无线粮仓粮情测控系统中分线器的软件毕业设计.doc

无线粮仓粮情测控系统中分线器的软件毕业设计目录无线粮仓粮情测控系统中分线器的软件设计I摘 要IABSTRACTII第一章 绪论11.1研究背景11.2国内发展现状31.3国外发展现状51.4课题意义51.4.1社会意义51.4.2经济意义61.4.3推广应用前景61.5设计的技术指标71.6设计的关键技术81.6.1采用的无线收发芯片81.6.2采用的无线传输方式81.6.3分线器的低功耗设计81.7论文的主要内容81.8本章小结9第二章 无线粮仓粮情测控系统的整计102.1无线粮仓粮情测控系统的总体概述102.2无线粮仓粮情测控系统的整体结构112.2.1上位机管理系统122.2.2测控主机122.2.3测控分机132.2.4粉线器132.3设计方案142.3.1有线传输142.3.2无线传输152.4本章小结16第三章 无线粮仓粮情测控系统中分线器的硬件设计173.1 分线器的硬件设计173.1.1 分线器的总体设计173.1.2 分线器芯片的选型193.1.3 传感器的选型273.1.4 电源电路293.1.5 天线设计303.1.6无线通信接口313.1.7 数据采集333.2本章小结35第四章 无线粮仓粮情测控系统中分线器的软件设计364.1分线器的软件设计364.1.1 软件设计的思想364.1.2 主程序设计374.1.3 中断服务程序设计384.1.4 子程序设计394.1.5 CC1000的通信协议474.1.6 开发环境的介绍564.2 本章小结56参考文献57外文文献5967第一章 绪论1.1研究背景粮食是国民经济的基础，是关系国计民生的特殊战略物资，其数量、质量、安全直接关系到，国民经济的健康发展和社会大局的安全稳定，我国是全球第一人口大国，民以食为天，因此粮食问题的解决成为了当务之急，进一步完善国家粮食储备体系具有重大战略意义。近年来，随着农业科学技术的的不断进步，农业生产持续而稳定地增产，农户生产粮食也日益增多，绝大部分农民不仅解决的温饱问题，而且有了更多的余粮。据不完全统计，我国约有50%以上的粮食储存在农民手中，这些粮食的储存安全是国家粮食安全的重要组成部分。长期以来，我国忽视了农户粮食储存技术的研究与推广，农村粮食的储存技术非常落后，因鼠、霉、虫等原因造成的农村储粮损失严重。因此，做好农村的粮食储藏工作，减少粮食产后损失，相当于开发了无形粮田，增加了粮食产量，是利国利民的好事，是保证国家粮食安全的大事。开展农户储粮技术研发推广和农户安全储粮知识培训，不仅有利于改善农户储粮习惯，减少粮食损失，增强农户抵御自然灾害和分险的能力，提高农户粮食安全水平，增强农民收入，有助于促进农村经济发展和整个国家经济的健康发展；通过农户采用非化学防治手段控制储粮有害生物危害，减少农药和鼠药的使用，降低化学药剂对粮食和环境的污染，改善农民的生活条件，减少传染病和流行病的发生，促进人民的身心健康，有助于促进农户经济的发展，要解决“三农”问题，确保农村稳定，保证社会有效供给，增强我国粮食的综合生产能力和国际竞争力，对保障人民健康、保持社会稳定都具有十分重要的意义。在粮食的供求上若存在10%的不平衡，就是近千亿斤的大差额，因此往往粮食稍多就显得多得不得了，稍少就显得少得不得了，极大地影响了社会主义事业的发展。但我国整体粮食储备状况自建国以来并没有得到明显改善，全国80%左右粮食仍采用原始储备方式，部分库点甚至还要进行人工检测，往往不能及时发现和处理粮食温度、湿度、含水率、害虫密度超标等现象，引起粮食霉变，造成品质劣化。据统计，全国每年因此而损耗的粮食约占总产量的6 %以上。为了减缓粮食供求波动的冲击，建立完善的储备调节体系是必不可少的。为此，国家兴建了众多规模巨大的现代化粮库，采用科学保粮方法，大力推广“谷物冷却”、“机械通风”、“环流熏蒸”、“粮情测控”等4项储粮新技术，科学保粮是储备调节体系的核心部分，而粮情测控技术是基础，是开展科学保粮的关键，是粮库内粮食状态的实时观察者和保粮设备运行情况的真实反映者，其准确性、可靠性直接关系到各项储粮新技术的应用效果，关系到粮食储备的安全。我国对粮食测温技术的真正研究开始于20世纪70年代，在这以前我国的粮库基本上没有现代化的粮情检测设备，更谈不上粮情检测控制系统了。初期是以铜电阻、热敏电阻作为温度传感器，通过检测电阻值的变化来反映粮堆温度的变化。随着电子器件制造技术的发展，出现了数控粮温巡检系统。80年代初期，计算机性价比进一步提高，给粮温检测技术的发展提供了有利的条件，此时，价格较为便宜的单板机、单片机和PC机进入了粮食温度检测领域。到20世纪90年代国家机械化骨干粮库和世行贷款改善中国粮食流通项目的建设为测温技术的发展打下了良好的基础，特别是1998年以来连续450亿吨国家粮食储备库的建设更是为粮情测控技术的发展创造了前所未有的机遇。近年来，我国新建的大型粮库基本上配备了现代化的粮情测控系统，我国粮情检测控制系统都采用了微机监控，通过电缆网络进行信号传输，实现快速、自动和数字化检测，为安全储粮提供了有效的技术支持。