很了解，但是传统的方法是由工作人员拿着温湿度计进行实地测量，然后对不符合标准的仓库采取措施，采用纯人工的监测，会造成监测的有效性降低、实时性不高、持久性不强等问题，同时也会造成人力成本上升和人力资源浪费。所以，对粮仓的环境信息的实时采集和监控十分重要。采用信息技术对粮仓监控，可以提高对粮仓的工作效率和安全性，同时提高粮仓的信息化程度。
随着 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
国内对电子元件与自动化技术的研究，我国的粮食测控系统主要集中在第三代的程度，通过使用数字式的传感器、单片机、工业串行总线与Windows操作系统的PC机组成的粮仓监测系统可以在较低成本下，由操作人员在工作站完成粮仓的主要测控工作[1]。基本满足当前的中小型粮库的需求，对于国内的大型粮库已经开始了第四代远程式粮仓监测系统的研究。
自上世纪60年代起，就出现了使用各种模拟电子仪表检测粮仓的技术，随着时间与技术的推移与进步，在通信技术的发展与集成电路的技术基础下，逐步形成了粮仓监控系统。粮仓监测系统的发展和研究经历了以下几个阶段:
第一代粮仓监测系统，早期的粮仓监测系统中使用的是以单片机为测控核心，各类模拟式温度传感器为执行机构，使用时通过人工经验在各监测点插入传感器，获得温度值后手动记录，实现了温度检测。此类粮仓监测系统使用模拟信号进行传感器信号的传输，缺点是精度较差，自动化程度非常低，对使用人员的工作经验要求高，并且工作强度很大，在当前粮食储存工作中，这种方式己被淘汰。
第二代粮仓监测系统是将热敏电阻等各类感温类元件以矩阵形式安置在粮库之中，中控部分则升级使用PC机，操作系统使用DOS系统，系统具有一定人机交互操作功能的界面，如检测、查询、打印等，其覆盖面积可以达到大型粮仓。但是要求各粮库均需一套该系统，该系统的信息集成度不高，在大中型粮库中需要较多人力。同时，粮仓的各种信息汇总依然使用人工方式进行，这种使用效率低下的传统方法在各大粮仓已经处于淘汰的边缘。
第三代粮仓监测系统的特点是数字化，自动化检测水平明显提升。这一代测控系统中传感器全面升级，使用当前市场中较为流行的数字式温度传感器DS18B20，通过单总线的方式埋设于各个粮库之中，而中控的PC升级为Windows操作系统，使用串行工业总线将各个粮仓中信息采集汇总至粮库中的检测上位机进行储存，实现一个粮库集中管理检测各粮仓温湿度的功能。这是目前主流的中小型粮仓监测系统类型，该类型具有系统集成度高，自动化程度高等特点。
第四代粮仓监测系统融入互联网的概念。新一代的粮仓的监控系统，将不再局限于一个粮库一套测控设备的集成度，该系统使用Internet将各大粮库的信息汇总于粮食检测的总中心，形成以全国为中心的总测控点，各地市为地方分测控点，对各大重要粮库进行全局的测控，同时也方便实现粮食的调配，建立起全新的物联网式的远程粮仓监测系统。该类系统也在WSN无线传感网的基础上进行了扩展。该系统检测方式简便，也可以实现远程查看，大大的减少了操作人员的工作量，而且可以允许多点同时检测以及同步控制，对地域性粮仓提供大数据分析支持，是未来粮仓发展的趋势之一。
国外的农业机械化、数字化、信息化的发展时间早，技术己经较为成熟。尤其以美国、荷兰、澳大利亚等农业生产发达国家，利用本国的科技优势，拥有较为先进的测量芯片与控制技术，很多都己经完成了无人式的远程粮仓检测系统，有些甚至使用无线技术搭建了无线缆式的粮库传感器网络组，真正实现了网络化。先进国家在新式远程粮仓监测系统的研发投入较大，获得这方面的科研技术也更为成熟可靠，主要体现在远程网络化、智能无人化、绿色环保化这几个方面[2]。
2 系统总体设计
粮仓温湿度检测报警系统主要由硬件和软件两大部分组成。硬件部分由温湿度传感网关和节点两部分组成。节点负责温湿度数 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
据的采集并将其发给网关，网关负责接收节点发送的数据并上传至服务器，同时也接收服务器传回的数据，并向节点发送控制指令。软件部分由服务器和Android APP两部分组成。服务器负责接收网关上传的温湿度数据，将其存储到数据库中，并且提供数据库访问接口。Android APP负责接收服务器推送的数据，并显示温湿度及历史数据图表，同时也具有设定不同节点温湿度门限值以及复位报警的功能。
在该系统中，节点与网关之间的组网，选用无线方式——蓝牙进行组网。这里的蓝牙为传统蓝牙。网关与服务器之间的通信由网关上的GPRS通信模块实现。Android手机使用移动数据方式或者WiFi方式与服务器建立TCP Socket通信，同时通过HTTP协议，访问数据库接口，获取历史数据等信息。图2. 1是系统总体设计框图。
图2. 1系统总体设计框图
3 系统硬件设计
3.1 系统硬件设计简介
3.1.1 硬件设计工具
本课题的硬件电路设计是使用的2016年推出的一款比较简单易学的电路原理图以及PCB设计的Altium Designer 16.0软件。它的前身是Protel 99SE这款软件， Protel 99SE也是一款较为经典的电路原理图设计和PCB板绘制的软件，在2002年后的两年时间里Altium公司又相继推出了Protel DXP和Protel DXP 2004两款软件，之后更名为Altium系列，更新到2016年推出这款16.0版本，其布线等功能比较完善，直到现在也广泛应用。Altium Designer 16.0这款能够将硬件、软件和可编程硬件设计在一个环境下运行，大大提高了这款软件的实用性。
3.1.2 硬件设计流程
系统的硬件设计分为两大部分，原理图设计和PCB设计。图 3. 1是硬件设计流程图。
温湿度传感网关由五个部分组成：
1、用于与节点之间通信的WLT2564F蓝牙模块；
2、用于与具有公网IP的服务器通信的GPRS模块SIM800L模块；
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