朱滿意 尹愛(ài)兵 王曉俠 李有路

（安徽文達(dá)信息工程學(xué)院電子電氣工程學(xué)院，安徽 合肥 231201）

受糧食自身的特性影響，糧食儲(chǔ)藏存在儲(chǔ)藏周期長(zhǎng)、儲(chǔ)藏環(huán)節(jié)檢測(cè)工作難度大，測(cè)量設(shè)備功耗高等問(wèn)題。近幾年，因?yàn)榧Z庫(kù)失火給個(gè)人和國(guó)家?guī)?lái)了不少經(jīng)濟(jì)損失，糧食始終是國(guó)家安全、社會(huì)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，任何時(shí)候都不能出現(xiàn)閃失。近幾年糧庫(kù)發(fā)生的火災(zāi)情況如表1 所示。

表1 糧庫(kù)火災(zāi)統(tǒng)計(jì)

本文研究基于低功耗技術(shù)的大農(nóng)戶倉(cāng)溫度檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)解決糧食儲(chǔ)存安全問(wèn)題——大農(nóng)戶能隨時(shí)監(jiān)控糧倉(cāng)溫度，并采取相應(yīng)的措施，促進(jìn)大農(nóng)戶這一未來(lái)農(nóng)地經(jīng)營(yíng)主體的可持續(xù)健康發(fā)展，具有理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。[1-5]

對(duì)于大農(nóng)戶來(lái)說(shuō)，存糧的體量比較大，對(duì)于管理人員少，缺乏對(duì)糧倉(cāng)溫度的及時(shí)檢測(cè)和長(zhǎng)期使用高功耗的測(cè)溫設(shè)備，若不及時(shí)采取措施，倉(cāng)內(nèi)溫度過(guò)高可能會(huì)對(duì)糧食造成腐爛。鼓勵(lì)大農(nóng)戶科學(xué)儲(chǔ)存糧食和使用溫度監(jiān)控系統(tǒng)，如何利用信息技術(shù)對(duì)糧倉(cāng)安全管理提出了更高、更新的要求，不僅要節(jié)約管理成本，還要高效化。溫度的測(cè)量是糧倉(cāng)管理的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，必須保證精確的溫度控制。[6-10]

防止糧食腐爛發(fā)霉，保證糧倉(cāng)內(nèi)干燥，溫度是衡量糧倉(cāng)管理工作的重要指標(biāo)。但傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，而且誤差較大，因此需要制造成本低廉、產(chǎn)品簡(jiǎn)單、使用方便、測(cè)量精確的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

為了滿足測(cè)溫過(guò)程信號(hào)較容易處理要求，設(shè)計(jì)一種基于低功耗技術(shù)的可遠(yuǎn)程無(wú)線多點(diǎn)傳輸?shù)臏囟葴y(cè)量系統(tǒng)，可以完成大農(nóng)戶倉(cāng)的多點(diǎn)溫度檢測(cè)和顯示功能。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，功能齊全，是單片機(jī)智能化的一種應(yīng)用。

當(dāng)前，我國(guó)有多處地方生產(chǎn)測(cè)溫檢測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)品，而且種類眾多，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)各不相同，但是基本上都能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)糧倉(cāng)內(nèi)溫度的監(jiān)控和分析等。常用的溫度檢測(cè)方法有紅外測(cè)溫技術(shù)、測(cè)溫電纜技術(shù)、聲層析成像法，進(jìn)行溫度檢測(cè)的傳感器有壓電式，電容式，壓阻式。表2 為常見(jiàn)糧食溫度檢測(cè)方法。[11-13]

表2 常見(jiàn)糧食溫度檢測(cè)方法

1 關(guān)鍵技術(shù)及主要技術(shù)指標(biāo)

1.1 關(guān)鍵技術(shù)

1.單片機(jī)主控芯片低功耗設(shè)計(jì)應(yīng)用技術(shù)。

2.通訊：采用中繼轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，保證通信距離，滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