大大提升了国家粮食储备体系的科技含量、信息化水平，成为科学保粮的关键技术之一。从事测温设备研制、生产和经营的企业从最初的两三家发展到五十多家，市场空前繁荣。测温设备的功能也从最初仅能测得粮食温度，发展到粮堆、仓内空气、室外空气温湿度测量、自动生成温度变化曲线、通风控制输出等。控制设备配置也从Z80单板机发展到PC机。粮情测控系统是粮库管理人员看好粮食的眼睛，是保证储量质量安全不可缺少的设备。目前国内已有数十家企业生产粮情测控系统产品，品种多样，系统结构各异，但是基本功能均相同，比如：粮仓内外温湿度检测、粮食内部温度检测及分析、通风机械的控制等，鉴于粮食储藏的特殊性，系统功能的重点放在了储粮内部温度的检测和分析上。粮情测控系统已具备粮食温湿度检测、超温报警、自动生成各种报表、自动存储历史数据并据此自动生成粮温变化曲线等众多功能。尽管如此，粮情测控系统依然存在很多不足和待改进之处，主要表现在：由于布线长，电磁场干扰易通过电源线引入，而且由电缆线引入雷击而损坏系统的事件时有发生，造成测量误差甚至系统瘫痪；布线杂乱不仅带来安装调试的困难，而且在粮食轮换倒仓时，线路容易遭受机械损坏；由于仓内通信电缆普遍采用铜芯镀锡线，在安装时接线端头密封处理不严易受到熏蒸气体腐蚀，导致测温分机与分线器的通信异常；不便于安装和维修；若粮库库区面积较大，就需要大量的电缆线，在很大程度上增加了安装成本。针对以上有线测控系统出现的问题，现在开发并研制了适合现场所需要的粮仓粮情测控系统，即无线粮仓粮情测控系统。在该系统中，大量微型无线粮情传感器被自由地散布在粮堆内，自主采集周围的粮情参数，通过无线自组网络将数据逐步传输到中心节点, 再将其传输到系统上位主机的数据管理软件平台，进行数据的存储、显示、分析、判断，控制相应保粮设备的运行。该类型系统技术先进，无需电缆连接，传感器节点以微型电池供电，可任意放置于粮堆内，持续工作数年。但是，目前国内只有极少数科研单位和高科技企业在试验使用本类型系统，估计近年内会大规模推广应用。1.2国内发展现状20 世纪70 年代以前，我国粮库基本上没有现代化的粮情检测设备，更谈不上粮情测控系统，主要使用粮库专用温度计、扦样器、分样器等传统工具来进行粮情检测，劳动强度大，精度低，不能及时发现存在的隐患，易造成不必要的损失。80 年代以后，随着电子元器件制造技术的发展，计算机性价比进一步提高，新型传感器、单片机、PC 机、新型通信方式等开始逐渐应用于粮情测控领域，出现了真正意义上的现代粮情测控系统。目前我国粮情监测系统大多采用了微机监控、通过电缆网络进行信号传输的测量方法，实现了快速、自动和数字化检测，为安全储粮提供了有效的技术支持。至此国内已有数十家企业生产粮情测控系统产品，品种多样，系统结构各异，但其基本功能无外乎粮仓内外温湿度检测、粮食内部温度检测及分析、通风控制等几项，鉴于粮食储藏的特殊性，系统功能的重点放在了粮食内部温度的检测和分析上。我国现有的粮情测控系统根据采用的温度传感器和通信方式的不同可以分为几类，如图1-1所示：图1-1粮情测控系统分类图从温度传感器的应用方面可分为两类：数字式温度传感器和热敏电阻。数字式温度传感器：数字式温度传感器的种类也不少，但用于粮情测控系统的温度传感器主要是由美国Dallas半导体公司生产的DS18x20系列温度传感器，其温度检测范围为55125，检测精度为0.5。采用数字式温度传感器粮情测控系统的结构与采用热敏电阻粮情测控系统的结构大致相同，主要是用测控单元替代了智能分机，智能分机是由数字电路和模拟电路两部分构成。数字式温度传感器不仅使测温电缆的制造简便、成本下降，而且提高了测温电缆的抗拉强度、便于温度传感器的更换。但是由于数字温度传感器的价格比热敏电阻高出许多，所以应用较少。热敏电阻 ：采用热敏电阻作为温度传感器的粮情测控系统的温度检测范围一般在4050之间，检测精度为1，完全满足粮情温度检测的需要。热敏电阻按基本性能可分为负温度系数NTC型热敏电阻、正温度系数PTC型热敏电阻和临界温度CTR型热敏电阻。热敏电阻具有成本低、体积小、简单、可靠、响应速度快、容易使用等特点，在多项温度测量中受到广泛应用，同样也是国内粮情测控系统采用最多的温度传感器。热敏电阻自身发热较小，信号调节较为简单，其缺点是互换性差，温度与输出阻值之间呈非线性关系。从通信方式的应用方面也可分为两类：现场总线技术和RS-485总线技术两种通信方式。现场总线技术：现场总线技术是一个全新的总线技术，是一种互连现场自动化设备及其控制系统的双向数字通信技术，它的出现为自动化控制和仪器仪表工业带来了巨大的变革，它代表着未来发展的方向。目前我国国内粮情测控系统大致有两种现场总线：LONWORKS（分布式智能控制网络技术）总线和CAN总线。LONWORKS总线技术的主要特点是总线开放、互操作性强、可靠性高，最大通信距离可达2700米，最多节点数为32000个；CAN总线技术在粮情测控系统中的应用比LONWORKS总线技术更为广泛，它具有先进的多主网络结构、通信距离远、价位低、可靠性高、系统容量大等优点，它除了废除传统的站地址码，使得网络中的节点数在理论上不受限制，从而大大增加了系统的容量，使得大型现代化储备粮库的粮情检测控制在同一系统下得以实现。