張 廣 宇

(上海瀛明市政工程有限公司 上海 202150)

0 引 言

中國(guó)是一個(gè)自古以來(lái)就一直以農(nóng)業(yè)為主的國(guó)家，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的糧食一直是人民生存的最主要物質(zhì)基礎(chǔ)。我國(guó)人口數(shù)量的增加使糧食的存儲(chǔ)關(guān)系到國(guó)家的長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展。糧食的存儲(chǔ)受許多因素影響，最常見(jiàn)的就是溫度、濕度和通風(fēng)情況，當(dāng)糧倉(cāng)中的環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，管理人員要及時(shí)對(duì)環(huán)境進(jìn)行處理，不然就會(huì)造成糧食儲(chǔ)存事故。所以建立安全的糧食存儲(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)是非常重要的工作。

如果糧倉(cāng)中的溫度和濕度發(fā)生變化，導(dǎo)致糧食不在合理的溫度和濕度下，糧食就會(huì)發(fā)生霉變，最終導(dǎo)致糧食浪費(fèi)，給國(guó)家造成非常大的損失。因此對(duì)糧倉(cāng)中的溫度和濕度的檢測(cè)對(duì)防止糧食霉變具有非常重要的意義[1]。隨著物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，人們可以通過(guò)無(wú)線方式實(shí)時(shí)地采集和監(jiān)測(cè)糧倉(cāng)中存儲(chǔ)糧食的溫度和濕度，并通過(guò)采集的數(shù)據(jù)對(duì)糧倉(cāng)做及時(shí)的管理工作，來(lái)預(yù)防糧倉(cāng)中糧食的霉變。另外，采用這種方式還能大大降低人工檢測(cè)的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低人工成本，提高管理糧食儲(chǔ)存的質(zhì)量和效率。

1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

本文中低功耗糧倉(cāng)無(wú)線溫度采集系統(tǒng)的底層硬件模塊主要由低功耗MSP430單片機(jī)模塊、NFR24L01無(wú)線發(fā)送和接收模塊、DS18B20溫度采集模塊組成。根據(jù)不同糧庫(kù)的堆糧方式和糧食在儲(chǔ)存中的溫度變化情況，測(cè)溫器分成無(wú)線數(shù)據(jù)采集端和無(wú)線數(shù)據(jù)接收端2個(gè)部分。無(wú)線數(shù)據(jù)采集端由5個(gè)DS18B20、一個(gè)單片機(jī)和數(shù)據(jù)發(fā)射器組成[2]。無(wú)線采集端采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線發(fā)射模塊NFR24L01和無(wú)線接收端的NFR24L01通信進(jìn)行數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，再通過(guò)接收端的RS232串口與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。上位機(jī)采集到的數(shù)據(jù)需要及時(shí)地進(jìn)行保存并上送服務(wù)端，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確記錄和保存。主要的系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)圖

1.1 無(wú)線溫度采集模塊

每個(gè)溫度采集節(jié)點(diǎn)由4個(gè)數(shù)字化溫度傳感器(DS18B20)、數(shù)據(jù)處理單元(MSP430F2011)、無(wú)線傳輸模塊(NFR24L01)組成。系統(tǒng)由3.6V的鋰電池供電，系統(tǒng)每采集一次溫度數(shù)據(jù)后，通過(guò)廣播方式直接發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式LMP3，此時(shí)所有接口的電流都最小。系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式后，系統(tǒng)的待機(jī)電流在3 μA左右[3]，耗電電量非常小，這樣就可以保證系統(tǒng)能長(zhǎng)期地運(yùn)行，節(jié)約電量，保障采集數(shù)據(jù)運(yùn)行時(shí)間變長(zhǎng)。另外，溫度采集到的數(shù)據(jù)需要通過(guò)NFR24L01無(wú)線傳輸模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送工作，每次采集到數(shù)據(jù)都需要實(shí)時(shí)地進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。對(duì)應(yīng)的具體模塊就是圖1中的無(wú)線溫度采集節(jié)點(diǎn)。

DS18B20硬件設(shè)置根據(jù)廠商定義，總線只有一條數(shù)據(jù)線。每個(gè)設(shè)備(主或從)通過(guò)一個(gè)開(kāi)放的或3個(gè)狀態(tài)的端口連接到數(shù)據(jù)線?？梢栽试S每個(gè)設(shè)備在不傳輸數(shù)據(jù)時(shí)“釋放”數(shù)據(jù)線，這樣總線就可以被另一個(gè)設(shè)備使用，保證總線不會(huì)一直被占用。DS18B20 (DQ引腳)的1線端口是打開(kāi)的，內(nèi)部電路設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖2 DS18B20硬件配置圖