3.信號(hào)傳輸采用GFSK/FSK 調(diào)制方式，抗干擾能力強(qiáng)，系統(tǒng)采用多種通信校驗(yàn)方式，包括通信重發(fā)、數(shù)據(jù)解析等手段，保證通信的穩(wěn)定性和可靠性。

傳統(tǒng)的測(cè)溫系統(tǒng)及通信設(shè)備需要供電，有線傳輸數(shù)據(jù)，管理成本高，存在安全隱患，受現(xiàn)場(chǎng)電源干擾大、抗干擾能力差、雷擊概率大、需要人員現(xiàn)場(chǎng)拉線、安裝成本高。本文的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)技術(shù)相比最大的優(yōu)點(diǎn)在于它的低功耗，表現(xiàn)如下：

1.采用電池采集模式，省去安裝成本，可靠性高，低功耗，干擾小。

2.主機(jī)采用物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線自組網(wǎng)數(shù)傳模塊，采用低功耗設(shè)計(jì)，采集器待機(jī)電流小于200UA，喚醒工作發(fā)射最大電流小于200MA。

3.程序編寫采用掉電模式，軟件上實(shí)現(xiàn)了低功耗；硬件上從主機(jī)到采集器之間采取了喚醒和休眠按鍵功能，需要測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)采用喚醒模式，不讀取數(shù)據(jù)時(shí)為休眠狀態(tài)，保證了數(shù)據(jù)傳輸上的低功耗；系統(tǒng)采用一次性大容量鋰電池，電池容量為10000MAH，可持續(xù)工作5 年，年損耗低至1%。在低功耗方面比現(xiàn)有技術(shù)有顯著進(jìn)步。

1.2 技術(shù)指標(biāo)

1.采集器待機(jī)電流小于200UA。

2.喚醒工作發(fā)射最大電流小于200MA。

3.通信距離無(wú)遮擋大于2KM。

4.采集器可傳輸數(shù)據(jù)大于3000次、可連續(xù)工作5年。

5.通訊頻段：470MHZ 無(wú)線通信頻段。

6.測(cè)量3 個(gè)溫度點(diǎn)的溫度，溫度范圍為-30℃至150℃，溫度精度小于1℃。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件方案包括實(shí)現(xiàn)的原理、硬件設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)微處理器采用STC 系列單片機(jī)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊SWRF-1E80 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)透?jìng)鞴δ埽軌驅(qū)崟r(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度信號(hào)進(jìn)行采集。整個(gè)系統(tǒng)的原理框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

首先進(jìn)行的是系統(tǒng)的初始化，然后由熱敏電阻感應(yīng)外界環(huán)境溫度后，把電壓值經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)化電壓值，經(jīng)過(guò)微處理器處理后，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)無(wú)線模塊串行端口MCU，測(cè)量的數(shù)據(jù)收集起來(lái)，把測(cè)量結(jié)果，在PC 端軟件顯示和保存，如圖2 所示。

圖2 軟件流程圖

3 硬件調(diào)試與實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1 主機(jī)與采集器之間通信

主機(jī)采用物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線透?jìng)髯越M網(wǎng)模式，點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)透明傳輸模式。多數(shù)據(jù)接口方式UART TTL 電平接口，低功耗休眠模式，適合電池供電?？垢蓴_能力強(qiáng)，支持信號(hào)強(qiáng)度的讀取，通信時(shí)間短，圖3 為主機(jī)發(fā)射模塊。

圖3 主機(jī)發(fā)射模塊

圖4 為數(shù)據(jù)采集器，它與主機(jī)一起構(gòu)成通信系統(tǒng)，通過(guò)主機(jī)發(fā)射的喚醒信號(hào)后，采集器被喚醒，等待主機(jī)發(fā)射啟動(dòng)具體的位置的倉(cāng)信號(hào)指令后，采集器就會(huì)回傳本倉(cāng)的溫度信息。

圖4 采集器模塊

3.2 穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

該電路用于系統(tǒng)能量供應(yīng)，圖5 為電路實(shí)物圖，把原來(lái)的純鋰電池供電方式更換為更加環(huán)保的太陽(yáng)能供電方式，太陽(yáng)能板把光能轉(zhuǎn)化成電能，把多余的電能儲(chǔ)存到鋰電池中，這樣就節(jié)約了很多電能，源源不斷地給模塊供電，達(dá)到低碳環(huán)保的效果。