现场总线技术大大节约连接导线以及安装维护费用，使得整个系统在提高系统整体性能的同时保持较低的费用。RS-485总线技术：RS-485是使用较为广泛的双向有补偿标准传输线，其最大传输距离为1200米，每段最多支持32个节点，采用单组双绞线主从通信。当总线加长或接点增多时需要使用中继器连接，全网络支持最多256个节点。鉴于RS-485通信技术应用时间较长、软硬件实现较为容易，目前已成为国内大部分粮情测控系统的首选。其缺点就、是RS-485总线技术不支持多主结构，系统容量、通信距离等方面都有很大的局限性。随着科技的进一步发展，国内粮情测控系统逐步完善，现有系统已初步具备粮食温湿度检测、自动报警、数据自动存储、报表自动生成、粮情曲线自动绘制等众多功能，极大地提高了我国粮食储备体系的现代化水平，大大减轻了粮食工作者的劳动强度。但是，由于受到投资成本、技术等一系列条件限制，比如经济条件不允许、试验装置本身还存在很多问题等等，该试验装置目前还未得到实际应用，国内大部分粮情测控系统普遍存在一些问题。1.3国外发展现状在国外，对粮仓粮情测控系统的研究起步较早，其技术发展也比较深入，从粮食行业标准的制定到测温、湿专用芯片的开发和生产都比较成熟，多种无线测温、测湿技术得到了相对广泛、成功的应用，在发达国家基本实现了无人管理的无线粮仓粮情测控系统。由于国外的粮食储备库均为大型的私人商业储粮，粮食的巨额利润极大的刺激着农业资产家对粮情测控系统技术的投资，目前国外采用的粮情测控系统已经相当完善，正朝着数字化、多功能集成化、自动调控和数据远程传输的方向发展，不仅能检测粮食温度，还能测试粮食水份、粮食品质和虫害情况，每个测试单元都是一个嵌入式PC，整个系统可形成一个由现场总线或者以太网连接的全数字网络；测控软件也已具备自动收集粮情信息、室外大气温湿度信息并自动判断通风降温的功能，准确把握通风时机以实现保粮自动化；将整个系统设计成局域网或广域网，实现数据远程传输，便于上级及时获得粮情信息以进行行业监管。粮情测控系统大多数采用热敏电阻和数字温度传感器进行测温，一方面是因为热敏电阻和数字温度传感器各有各的优势，另一方面是因为国外均为大型粮食储备库。在澳、英、美、加等国还开发了自动化或半自动化的磷化氢浓度检测仪和安全报警仪；美、澳两国还开发出了可按所设定的指标（浓度和时间），自动检测浓度和自动控制浓度的设备。1.4课题意义1.4.1社会意义科学保粮是一项具有战略意义的举措，是关系国计民生、国家安全和社会稳定的大事，是直接关系到13亿人口吃饭的大事，具有增强国力、抵御自然灾害的现实意义。无线粮仓粮情测控系统的推广应用不仅具有很好的经济效益，而且具有很好的社会效益。（1）无线粮仓粮情测控系统的应用改善了储粮条件，对降低粮食储藏损失，保障粮食安全，增加农民收入，促进社会主义新农村的建设起到了重要的示范作用。（2）无线粮仓粮情测控系统的应用能够减少工作人员的入仓检查次数，避免无谓的工作量，尤其是在熏蒸等过后的很长一段时间内，杜绝了工作人员中毒的几率，受到广大工作人员的极大好评。（3）无线粮仓粮情测控系统有利于促进科技进步和新功能的研究。1.4.2经济意义根据对市场的实际调查，相对于传统的测控系统，积极推广使用无线粮仓粮情测控系统有很好的经济效益：（1）运用无线粮仓粮情测控系统的先进储粮技术，解放了生产力，减轻工作人员的劳动强度，从而降低人工费用。（2）只有运用先进的储粮技术，才有利于确保储粮安全，延缓粮食陈化和品质裂变，保持了粮食的新鲜度和实用品质，从而降低粮食存储环节的损失和浪费。（3）无线粮仓粮情测控系统每点的投资虽然和传统的测控系统相当，但无线粮仓粮情测控系统布线短、接点少、不易受干扰，线路也比较稳定，熏蒸损坏也很轻微，特别是粮食进出仓时测温网络不易破坏，大大降低了平时的维护费用。1.4.3推广应用前景随着我国粮库的大量增设，粮情测控系统的市场大幅度扩大，既迎来了机遇又带来了挑战。本设计介绍的无线粮仓粮情测控系统不仅能极大的缓解粮食仓储的压力，而且能及时、准确、快速地反映粮堆温、湿度的变化情况，既省时又省力。无线粮仓粮情测控系统的使用相对于传统系统具有以下优点：（1）储粮库区一般面积大，粮仓数目多，甚至很多大型储粮库在异地扩建有粮仓，主、辅仓往往相距数千米乃至数十千米，挨个仓库检测粮温、收集数据不仅需要聘用很多工作人员，还要消耗很大的劳动力，因此采用无线粮仓粮情测控系统可以提高储粮库的管理水平和管理效率。（2）无线粮仓粮情测控系统可以使粮食管理部门随时了解各个粮仓的粮食情况，而且使测温等工作不受时间、天气的限制。（3）无线粮仓粮情测控系统为人们提供了一种全新的获取信息、处理信息的途径，与现有的传统网络技术之间存在很大区别，给人们提出了诸多新的挑战。我国传统的粮仓粮情测控系统已经不再适应社会和经济的发展，在这种情况下，无线粮仓粮情测控系统的推广应用符合国内外粮食管理模式的发展状况以及未来趋势，无疑会带来巨大的经济效益和社会效益，从而开辟出新一代的粮情检测系统。