• 基于物聯網架構的煤炭倉儲環境溫度濕度監控系統設計

    2022-01-07 15:25| 發布者: www.artist-contribution.com| 查看:

    摘要: 我國煤炭產量巨大,煤炭倉儲管理不規范,影響了煤炭產品質量,也容易出現安全事故。煤炭倉儲管理需要時刻注意環境中的溫度、濕度等信息,以物聯網為核心,設計溫度、濕度監控系統,實現對倉儲環境的及時監控。介紹監控系統總體結構,并對其硬件結構和軟件結構進行詳細闡釋,分析關鍵技術原理。監控系統自動化程度 ...

    0 引言

    煤炭是我國重要的基礎能源,由于煤炭遇明火易發生燃燒爆炸,對溫度和濕度的控制要求較高,給庫存管理帶來了一定的難度和挑戰。進行煤炭倉儲要確保倉儲環境溫度、濕度適宜,保證煤炭產品質量的同時,防止意外事故的發生。由于種種原因,我國煤炭行業對倉儲管理不夠重視,倉儲環境也不能達到規范要求,利用自動化技術與通信技術對煤炭倉儲環境的溫度和濕度進行監控,能夠加強對煤炭倉儲的有效管理,降低產品損耗,進而提升企業利潤。

    1 倉儲環境溫度濕度監控系統總體結構

    依靠人工無法實現對煤炭倉儲環境的有效監控,參數的采集和處理也存在缺陷,不能覆蓋所有的倉儲環境。利用物聯網技術則可以有效解決這一問題,倉儲環境中的溫度、濕度等參數通過轉換傳輸到局域網中,再由監控中心對數據進行處理判斷,并采取相應的措施,計算機發布指令執行相關的設備開關來實現對溫度、濕度的控制。
    在倉儲環境中布置一定數量的溫度和濕度傳感器,實時獲得相關參數,利用無線傳輸模塊將數據傳輸到單片機模塊,分析處理后得到具體的控制指令。系統包括3個層面:
    (1)感知層利用感知層的傳感器對倉儲環境進行直接的監控,并將獲得的環境參數及時傳遞到監控中心。當前市場上的傳感器成本低廉,數據采集效果良好,適用于煤炭倉儲環境中;
    (2)通信層利用物聯網中的通訊技術實現數據的傳遞和共享,可以引入無線傳輸技術,減少監控系統的線路布置,且數據信息的傳遞不受空間限制;
    (3)控制層控制層主要是控制中心的計算機系統,負責對傳感器采集到的數據進行處理分析,并將控制指令通過通信層傳輸到控制設備,實現對倉儲環境的溫度和濕度控制。

    2 溫濕度監控系統硬件設計

    2.1 節點傳感器設計

    節點傳感器主要由4個模塊組成:數據采集模塊、數據處理模塊、通信模塊和供能模塊,其結構關系如圖1所示。數據采集模塊負責對采集煤炭倉儲環境中的溫度和濕度信息,并將其轉換為控制器可以識別的數字信號,經過處理模塊對數據進行存儲和放大,然后利用通信模塊實現與其他傳感器之間的資源信息共享,并將數據上傳到監控中心,供能模塊的作用就是為以上模塊提供能量。溫度傳感器選擇SHT11系列,該傳感器以CMOSensTM技術為核心,可以同時采集環境中的溫度信號和濕度信號,傳感器上安裝有CC2430芯片,能夠對采集到的數據進行傳輸和共享。傳感器工作時,由SHT11采集溫度濕度信息后轉化為數字信號,將信號傳遞給CC2430進行數據的發送,節點傳感器的電源為AA型號電池,由于電池供能有限,在不需要傳感器采集信號時可以設置為自動休眠模式,或者將電源調成單一模式供電,以延長系統工作時間。SHT11與處理器之間的連接方式為串行,通過數據線實現兩者的快速同步,系統的三態門讀取并存儲數據。為了減少不同信號傳遞過程中產生的相互干擾,將微處理器的驅動設定為低電平模式。在進行硬件安裝時,可以將傳感器與拓展插口連接,構成一個獨立的模塊,零件之間的連接更加緊密。
    圖1 節點傳感器結構組成圖1 節點傳感器結構組成  下載原圖
     

