基于物联网架构的煤炭仓储环境温度湿度监控系统设计

煤炭是我国重要的基础能源，由于煤炭遇明火易发生燃烧爆炸，对温度和湿度的控制要求较高，给库存管理带来了一定的难度和挑战。进行煤炭仓储要确保仓储环境温度、湿度适宜，保证煤炭产品质量的同时，防止意外事故的发生。由于种种原因，我国煤炭行业对仓储管理不够重视，仓储环境也不能达到规范要求，利用自动化技术与通信技术对煤炭仓储环境的温度和湿度进行监控，能够加强对煤炭仓储的有效管理，降低产品损耗，进而提升企业利润。

依靠人工无法实现对煤炭仓储环境的有效监控，参数的采集和处理也存在缺陷，不能覆盖所有的仓储环境。利用物联网技术则可以有效解决这一问题，仓储环境中的温度、湿度等参数通过转换传输到局域网中，再由监控中心对数据进行处理判断，并采取相应的措施，计算机发布指令执行相关的设备开关来实现对温度、湿度的控制。

在仓储环境中布置一定数量的温度和湿度传感器，实时获得相关参数，利用无线传输模块将数据传输到单片机模块，分析处理后得到具体的控制指令。系统包括3个层面：

(1）感知层利用感知层的传感器对仓储环境进行直接的监控，并将获得的环境参数及时传递到监控中心。当前市场上的传感器成本低廉，数据采集效果良好，适用于煤炭仓储环境中；

(2）通信层利用物联网中的通讯技术实现数据的传递和共享，可以引入无线传输技术，减少监控系统的线路布置，且数据信息的传递不受空间限制；

(3）控制层控制层主要是控制中心的计算机系统，负责对传感器采集到的数据进行处理分析，并将控制指令通过通信层传输到控制设备，实现对仓储环境的温度和湿度控制。

节点传感器主要由4个模块组成：数据采集模块、数据处理模块、通信模块和供能模块，其结构关系如图1所示。数据采集模块负责对采集煤炭仓储环境中的温度和湿度信息，并将其转换为控制器可以识别的数字信号，经过处理模块对数据进行存储和放大，然后利用通信模块实现与其他传感器之间的资源信息共享，并将数据上传到监控中心，供能模块的作用就是为以上模块提供能量。温度传感器选择SHT11系列，该传感器以CMOSensTM技术为核心，可以同时采集环境中的温度信号和湿度信号，传感器上安装有CC2430芯片，能够对采集到的数据进行传输和共享。传感器工作时，由SHT11采集温度湿度信息后转化为数字信号，将信号传递给CC2430进行数据的发送，节点传感器的电源为AA型号电池，由于电池供能有限，在不需要传感器采集信号时可以设置为自动休眠模式，或者将电源调成单一模式供电，以延长系统工作时间。SHT11与处理器之间的连接方式为串行，通过数据线实现两者的快速同步，系统的三态门读取并存储数据。为了减少不同信号传递过程中产生的相互干扰，将微处理器的驱动设定为低电平模式。在进行硬件安装时，可以将传感器与拓展插口连接，构成一个独立的模块，零件之间的连接更加紧密。

图1 节点传感器结构组成  下载原图
 

单片机选择MC9S12X128型号的单片机，该型号单片机数据处理速度快，系统容量大，能够快速的传递和接收信号。适应性强，能够在仓储环境中稳定运行。且兼容性强，能够与多种ADC进行共同工作，转换时间段，拥有自动计时功能。除此之外，系统能耗低，出现问题时会自动向监控中心报错，方便更换和维修，能够满足监控系统的各项要求。

传感器与单片机之间的连接主要依靠Dout接口实现，先在传感器供电接口上外接电感，然后用电容把Dout数据出口与传感器连接，并将传感器接地，当三者处于同一个信号状态时，传感器将通过接口不断向单片机传输数据。

传输模块与传感器直接通过引脚连接，分别将传输模块与电源模块接到地上，然后将传输模块连接到单片机上的P0接口，最后把传输模块的各类引脚如CSN、SCk等接到P0口对应的位置上，完成两者之间的连接。

单片机与PC之间的连接如图2所示。利用串口通讯的方式将单片机与PC进行连接，通信过程中，串口通信协议用来识别验证单片机与PC,PC上的不同接口模块可以将不同型号的单片机连接到PC上，进而实现两者直接数据的有效传递。

图2 单片机与PC机接口  下载原图
 

利用无线模块对数据进行收发，其流程如图3所示。传感器在煤炭仓库中获得环境中的温度和湿度后，对参数进行转换处理，转换成系统能够识别的数字信号，数字信号通过数据线传递到单片机中进行存储，单片机通过与之相连的无线传输模块将数据发送出去，数据的传输可以纵向传递给控制中心计算机，也可以横向传给其他无线模块，实现数据信息的共享，整个数据通信流程需依靠相关的软件程序实现。

图3 收据收发流程  下载原图
 

无线传输程序主要负责实现单片机与传输模块的相关功能，给两者的数据传递提供支持。首先对相关的硬件设备进行参数初始化处理，并按照设定好的参数输入，确保不同串口之间的一一对应。根据信号的采集对象和数据的传递方向编写数据传输程序，并向监控中心计算机发送节点地址，等待计算机的响应，确认后进行数据接收模块和数据发送模块的软件编写，并对数据的传输情况进行检验和修正，实现软件的优化设计。

为了提高对煤炭仓储环境的监控质量，可以采用可视化程序进行参数界面设计，将煤炭仓储环境中的温度和湿度信息直观的显示在计算机界面上，方便监控人员根据实际情况灵活应对，避免了由于监控系统自动工作可能出现的误操作等问题。为了确保监控人员能够对数据进行准确的判断和分析，程序也要提供参数实时曲线和一些常用的参数计算程序，提高环境温度湿度监控质量。

煤炭仓储环境中的温度和湿度情况将直接影响煤炭质量，当前煤炭仓储对温度和湿度监控不足，造成较大的产品浪费，同时也存在安全隐患。以物联网架构为核心，分层次的进行仓储环境监控系统的设计，传感器采集信息，通信系统传输信号并由监控中心综合处理。能够及时获得仓储环境中的温度和湿度信息，有利于实现仓储自动化管理。同时，监控系统的引入也能有效应对仓储管理中出现的意外情况，对煤炭企业意义深远，应该引起相关企业的重视。