1.5设计的技术指标本文设计的无线粮仓粮情测控系统的主要技术指标：（1） 工作电压：交流220V15% ，50HZ2%。（2） 温度检测范围：4060。检测误差：0.5。检测重复误差：0.2。检测分辨率：0.1。（3）通信距离：上位机与测控主机之间15米，测控主机与测控分机之间4000米，测控分机与分线器之间500米。 （4）系统带负载能力：每台测控主机最多带载128台测控分机，每台测控分机最多带载粮温分线器30个（用于检测粮食温度），最多带载温度分线器8个（用于检测粮仓内的环境温度）。每个粮温分线器采集点数可达15点，每个温度分线器采集点数可达2点。每台分机最多带载通风分线器数3个，每个通风分线器只能配置一个通风控制器，因此每个通风分线器能控制2台风机。系统带载能力示意图如图1-2所示。图1-2系统带负载能力示意图1.6设计的关键技术1.6.1采用的无线收发芯片无线收发芯片是无线粮仓粮情测控系统的核心部分，采用何种无线收发芯片要从它的功耗和性能方面综合考虑，单独考虑芯片的功耗而忽略其性能是不合适的，要做到采用的芯片功耗尽可能的低，同时也要考虑满足无线粮仓粮情测控系统的各项功能。本文采用了Chipcon公司的可编程RF收发芯片CC1000。1.6.2采用的无线传输方式现在的粮仓粮情测控系统均为有线传输方式，采用合适的传输方式是保证数据可靠传输、进行实时监控的关键。由于有线传输数据的方式会导致在仓内布线复杂、故障率高并难以维护的弊端，因此设计在仓内仓外采用无线传输方式进行通信，该系统由测温模块、测控分机和主机测控终端组成, 仓内仓外全部采用无线传输方式。由于测温模块均匀分散放置在仓内, 使用有线供电同样会带来布线复杂的弊端, 因此该模块采电池供电,通过无线收发芯片与测控分机进行通讯, 实现仓内完全无线测温，且适合大容量的分线器数据采集，所有温度数据均在上位机上显示。1.6.3分线器的低功耗设计分线器除通风分线器之外本身没有外部电源供电，只能依靠内部自带电池供电，由于电池的一次供电能量有限, 如果测温模块一直处于工作状态, 电能消耗将非常大, 结果是需要频繁更换电池或者充电, 消耗大量的人力物力。所以, 需要对测温模块进行功耗控制, 减少电能消耗。这也是无线测温系统能否较好应用于实际的关键设计。本文设计仓内测温模块时采用了以下几种策略来降低功耗并取得较好的效果: 选择低功耗器件, 采用间歇工作方式, 降低休眠电流, 减少系统正常工作时间等。所以分线器的低功耗设计是这次研究设计的一个重点。本文从分线器硬件及软件设计等方面均采取了相应的措施，确保实现分线器的低功耗。1.7论文的主要内容第一章：阐述了无线粮仓粮情测控系统的研究背景和选题的意义，介绍了系统的技术指标以及设计的关键技术，最后综述了国内外的发展现状。第二章：主要阐述了无线粮仓粮情测控系统的整体设计，首先介绍了无线粮仓粮情测控系统的总体概述和整体结构，然后分别介绍了上位机管理系统、测控主机、测控分机和分线器的主要结构及功能，最后进行了设计方案的论证。第三章：详细介绍了无线粮仓粮情测控系统中分线器的硬件及软件设计。硬件设计主要包括：分线器芯片的选型、传感器的选型、电源电路的设计、天线设计、无线通信接口设计以及数据采集模块的设计。软件设计主要包括软件设计思想和任务，采用模块化程序设计方法进行了各模块的程序设计。文中给出了主程序和各个子程序模块的流程图，以及重要模块的部分程序。介绍无线通讯协议的同时还介绍了CC1000开发环境，以及软件的调试。1.8本章小结本章综合了大量有关文献及参考资料对无线粮仓粮情测控系统进行了各方面的总结，由于我国粮库的大量增设，粮情测控系统的市场大幅度扩大，既迎来了机遇又带来了挑战。本设计介绍的无线粮仓粮情测控系统不仅能极大的缓解粮食仓储的压力，而且能及时、准确、快速地反映粮堆温、湿度的变化况，既省时又省力。第二章 无线粮仓粮情测控系统的整计2.1无线粮仓粮情测控系统的总体概述此次毕业设计中分线器是无线粮仓粮情测控系统中的重点工作内容，主要是为了保障库存粮食完好无损，提高粮库的管理水平和工作效率。其总体要求为先进、准确、可靠、稳定、快速、实用、经济和兼容性好。无线粮仓粮情测控系统是一种不需要工作人员到达现场，利用粮情传感器（如测温、测湿、测虫传感器）将温度、湿度和虫害密度等变化情况通过特定的转换器（分线器）转换成数据形式，通过无线通信方式自我形成的网络系统将数据发送到测控分机，再由通信电缆传输到测控主机到达上位机，然后上微机管理系统通过配套软件将数据处理成可以直接显示的形式，最后进行分析，还可以通过控制通风机等设施设备，对粮食进行降温、降湿处理，以到达安全储粮的目的。无线粮仓粮情测控系统的主要优点包括以下几个方面：（1）摒弃传统的纵横交错的测温网，从根本上解决因复杂的布线问题带来的抗干扰能力差、密封困难、熏蒸时易被腐蚀以及妨碍粮食卸装等问题。（2）网络节点体积小，安装和维修方便灵活，而且可以通过在其表面涂抹防腐材料以提高抗腐蚀能力，延长器件使用寿命。（3）抗干扰能力增强。