    2.2 單片機設計

    單片機選擇MC9S12X128型號的單片機,該型號單片機數據處理速度快,系統容量大,能夠快速的傳遞和接收信號。適應性強,能夠在倉儲環境中穩定運行。且兼容性強,能夠與多種ADC進行共同工作,轉換時間段,擁有自動計時功能。除此之外,系統能耗低,出現問題時會自動向監控中心報錯,方便更換和維修,能夠滿足監控系統的各項要求。

    2.3 通信模塊設計

    傳感器與單片機之間的連接主要依靠Dout接口實現,先在傳感器供電接口上外接電感,然后用電容把Dout數據出口與傳感器連接,并將傳感器接地,當三者處于同一個信號狀態時,傳感器將通過接口不斷向單片機傳輸數據。
    傳輸模塊與傳感器直接通過引腳連接,分別將傳輸模塊與電源模塊接到地上,然后將傳輸模塊連接到單片機上的P0接口,最后把傳輸模塊的各類引腳如CSN、SCk等接到P0口對應的位置上,完成兩者之間的連接。
    單片機與PC之間的連接如圖2所示。利用串口通訊的方式將單片機與PC進行連接,通信過程中,串口通信協議用來識別驗證單片機與PC,PC上的不同接口模塊可以將不同型號的單片機連接到PC上,進而實現兩者直接數據的有效傳遞。
    圖2 單片機與PC機接口圖2 單片機與PC機接口  下載原圖
     

    3 監控系統軟件設計

    利用無線模塊對數據進行收發,其流程如圖3所示。傳感器在煤炭倉庫中獲得環境中的溫度和濕度后,對參數進行轉換處理,轉換成系統能夠識別的數字信號,數字信號通過數據線傳遞到單片機中進行存儲,單片機通過與之相連的無線傳輸模塊將數據發送出去,數據的傳輸可以縱向傳遞給控制中心計算機,也可以橫向傳給其他無線模塊,實現數據信息的共享,整個數據通信流程需依靠相關的軟件程序實現。
    圖3 收據收發流程圖3 收據收發流程  下載原圖
     

    3.1 無線傳輸程序設計

    無線傳輸程序主要負責實現單片機與傳輸模塊的相關功能,給兩者的數據傳遞提供支持。首先對相關的硬件設備進行參數初始化處理,并按照設定好的參數輸入,確保不同串口之間的一一對應。根據信號的采集對象和數據的傳遞方向編寫數據傳輸程序,并向監控中心計算機發送節點地址,等待計算機的響應,確認后進行數據接收模塊和數據發送模塊的軟件編寫,并對數據的傳輸情況進行檢驗和修正,實現軟件的優化設計。

    3.2 上位機程序

    為了提高對煤炭倉儲環境的監控質量,可以采用可視化程序進行參數界面設計,將煤炭倉儲環境中的溫度和濕度信息直觀的顯示在計算機界面上,方便監控人員根據實際情況靈活應對,避免了由于監控系統自動工作可能出現的誤操作等問題。為了確保監控人員能夠對數據進行準確的判斷和分析,程序也要提供參數實時曲線和一些常用的參數計算程序,提高環境溫度濕度監控質量。

    4 結語

    煤炭倉儲環境中的溫度和濕度情況將直接影響煤炭質量,當前煤炭倉儲對溫度和濕度監控不足,造成較大的產品浪費,同時也存在安全隱患。以物聯網架構為核心,分層次的進行倉儲環境監控系統的設計,傳感器采集信息,通信系統傳輸信號并由監控中心綜合處理。能夠及時獲得倉儲環境中的溫度和濕度信息,有利于實現倉儲自動化管理。同時,監控系統的引入也能有效應對倉儲管理中出現的意外情況,對煤炭企業意義深遠,應該引起相關企業的重視。