DS18B20的1線母線需要一個(gè)約5 kΩ的外拉電阻，因此，1線總線的空閑狀態(tài)是高的。如果事務(wù)要恢復(fù)，總線必須處于空閑狀態(tài)。在恢復(fù)期間，只要1線總線處于非活動(dòng)狀態(tài)，就可以在比特之間發(fā)生無(wú)限的恢復(fù)時(shí)間。如果公共總線被保持在較低的位置，公共總線上的所有部件將被重置。具體實(shí)際的實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 DS18B20硬件1模塊實(shí)物圖

1.2 無(wú)線數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)交換模塊

MSP430F149模塊和NFR24L01模塊節(jié)點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的無(wú)線接收，接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)RS232串口模塊轉(zhuǎn)發(fā)到PC服務(wù)器[4]。數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)模塊在收到主機(jī)請(qǐng)求后，將接收到的數(shù)據(jù)上傳給主機(jī)。NFR24L01模塊配合MSP430F149模塊是低功耗的無(wú)線通信模塊，使用3.3 V電壓就可以正常地驅(qū)動(dòng)，而且功率非常低，發(fā)射的頻率保持在2.4 GHz。具體的硬件PCB設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

圖4 NFR24L01模塊PCB設(shè)計(jì)圖

NFR24L01模塊的收發(fā)器可以同時(shí)進(jìn)行發(fā)送和接收幾個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)包，并且其內(nèi)部具有糾錯(cuò)和重發(fā)功能，一個(gè)單元可以同時(shí)與其他6個(gè)類似的單位通信。NFR24L01模塊的網(wǎng)絡(luò)庫(kù)將此擴(kuò)展到相互關(guān)聯(lián)的收發(fā)器的多個(gè)“層”，大大提升了傳輸數(shù)據(jù)的效率。實(shí)際的NFR24L01模塊實(shí)物效果圖如圖5所示。

圖5 NFR24L01模塊實(shí)物圖

1.3 硬件模塊程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件模塊程序主要包括溫度數(shù)據(jù)采集發(fā)送程序、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)交換程序和服務(wù)器對(duì)采集數(shù)據(jù)分析的程序。溫度采集程序主要是對(duì)MSP430單片機(jī)、NFR24L01射頻芯片和DS18B20的初始化，以及對(duì)SPI接口等進(jìn)行設(shè)置。程序先對(duì)DS18B20的溫度進(jìn)行采集[5]，將采集到的溫度數(shù)據(jù)通過(guò)MSP430單片機(jī)的SPI接口發(fā)送至NFR24L01無(wú)線模塊輸出，等溫度數(shù)據(jù)全部發(fā)送后，MSP430單片機(jī)自動(dòng)進(jìn)入低功耗休眠模式運(yùn)行，這樣可以節(jié)約系統(tǒng)電量，加強(qiáng)系統(tǒng)續(xù)航能力。當(dāng)系統(tǒng)再次啟動(dòng)，就繼續(xù)采集溫度，再進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。

數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)程序先對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)交換模塊上的MSP430單片機(jī)和NFR24L01射頻芯片進(jìn)行初始化，然后等待無(wú)線溫度采集模塊發(fā)出的數(shù)據(jù)，一旦監(jiān)聽(tīng)到接收緩存有數(shù)據(jù)就接收并存儲(chǔ)，并由RS232串口與上位機(jī)通信，當(dāng)上位機(jī)發(fā)出信號(hào)要采集溫度數(shù)據(jù)時(shí)與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送[6]。上位機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)模塊采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，當(dāng)某個(gè)溫度點(diǎn)的溫度異常升高時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警，提醒倉(cāng)庫(kù)保管人員進(jìn)行核查。提前預(yù)防將來(lái)可能發(fā)生的霉變。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 核心硬件模塊組成