一方面由于整个仓内的测温采用无线通信技术，蜘蛛网式的布线结构消失了，极大降低了从长线中引进的电磁和天线的干扰。另一方面电源采用纽扣电池供电，完全切断了从市电串入的干扰，提高了测量系统的可靠性和稳定性。（4）测控软件具备自动收集粮情信息、室外大气温湿度信息并自动判断通风条件，准确把握通风时机以实现保粮自动化。无线粮仓粮情测控系统设计应考虑以下几个原则：（1）数据传输可靠性高：保证测温量的数据可靠的传输给上位机管理系统，在传输过程中数据不丢失。（2）性价比高：在保证数据传输可靠的同时要考虑价格，增加市场竞争力。（3）维护方便：在设计过程中尽量减少测控分机的功能，让分线器进行数据采集、信息存储等工作；测控分机负责和测控主机、分线器之间的通信，这样减小了危险集中程度，同时维护方便。（4）易于系统功能扩展：根据具体情况的要求，对粮情测控系统的功能进行扩展，例如：对温度湿度进行测量，并预留测水、测虫或测气接口；发热报警、水情报警、防火报警、防盗报警，各种功能均可扩展等等。2.2无线粮仓粮情测控系统的整体结构本文所设计的无线粮仓粮情测控系统主要由上位机管理系统、测控主机、测控分机和分线器组成，它的主要结构如下图2-1所示：图2-1 无线粮仓粮情测控系统结构框图由上图可以看出该无线粮仓粮情测控系统一共分为三级：第一级为分线器。分线器安装在粮仓内，每个分线器通过电缆连接若干测温传感器，并通过无线收发器与测控分机进行数据传送，其测温传感器埋于粮食中。另外还检测仓内温度，传至测控分机。第二级为测控分机。测控分机安装在粮仓外，每台测控分机通过无线收发器连接若干分线器。当其检测到的仓外温度与第一级传来的仓内温度差别很大时，测控分机可通过通风控制进行调控。第三级为测控主机。测控主机放在微机室，一端采用RS-232总线与计算机主机相连，另一端通过RS-485总线连接若干测控分机。当计算机主机接收并处理完数据后打印或利用网络传到远程计算机。下面简单介绍上位机管理系统、测控主机、测控分机和分线器的功能。2.2.1上位机管理系统上位机是标准的PC机，在Windows98、2000或NT环境下运行，在测控程序的控制下，通过有线电缆直接与各个下位机相接，完成测控任务。上位机管理系统实际上就是一套以数据库为基础的软件管理系统，由一台计算机和上位机管理软件构成，利用计算机的串口接收数据。上位机管理软件包括粮库信息、粮情数据、粮情监控、监控数据显示、图形功能、粮情智能分析、远程发送、系统设置、帮助、退出等模块，管理人员可以通过操作实现以下的一些功能：（1）录入各个粮仓中粮食的品种、等级、水份、进出仓日期等基本情况。（2）定时或随时检测，对数据进行加工处理。（3）可实时采集各个测点的温度数据，可以采用手动和自动两种检测形式。（4）根据所要查询报表的日期或者所要查询的粮仓等查询范围，显示出对应的温湿度报表或曲线图形，并能打印该表或该图。（5）如发现数据异常，显示数据的同时就会在数据后面紧跟A或者B字样（A表示发热，B表示过热），并将相关数据填入报警数据库，以便于查询历史报警纪录。此外，上位机还可以通过Internet网实现数据远程传输分级管理，各个管理部门都能足不出户查询所属库点的粮情状况，而最高管理机关能通过下属各级管理部门的局域网及时获得全国各级粮库的粮情信息以进行行业管理。测控主机与测控分机是一对多的关系，管理的测控分机受到管理中心采用的上位机的硬盘空间、采用的通信方式等方面的制约。2.2.2测控主机测控主机的主要作用：一是接收上位机数据并对测控分机发送命令；二是接收测控分机数据并传给上位机进行分析处理及存档。设备通过RS-232串行接口与上位机相连，通过RS-485接口与测控分机相连，所以测控主机实质上是一个RS-232/RS-485转换接口电路，不存在主控芯片。2.2.3测控分机测控分机起着数据中转和总线隔离的作用，它负责测控主机和分线器的联系。它的主要任务有两项：一是完成和分线器的无线通信，根据系统的要求接收整个或某些特定的分线器的数据；二是根据系统要求完成和测控主机的通信，将粮仓的温度等数据传输给上位机管理系统。2.2.4粉线器分线器是无线粮仓粮情测控系统的重点部分，连接测控分机和检测传感器，接收传感器的实时数据。每根测温电缆都直接与分线器进行连接，中间没有接头，避免了熏蒸时气体的腐蚀，其优点在于很容易寻找出损坏的测温电缆所在的位置，易于检修。本文设计的温度分线器采用最新的数字式技术，灵活性大，抗干扰能力强，具有16点容量、32点容量、64点容量等多种类型，在实际工程中可根据现场情况灵活选用。设有无线收发芯片，与分机组成无线通信网络。本文设计的温度分线器具有普通温度分线器的全部功能：（1）数据采集：通过传感器将温度变化量转化为热敏电阻的电阻变化量，然后利用测控软件进行识别、处理，形成可视化的温度数据。（2）信号放大：对取得的模拟信号进行信号放大。（3）A/D转换：对信号放大后的模拟数据进行A/D转换。除此之外，与其他各种温度分线器相比，此温度分线器的最大特点在于：（1）监控功能：温度分线器可以监控温度传感器的工作情况，如果出现异常，则设置状态位，上传到上位机后显示“短路”，方便工作人员检修。