粮库无线温度监测系统的设计与实现

邹卫华　肖化

摘 要： 针对粮库有线温度监测布线复杂的缺点，设计并实现了粮库无线温度监测系统。系统采用MSP430F149作为MCU，结合温度传感器DS18B20与nRF24L01+射频芯片完成温度的采集与数据的无线传输，同时利用C#.NET完成了上位机监测软件的开发。测试结果表明，系统能够实时地监测粮库的温度状况，并且测量精度高，符合预期设计结果，具有一定的实用价值。

关键词： 无线温度监测； MSP430F149； DS18B20； nRF24L01+； C#.NET

中图分类号： TN934.8+5； TP277 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）01?0093?03

Abstract： Because of the wiring complexity of the wired temperature monitoring system for grain depot， a wireless temperature monitoring system was designed and implemented. In the system， MSP430F149 is adopted as MCU， temperature sensor DS18B20 and nRF24L01+ RF chip are combined to complete the temperature acquisition and wireless data transmission. The development of PC monitoring software was achieved by means of C#.NET. The testing results show that the system can implement the high?accuracy real?time monitoring of temperature status in grain depot. The design result is in line with expectation. The system has a certain practical value.

Keywords： wireless temperature monitoring； MSP430F149； DS18B20； nRF24L01+； C#.NET

0 引 言

粮食安全作为一个全球性话题，历来受到我国政府的高度重视。粮食的安全储藏是国家为了备战和预防灾荒的重要战略决策，而粮库储粮监测技术又是科学保粮的关键技术之一[1]。影响粮食储存的因素众多，外界的环境因素是其中的重要方面。为了保证存放在粮仓中的粮食不致腐烂变质，就必须使粮仓内的温度、湿度保持在一定的范围以内[2]。因此，为保证粮库粮食的有效存储，对温度进行实时监测极为重要。在日常的粮库温度检测中，可以采用人工定期检测[3]的方法。然而这种方法效率低，并且不能实现实时检测。而有线监测虽然可以做到实时检测，但是，粮库面积大且布局分散，导致布线困难[4]。采用无线方式则可以解决上述问题，本文在此背景下完成了粮库无线温度监测系统的设计。

1 系统总体框架

粮库无线温度监测系统主要包括PC上位机、下位机及监测点电路。监测点电路完成温度采集及发送，主要包括MCU、无线发送电路、温度传感器及液晶显示。下位机完成温度数据的接收、显示，最后通过USB转串口将数据上传给PC上位机监测端显示。PC上位机负责实时监测，上位机监测软件采用C#.NET编写。系统总体框图如图1所示。

2 主要硬件电路设计

2.1 监测点电路

整个监测点电路的核心是MCU。考虑到要兼顾速度与低功耗，选用德州仪器（TI）MSP430系列16位超低功耗混合信号处理器MSP430F149。MSP430系列单片机的电源电压采用1.8～3.6 V低电压，RAM数据保持方式下耗电[5]电流仅0.1 μА。nRF24L01是一款工作在2.4～2.5 GHz国际通用ISM频段的单片无线收发器芯片[6]，可通过SPI接口配置其工作状态为发射或接收状态。系统采用nRF24L01+完成数据的发送和接收功能，nRF24L01+在nRF24L01提供的1 Mb/s或2 Mb/s的无线速率基础上，增加了250 Kb/s的通信速率，功能与nRF24L01类似，在器件的操作上没有太大差异。

温度传感器采用Dallas公司的数字式温度传感器DS18B20。DS18B20 是“单总线”器件，只需一根线与单片机相连即可完成全部操作，具有体积小、分辨率高的特点。其测量温度范围[7]为-55～125 ℃，在-10～85 ℃的范围内，测量精度可达±0.5 ℃，满足粮库实际温度范围-30～60 ℃的测量[8]需要。液晶屏采用5 V供电的LCD1602，可以显示32个字符，满足系统要求。由于输入电压为5 V，而部分芯片工作电压为3.3 V，因此选用AMS1117?3.3 V将电压降至3.3 V后给后续电路使用。测量电路采用模块化的设计方法，各功能既相互独立又便于相互组合。图2所示为监测点电路，限于篇幅，这里只给出了主要的I/O连接。为了提高发射效率，nRF24L01+采用了外接天线的方法。

2.2 下位机电路

下位机电路完成温度数据的接收，同时经过单片机的UART口送给PC端上位机，从而实时地在上位机上显示监测点的温度。下位机电路同样配置了液晶显示，可以在没有PC上位机的情况下显示监测点的温度，使系统更加灵活。为了能够与USB接口连接，采用CH340T实现USB转串口功能，整个电路只需一根USB线即可实现与PC上位机相连。nRF24L01+兼具有收发功能，下位机电路在监测点电路的基础上移除了温度传感器电路，同时增加了MCU与上位机通信电路，其余部分与监测点电路相同。这里只给出了MCU与上位机通信电路，如图3所示。