圖5 電路實(shí)物圖

圖6 為整體測(cè)試系統(tǒng)，一端連接上位機(jī)，一端連接需要測(cè)量的糧倉(cāng)中，把溫度信息傳送到上位機(jī)，信息可以自動(dòng)轉(zhuǎn)換溫度值顯示在屏幕上，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便。發(fā)射喚醒指令時(shí)，如果主機(jī)和采集器信道連接成功，主機(jī)模塊指示燈就會(huì)變?yōu)榫G色，否則指示燈為紅色，發(fā)送休眠指令時(shí)，指示燈熄滅，實(shí)現(xiàn)了通信狀態(tài)下的低功耗。

圖6 整機(jī)測(cè)試圖

3.3 上位機(jī)溫度界面顯示

通過(guò)采集器回傳的信號(hào)給主機(jī)，主機(jī)可以把模數(shù)轉(zhuǎn)換后信號(hào)，在上位機(jī)上顯示。

通信指令：圖7 所示的分機(jī)號(hào)為01，通道號(hào)為04，表示具體是哪一個(gè)采集器的位置（糧倉(cāng)位置），在分機(jī)返回一系列的十六進(jìn)制信息，可轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制，其中數(shù)據(jù)包含通道的狀態(tài)信息，電池的電量信息，分機(jī)定義的點(diǎn)數(shù)，分機(jī)每次返回采集點(diǎn)個(gè)數(shù)以及溫度值。每秒傳送字節(jié)數(shù)9600，代表每秒傳輸9600 個(gè)字節(jié)，一個(gè)字節(jié)為10 位，一個(gè)起始位為低電平，8 個(gè)數(shù)據(jù)位和一個(gè)停止位（高電平）。為了顯示溫度方便，使其在上位機(jī)上自動(dòng)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制溫度值，大農(nóng)戶可以直接在終端查看倉(cāng)內(nèi)溫度值變化情況，從界面上可以看出，顯示三個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度均為19.5℃。

圖7 讀取溫度數(shù)據(jù)值

可以同時(shí)測(cè)試和顯示15 個(gè)溫度點(diǎn)，本設(shè)備處于實(shí)驗(yàn)室階段，目前只設(shè)置3 個(gè)溫度測(cè)試點(diǎn)。

系統(tǒng)測(cè)試溫度值是否符合當(dāng)前真實(shí)溫度，需要進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，經(jīng)測(cè)試，結(jié)果如下表3 所示：

表3 測(cè)試溫度與實(shí)際溫度對(duì)比表

在室內(nèi)測(cè)試時(shí)，系統(tǒng)測(cè)量溫度與實(shí)際溫度誤差都在3%以內(nèi)，目前處于試驗(yàn)階段，根據(jù)目前的測(cè)試結(jié)果來(lái)看，通信正常，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，可靠性高，下一步可進(jìn)行糧倉(cāng)試驗(yàn)和投入使用。

4 總結(jié)

遠(yuǎn)程操作無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)，用戶可以在終端喚醒主機(jī)與采集器模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，把采集器采集的溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)化后，數(shù)據(jù)傳輸至物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線數(shù)傳模塊，支持全透明數(shù)據(jù)傳輸，適應(yīng)任何協(xié)議的無(wú)線傳輸要求。采用模塊的透?jìng)髂Ｊ?，即點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)透明傳輸模式，模塊具備低功耗休眠功能。

該產(chǎn)品大農(nóng)戶糧倉(cāng)溫度監(jiān)控，也適用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)溫度檢測(cè)，比如大棚蔬菜室內(nèi)溫度的監(jiān)控。目前產(chǎn)品滿足低功耗，能長(zhǎng)久使用，工作效率高，具有遠(yuǎn)程監(jiān)控，多點(diǎn)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，市場(chǎng)需求量大，有較好的發(fā)展前景，能帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。