（2）施工方便：传统的仓内所有分线器有一条总的传输线路，给施工带来不便，本设计的分线器根据本身芯片自带的无线收发功能即可进行数据上传和命令下达，因此所有分线器放弃了星形似的网络连接方式，从而方便了施工，同时降低了成本。（3）与测控分机的通信：通过分线器的主控芯片CC1000的无线收发功能与测控分机进行通信，与RS-485相比，虽然通信距离没有增加，但是极大的方便了组网。（4）抗干扰能力强：整个仓内的测温采用无线通信技术，完全摒弃了传统的密如蜘蛛网的布线结构，大大降低从长线中引进的电磁和天线的干扰，而且电源使用电池，从市电串入干扰的途径也被切断，所以测量系统的可靠性和稳定性大大增强。2.3设计方案无线粮仓粮情测控系统中要解决的关键问题是数据通信的问题，因而粮情测控系统中数据采集系统也随着各种通信方式的发展而不断发展起来。根据通信方式的不同，目前国内外主要有以下几种数据传输方式，如下图2-2所示。图2-2 数据通信方式分类图2.3.1有线传输目前我国各粮库使用的粮情电子测控系统主要是按照测温测湿电缆的特点进行分类：（1）测温电缆横向布置型。此种电缆采用横向铺设，比较特殊，主要用在平房仓包装粮堆中，大约每堆放56层就放置一排电缆，这样电缆就从粮堆某一侧面全部伸出。部分国产测温电缆采取这种方式，但使用范围有限，所以应用不是很多。（2）测温电缆与分线器直连型。直连型电缆的特点就是每根测温电缆都直接与分线器进行连接，中间没有接头，避免了熏蒸时PH气体的腐蚀，也称为并联型。绝大部分国产测温电缆采取这种方式连接，其优点在于很容易寻找出损坏的测温电缆所在的位置，易于检修。（3）测温电缆串联型。串联型测温电缆的结构与并联型测温电缆的区别就是串联型电缆是分体式的，每根电缆是独体，分别有公头和母头2个接头，大约10根左右的电缆连成一串再接上分线器，这种方式节约了大量的分线器。这种电缆的致命缺陷就是，当一根电缆，甚至是一个测温传感器出现短路而损坏的时候，就会影响到整串电缆都不能正常读取数据，所以对单根测温电缆质量要求较高。这种连接方式，使用过程中故障率较高。（4）测温电缆可抽芯型。可抽芯型电缆的电缆芯与电缆护皮是分离的，当测温电缆出现故障时，可将电缆芯抽出来，修好后再塞进去。这种电缆电芯与护套分离，可以有效保护电缆芯，使其不受积压和拉扯，损坏机率很小。相反护套因为不受电缆芯的影响，可以做得很坚固，以承受筒仓粮堆对测温电缆的高强度拉力。有线传输由于布线长，电磁场干扰易通过电源线引入，而且由电缆线引入雷击而损坏系统的事件时有发生，造成测量误差甚至系统瘫痪；布线杂乱不仅带来安装调试的困难，而且在粮食轮换倒仓时，线路容易遭受机械损坏；更为严重的是由于仓内通信电缆普遍采用铜芯镀锡线，在安装时接线端头密封处理不严易受到熏蒸气体腐蚀，导致测温分机与分线器的通信异常；再者不便于安装和维修；若粮库库区面积较大，就需要大量的电缆线，在很大程度上增加了安装成本。2.3.2无线传输无线粮仓粮情测控系统的无线传输系统由上位机、测控主机、测控分机及分线器（包括传感器）组成。测控分机采用较高档的具有无线收发功能的单片机，它的主要工作是接收粮仓中测温传感器通过无线发来的测量信号，并将这些信号集中用有线的方式发送到测控主机。跟有线传输相比较无线传输具有以下的优势：（1）摒弃传统的纵横交错的测温网，从根本上解决因复杂的布线问题带来的抗干扰能力差、密封困难、熏蒸时易被腐蚀以及妨碍粮食卸装等问题。（2）网络节点体积小，安装和维修方便灵活，而且可以通过在其表面涂抹防腐材料以提高抗腐蚀能力，延长器件使用寿命。（3）抗干扰能力增强。一方面由于整个仓内的测温采用无线通信技术，蜘蛛网式的布线结构消失了，极大降低了从长线中引进的电磁和天线的干扰。另一方面电源采用纽扣电池供电，完全切断了从市电串入的干扰，提高了测量系统的可靠性和稳定性。（4）测控软件具备自动收集粮情信息、室外大气温湿度信息，并自动判断通风条件，准确把握通风时机以实现保粮自动化。无线传输当然也存在很多干扰，最普遍的是无绳电话和微波炉。无绳电话不采用标准联网技术，有些采用DSS（Decision Support Systems，决策技术系统）方式，多数采用FHSS（Frequency-Hopping Spread Spectrum，跳频技术）。采用DSS及其他固定信道算法的无绳电话一般在电话上装有“信道”按键，使用户能手动改变信道；FHSS电话则没有“信道”按键，因为它们经常改变信道。大多数2.4GHZ无绳电话均采用510MHz的信道宽度，所有无绳电话都会在ISM频段（Industrial Scientific Medical Band，工业、科学与医学频段）产生出相当高的能量，所以它是许多RF系统的干扰源。微波炉也是这个频带中最常见的干扰来源,而且是最难以预测和最分散的RF（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通信异步收发器）来源。每个微波炉输出的能源强度不尽相同，且在频带上的分布状况也不一样，某些微波炉阻隔电磁波的设计会优于其他机种。