EEPW论坛

作者：井冈山大学 邹俊华 郭晓嫚 朱盛苹
指导教师：肖开选 过继红

　　作品简介

　　1、创作背景
　　据财讯网报道：日前，农业部农产品加工局局长张天佐在出席“2012农业科技创新发展论坛暨第三届中国现代农业产业投融资峰会”时披露，由于国内设施简陋、方法原始、工艺落后，农产品损失严重，每年仅粮食损失量就高达500亿斤。据农业部相关专家测算，目前我国在粮食、水果、蔬菜的产后损失率分别为7%-11%、15%-20%和20%-25%，远高于发达国家，折算经济达3000亿元以上，相当于1亿多亩耕地的投入和产出被浪费。而我国以世界7%的耕地面积养活世界22%的人口，在有限的耕地面积内，农产品“减损”即“增产”。“民以食为天”，粮食安全存储急需改善。　　

 　　针对此现状，我们走访了中央储备粮吉安直属库，上网查阅了国内大型储备粮监测模式的资料，了解到国内大部分粮仓目前仍采用着传统的人工监测模式，这种模式运行成本高、效率低、信息反馈滞后。为此，我们设计了一种粮仓环境监测、驱鼠、防灾智能巡检小车模拟系统。　　

 　　2、功能简介
　　系统以STC15F2K60S2单片机为控制器，控制四路红外探测、超声波测距、电机驱动、温湿度检测、烟雾检测、人体红外检测、GSM通信、无线传送、液晶显示、语音报警、无线测温上位机系统，超声波驱鼠。实现智能巡检、粮仓环境自动检测、危情报警并处理、信息远程查看、防盗防灾、驱鼠等功能。

　　3、结构说明
　　该系统以STC15F2K60S2单片机为控制器。模块有四路红外探测和超声波测距、电机驱动、温湿度检测、烟雾检测、人体红外检测、GSM通信、无线传送、液晶显示、语音报警、无线测温上位机系统、电子驱鼠器。

　　3.1控制部分
　　(1)寻迹模式。由四路红外探测和超声波测距检测路面信号，经控制器处理，进而控制小车正常行驶。
　　(2)自动检测模式。人体感应设备检测是否有人进仓。寻迹过程，车上的温湿度传感器、烟雾传感器自动检测仓内环境温湿度、烟雾浓度。
　　(3)危情处理模式。危情时启动继电器，从而控制相应设备的启动与关闭。

　　3.2传输部分
　　nRF24L01无线传输模块。完成信息的传输，进而控制相关电路启动。

　　3.3提示部分
　　(1)显示模块。12864液晶作为显示器。
　　(2)报警模块。基于ISD4004芯片实现语音录放功能。
　　(3)全球移动通信系统(GSM)。将检测信息和报警信息以手机短信形式自动发送。
　　(4)智能系统与计算机无线通信，实现温度变化远程查看

　　3.4外接部分
　　(1)继电器。分别模拟降温、降湿、灭火设备开关。
　　(2)电子驱鼠器。间歇地发出低频超声波，刺激鼠虫听觉系统和神经系统，使其无法在此环境生存而逃离。无污染，对人体无害。有效作用面积在100平方米左右。　　

 　　平台选型说明

　　硬件平台：
　　我们选用以STC15F2K60S2芯片为核心的单片机为硬件开发平台，该芯片具有38个I/O口，61K字节片内Flash程序存储器，片内大容量2048字节的SRAM,大容量片内EEPROM，共8通道10位高速ADC，3路PWM可当3路D/A使用。具有基于JTAG接口的系统调试功能。内部高可靠复位，8级可选复位门槛电压。两组高速异步串行通信端口，一组高速异步串行通信端口SPI,板载一个USB口实现系统供电，程序下载，通信功能。