3 软件设计

3.1 监测点程序设计

监测点程序主要完成温度数据的采集、显示并完成数据的发送，其程序流程图如图4所示。系统初始化完成时钟的配置、与液晶LCD1602和nRF24L01+操作有关的I/O设置。MCU与nRF24L01+通过SPI进行双向通信，在nRF24L01+初始化中，设置发射地址与接收地址相同，地址宽度为5 B。为提高系统性能，降低功耗，将芯片工作模式配置为Enhanced ShockBurstTM。通过配置寄存器CONFIG设置芯片为发送TX模式，信道工作频率为2.4 GHz，频道0作为允许的接收地址并且频道0自动应答ACK允许，当发送数据完成后立刻转为接收状态。通过RF_SETUP寄存器将芯片的数据传输率设为1 Mb/s，工作在最大发射功率0 dBm下。

MCU通过单总线访问DS18B20时，必须按照初始化、ROM操作命令、存贮器操作命令、处理数据的格式进行，由于监测节点只挂了一根DS18B20，因此初始化后可执行跳过ROM命令。DS18B20可通过编程将测量精度设置为9 b，10 b，11 b，12 b，分别对应0.5，0.25，0.125，0.062 5的分辨率，本文将测量精度设置为12 b。

3.2 下位机程序设计

下位机完成温度数据的接收与显示，并将数据通过UART口传送至PC上位机，整个下位机程序流程图如图5所示。初始化操作与监测点发射程序相类似，程序不断检测空中是否有数据，若接收到数据则进行CRC校验，然后MCU从RX_FIFO读出温度数据送至液晶显示，并上传至PC上位机。由于DS18B20温度数据只有两个字节，因此接收有效数据宽度设置为2 B，接收灵敏度设置为-85 dBm。

3.3 上位机监测软件设计

上位机监测软件提供更为友好的人机交互环境，在PC端可以方便地监测粮库温度，并进行其他有关的操作。上位机监测软件采用C#语言基于.NET框架编写，开发环境为Microsoft Visual Studio 2010 Ultimate。

C#是Microsoft在2000年7月推出.NET Framework的第1版时提供的一种全新语言[9]，从C/C++语言派生而来，具有简洁易学的特点。C#是面向对象的语言，同时进一步提供了对面向组件（Component Oriented）编程的支持。.NET Framework是支持生成和运行下一代应用程序和XML Web Services的内部Windows组件[10]，[.NET] Framework可以创建Windows应用程序、Web应用程序、Web服务和其他各种类型的应用程序。上位机监测软件在Visual C#环境下，基于.NET Framework 4.0创建Windows Forms Application。由于上位机通过USB转串口的方式实时地与单片机进行通信，因此需要串口编程。在Visual C#环境下，提供了功能强大的串口组件serialPort，在serialPort中可以方便地设置与串口通信有关的端口号PortName、波特率BaudRate、数据位DataBits、校验位Parity、停止位StopBits等，可以方便地完成串口的初始化操作。采用事件触发的方式，当检测到串口有数据时即进行读取，进行处理后在界面上显示监测点的温度值。设计好的上位机监测软件界面如图6所示，除了基本的实时温度监测功能外，还可进行温度报警设置，以便在超出设定范围时提醒管理者进行相应处理。

4 系统测试

在最大发射功率为0 dBm、接收灵敏度为-85 dBm条件下，搭建系统后进行测试。在约16 m2的室内，数据能够正确传输并无延时。在室外空旷的条件下，150 m范围内正确传输，延时约2～4 s，最大传输距离超过270 m，根据温度不能突变的特性，仍然满足温度实时监测的要求。上位机软件调试确认无误后通过Publish生成可发布的应用程序，软件在Windows XP 32位和Windows 7 64位系统上均进行了测试，测试结果表明，上位机软件在两种操作系统上均可良好地运行。

5 结 语

设计并实现了粮库无线温度监测系统，给出了总体方案、主要硬件原理图及软件设计流程。充分利用MSP430F149及收发一体芯片nRF24L01+的优势，结合功能强大的C#.NET完成了整个系统的设计。实际测试表明，系统能够完成温度实时监测的目标，系统灵活可扩展，具有一定的实用价值。

参考文献

[1] 王永志，刘媛媛.大型粮库的温湿度监测报警控制系统[J].农机化研究，2008（8）：167?169.

[2] 石伟.粮库温度智能检测系统研究[D].武汉：华中科技大学，2004.

[3] 包长春，李志红，张立山，等.基于ZigBee技术的粮库监测系统设计[J].农业工程学报，2009，25（9）：197?201.

[4] 衣翠平.基于无线传感器网络的粮库温湿度实时监控系统研究[D].长春：长春理工大学，2012.

[5] 沈建华，杨燕琴，翟骁曙.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[6] 谭辉.Nordic中短距离无线应用入门与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.

[7] 何东坡，任贵波，韩春鹏，等.DS18B20在季冻土区公路路基温度场测量中的应用[J].电子技术应用，2010（4）：48?50.

[8] 袁易君.基于nRF905粮库温湿度监测系统设计[J].低压电器，2009（14）：40?42.

[9] WATSON K， NAGEL C. C#入门经典[M].齐立波，译.北京：清华大学出版社，2008.

[10] 崔群法，唐有明，王俊伟.Visual C# 2008从入门到精通[M].北京：电子工业出版社，2009.