实验证明，微波炉和无线通信设备距离小于时，约0.52的通信数据帧被破坏，但当微波炉和无线通信设备距离大于时，微波炉的影响就基本不存在了。由于粮库远离城市，因此这些干扰几乎不存在，所以采用这个方案是可行的2.4本章小结本章主要介绍了无线粮仓粮情测控系统的结构，阐述了系统的总体概念，介绍了无线粮仓粮情测控系统中各级功能以及设计方案论证。第三章 无线粮仓粮情测控系统中分线器的硬件设计3.1 分线器的硬件设计 3.1.1 分线器的总体设计 无线粮仓粮情测控系统的分线器包括粮温分线器、仓温分线器和通风分线器（通风分线器将在第四章介绍），每根测温电缆都直接与分线器进行连接，中间没有接头，避免了熏蒸时气体的腐蚀，其优点在于很容易寻找出已损坏的测温电缆所在的位置，易于检修，其主要框图如下图3-1所示。图3-1 分线器分布框图 一般情况下，储存在粮仓中的粮食如果不出现异常现象，工作人员不会经常开仓，开仓的情况大部分均为粮食出仓或入仓的时候。因此分线器需要用电池作为动力，所以低功耗成为本次设计考虑的重点。本文在硬件设计方面通过以下几项措施降低功耗： (1)在考虑经济允许的条件下选用超低功耗的主控芯片。 (2)设计中使用到的其它芯片和器件在满足要求的情况下，尽可能选用低功耗的产品。 (3)在设计中尽量避免无谓或重复的工作。分线器的硬件电路如下图3-2所示。分线器的工作原理：J1J2连接的温度传感器（热敏电阻）将采集到的模拟数据，通过多路模拟Max4051芯片输出，然后将数据进行信号放大以及A/D转换送入主控芯片AT89C52的P2.2端口，最后由RF收发芯片CC1000无线传送给测控分机，完成数据的采集及发送。下面详细介绍该硬件电路。图3-2 分线器硬件电路图3.1.2 分线器芯片的选型3.1.2.1 主控芯片的选型本系统主控芯片采用美国ATMEL公司生产的MCS-51系列的AT89C52 单片机，它是低电压、高性能CMOS8位单片机，有8K的EEPROM，无需扩展外部存储器。256字节的RAM和32个I/O口，完全可以满足本系统的要求。看门狗电路采用X5045，它是一种集看门狗、电压监控和EEPROM三种功能于一身的可编程电路。它内部的512字节的EEPROM用来存放无线探头的编码和一些系统设置参数。X5045可提供1000000次擦写和100年的数据保存期。无线编码接收采用常见的超再生接收模块，频率315MHz，ASK方式，不含解码芯片PT2272（采用软件解码），与无线探头端的编码芯片PT2262对应，有312种编码，保证了有足够的保密性 。模块的信号输出端直接接到单片机的P1.1进行软件解码。（1）AT89C52主要性能参数。与MCS-51产品指令和引脚完全兼容；8K字节可重擦写FLASH闪速存储器；1000次擦写周期；全静态操作：0Hz24MHz；三级加密程序存储器；2568字节内部RAM；32个可编程I/O口线；8个中断源；可编程串行UART通道；低功耗空闲和掉电模式。（2）AT89C52的引脚及其功能介绍。AT89C52提供以下标准功能：40个引脚,8k Bytes Flash片内程序存储器，256bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套，2个16位可编程定时/计数器，2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路,片内时钟振荡器。同时，AT89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。AT89C52的引脚图如下图3-3所示, 该芯片还具有PDIP（Plastic Leaded Chip Carrier，有引线塑料芯片载体）、TQFP（Thin Quad Flat Package，薄型四边引脚扁平封装）和PLCC（Plastic Leaded Chip Carrier，有引线塑料芯片载体）等三种封装形式,以适应不同产品的需求。图3-3 AT89C52的引脚图P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时作为地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻；在Flash编程时，P0口接收指令字节。而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1口：P1是一组带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口P1写“1”时，可通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（ ）。另外P1.0和P1.1还具有第二功能，分别为T2（定时/计数器2外部计数脉冲输入）和T2EX（定时/计数2捕获/重装载触发和方向控制）。8位地址的外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。