　　软件平台：
　　在PCB设计上，我们使用Altium Designer Summer完成电路设计。
　　在程序编写上，我们选用Keil软件C语言编程。

　　设计说明

　　1、总体方案设计
　　该智能巡检系统主要以STC15F2K60S2单片机为控制器。

　　系统整体工作状况：由四路红外探测和超声波测距模块构成的路面检测系统检测信号，并向控制器反馈信息，进而控制电机驱动电路，使小车按照指定路线寻迹前行，前方10厘米内有障碍物时，小车停止行走且开始报警，移开障碍物后，小车继续前行。寻迹过程，系统进入自动检测模式，采集仓内环境温湿度、烟雾浓度及仓内是否有人，检测信号经无线传送，显示于LCD液晶上。信息经控制器处理，若数据不在设定范围，系统进入报警模式，同时，启动继电器，控制相应设备的启动与关闭，实现仓内环境的自动监控。系统通过全球移动通信系统(GSM)将检测信息和报警信息以手机短信形式自动发送。在实现以上功能的基础上，我们设计了人机交互平台，无线测温上位机系统，完成与计算机的无线通信，实现所检测温度数据的远程查看。

　　此外，系统另配带电子驱鼠器，无污染、对人体无害，降低鼠虫害带来的损失。其整体控制结构如图1　　

 　　2、系统硬件部分
　　该系统包含12个硬件模块。有无线测温上位机系统、电机驱动电路、四路红外探测电路、温湿度检测模块、烟雾检测模块、人体红外检测模块、超声波测距模块、GSM通信模块、无线传送模块、液晶显示电路、语音报警电路、电子驱鼠器。

　　2.1 单片机控制模块
　　系统以STC15F2K60S2单片机硬件为主控制器，该芯片具有38个I/O口，61K字节片内Flash程序存储器，片内大容量2048字节的SRAM,大容量片内EEPROM，共8通道10位高速ADC，3路PWM可当3路D/A使用。具有基于JTAG接口的系统调试功能。内部高可靠复位，8级可选复位门槛电压。两组高速异步串行通信端口，一组高速异步串行通信端口SPI,板载一个USB口实现系统供电，程序下载，通信功能。其原理框图(图2)和引脚分布图(图3)如图　　

 　　2.2 智能寻迹和遇障报警功能电路设计
　　此功能靠四路红外探测和超声波测距模块构成的路面信号检测系统、电机驱动电路、语音报警电路来实现。路面检测系统将检测到的信号反馈到控制器，进而控制电机驱动，使小车在仓内按照指定路线寻迹前行，当前方10厘米内有障碍物时，小车停止行走且开始报警，移开障碍物后，小车继续前行。红外探测电路(图4)、超声波测距模块(图5)和控制结构(图6)如图　　

 　　2.3温湿度采集模块
　　采用温湿度一体化的数字传感器DHT11检测环境温湿度。该传感器包括一个电阻式测湿元件和一个 NTC 测温元件， 模块与单片机之间采用单总线进行通信，仅需一个I/O 口。数据采用校验和方式进行校验，有效的保证数据传输的准确性。其外部结构及引脚如图7　　

 　　2.4 烟雾状况采集模块
　　采用MQ-2检测环境烟雾浓度。该模块对环境液化气、甲烷、丙烷、丁烷、烟雾等较敏感。5V工作电压，外接GND，模块与单片机之间以单总线通信，模拟接口AO输出电压随气体浓度增大而增大。当其所在环境气体浓度超过设定阈值时，其数字接口DO输出信号。其外部结构如图8

　　2.5 进仓人员采集模块
　　HC-SR501人体感应模块采用双圆探头，对人体红外光谱全自动感应，人进出其感应范围则发出信号，我们根据输出信号监测是否有人进仓。其外部结构如图9　　

　　2.6 无线传输模块
　　nRF24L01无线传输模块支持2.4Ghz全球开放SIM频段免许可证使用，高效GSFK调制，抗干扰能力强。126频道，满足多点通信和跳频通信需要。内置硬件检错和点对多点通信地址控制、2.4Ghz天线和专门稳压电路。有收发、配置、空闲、关机四种工作模式。内部结构(图10)和引脚说明(图11)如图　　

 　　2.7 液晶显示模块
　　采集到的环境温湿度、烟雾浓度及是否有人进仓信息，经无线传送，显示在12864液晶上。12864液晶微功耗，且易控制。其外形(图12)及与MCU组成的液晶显示模块(图13)如图　　

 　　2.8 语音报警模块
　　当温湿度、烟雾浓度不在设定范围时，信号经无线传输，控制语音报警电路，语音报警电路是基于ISD4004芯片与单片机串行通信实现语音录放功能，3V单电源工作，多段信息处理，有自动静噪功能。与MCU组成的报警电路如图14