P3口：P3是一组带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口P3写“1”时，可通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（ ）。P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。P3口除了作为一般的I/O口线外，还有更为重要的第二功能，见下图3-1所示。表3-1 P3口第二功能介绍端口引脚第二功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2（外中断0）P3.3（外中断1）P3.4T0（定时/计数器0外部输入）P3.5T1（定时/计数器1外部输入）P3.6（外部数据储存器写选通）P3.7（外部数据存储器读选通）RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可用于外输出时钟或定时目的，每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。 ：程序储存允许（）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器时，将跳过两次 信号。 ：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH）， 端必须保持低电平（接地）。如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存 端状态。如 端为高电平（接 端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时，该引脚加上12V的编程允许电源 ，当然该器件必须是使用+12V编程电压 。XTAL1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。3.1.2.2 无线收发芯片的选型无线收发芯片的种类和数量比较多，无线收发芯片的选择在设计中是至关重要的，正确的选择可以减小开发难度，缩短开发周期，降低成本，更快地将产品推向市场。选择无线收发芯片时应考虑以下几点因素：功耗、发射功率、接收灵敏度、收发芯片所需的外围元件数量、芯片成本、数据传输是否需要进行曼彻斯特编码等。本次设计选用Chipcon公司推出的可编程RF收发芯片CC1000 ，该芯片集成了射频发射、射频接收、PLL（Phase-Locked Loop，锁相环）合成、FSK（Frequency Shift Keying，移频键控）调制/解调、可编程控制等多种功能，是专为在无线条件下应用所设计的、根据Chipcon公司的SmartRF技术在0.35mCMOS工艺下制造出的一种极低功率单芯片射频收发器。它主要是为315、433、868和915MHz的ISM和SRD设备（Small Range Device，小范围设备）所设计，可以编程工作在3001000MHz范围之间的任一频率上。下面分几个方面介绍CC1000芯片。（1）其主要特点是：具有极低的电流消耗、高灵敏度、体积小、低供电电压、FSK数据传输率可达72.8kbps、FSK调制频谱修正等特点。单端天线连接。小尺寸TSSOP-28封装（Thin Shrink Small Outline Package，超薄的缩小型系统级封装）。为用户提供了简单易用的开发包，凡使用CC1000的客户，Chipcon公司提供Windows界面下使用的SmartRF Studio软件，它将根据用户输入的各项参数（以16进制数表示）给出所有必需的CC1000配置信息。这些16进制数作为CC1000的配置信息将被输入到微控制器里，另外该软件还将向用户提供输入/输出匹配电路和VCO（Voltage Control Oscillator，压控振荡器）电感所需的元件参数值。使用软件可很容易获得CC1000配置参数。主要表现在CC1000对于不同的应用场合能通过编程配置出最佳性能，通过可编程配置寄存器能改变以下主要参数：接收/发送模式；射频输出功率；频率合成主要参数：射频输出频率，FSK分频，晶振参考频率；低电位/高电位模式；晶体振荡开/关模式；传输率和数据格式（NRZ Non Return to Zero非归零码、曼彻斯特码或UART接口）；频率合成锁定指示模式；可选RSSI或外部IF；窄带系统的调制频谱重整。250Hz步长可编程频率，能在无TCXO（Temperature Compensated Crystal Oscillator，温度补偿晶振体振荡器）下对晶体温度漂移进行补偿。使用CC1000芯片设计电路简单，很少使用外围元件、不需要外部射频转换和中频滤波器。（2）利用CC1000芯片组成的系统主要有以下优点：SRD规则。国际法规和国家法律规定了无线电波的接收和发送条例，在大多数欧洲国家，工作在43