無(wú)線溫度采集系統(tǒng)上層軟件模塊主要分為手機(jī)APP端軟件模塊、PC上位機(jī)模塊和服務(wù)器端軟件模塊。為了保證基本的系統(tǒng)模塊完整并且良好地運(yùn)行,需要對(duì)一些基本的硬件設(shè)備有一定的功能要求。根據(jù)業(yè)務(wù)需求，本系統(tǒng)需同時(shí)滿足Android和iOS兩端手機(jī)系統(tǒng)。對(duì)于Android手機(jī)需要具備Android 4.0以上的操作系統(tǒng)版本,并且配備2 GB以上的內(nèi)存。對(duì)于iOS手機(jī)需要具備iOS 8.0以上的操作系統(tǒng)版本，同時(shí)需要具備Wi-Fi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)功能、藍(lán)牙功能和移動(dòng)蜂窩數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)功能。服務(wù)器端軟件模塊主要選用阿里云的云服務(wù)器,基本的云端主機(jī)配置為2核4 GB系列,系統(tǒng)盤(pán)選用/dev/xvda高效云盤(pán),存儲(chǔ)空間為100 GB,帶寬為100 Mbit/s,統(tǒng)一配置基本的緩存服務(wù),操作系統(tǒng)為CentOS 7.4 64位[7]，數(shù)據(jù)庫(kù)類型選用MySQL。

2.2 服務(wù)端模塊設(shè)計(jì)

無(wú)線溫度采集系統(tǒng)的云服務(wù)端主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的保存和通知預(yù)警的功能。主要設(shè)計(jì)流程如圖6所示。上位機(jī)模塊把采集到的溫度實(shí)時(shí)信息上送云服務(wù)端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，云服務(wù)端對(duì)異常的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的監(jiān)控，一旦數(shù)據(jù)達(dá)到危險(xiǎn)值，立即推送報(bào)警信息至用戶手機(jī)端并短信預(yù)警。這樣用戶就可以第一時(shí)間得到信息，采取措施防止危險(xiǎn)的發(fā)生。

圖6 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

無(wú)線溫度采集系統(tǒng)的云服務(wù)端主要負(fù)責(zé)處理系統(tǒng)基本的數(shù)據(jù)信息，包括用戶數(shù)據(jù)管理、基本報(bào)表管理、日常信息管理和當(dāng)前系統(tǒng)基本信息管理。另外，無(wú)線溫度采集系統(tǒng)云服務(wù)端還開(kāi)啟了權(quán)限管理機(jī)制，管理人員配置了管理員權(quán)限，可以查詢所有的用戶信息和溫度記錄信息。普通工作人員只負(fù)責(zé)本人對(duì)應(yīng)的模塊信息，防止數(shù)據(jù)泄漏，保障數(shù)據(jù)安全[8]。其基本模塊如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)服務(wù)端基本模塊圖

無(wú)線溫度采集系統(tǒng)的云服務(wù)端中的基本數(shù)據(jù)模塊負(fù)責(zé)處理人員數(shù)據(jù)信息管理和實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)管理，包括對(duì)實(shí)時(shí)溫度的保存和查詢工作，以及數(shù)據(jù)報(bào)警功能。當(dāng)發(fā)現(xiàn)實(shí)時(shí)溫度值處于報(bào)警值時(shí)，需要給對(duì)應(yīng)的用戶推送報(bào)警信息，并且及時(shí)記錄當(dāng)前時(shí)間和溫度信息。無(wú)線溫度采集系統(tǒng)的云服務(wù)端中，基本報(bào)表模塊主要負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)全部或者某段時(shí)間內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)報(bào)表，報(bào)表數(shù)據(jù)需要留存?zhèn)浞荩脩艚y(tǒng)計(jì)分析管理方式，后期及時(shí)地改進(jìn)管理方式[9]。同時(shí)，異常數(shù)據(jù)的保存和管理也非常的重要，后期需要對(duì)數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行分析和改進(jìn)，這樣才能及時(shí)地分析什么時(shí)間段，由于什么原因?qū)е庐惓?shù)據(jù)。針對(duì)異常的數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)地改進(jìn)，盡量減少類似問(wèn)題的發(fā)生。對(duì)于遺漏的數(shù)據(jù)需要及時(shí)進(jìn)行查找和對(duì)比，系統(tǒng)在采集和傳輸時(shí)，如果因軟件的缺陷導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，就需要及時(shí)進(jìn)行修復(fù)，避免影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。不能因?yàn)閿?shù)據(jù)丟失導(dǎo)致異常的數(shù)據(jù)丟失，這樣非常容易出現(xiàn)危險(xiǎn)的場(chǎng)景。

日常管理模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)信息公告通知的發(fā)布和基本安全保障的基本公共信息的發(fā)布。對(duì)于值班表還需要及時(shí)地發(fā)布和管理，并更新值班信息，保障24小時(shí)有人在堅(jiān)守系統(tǒng)，防止造成危險(xiǎn)發(fā)生[10]。巡查排班也需要及時(shí)更新和維護(hù)，保障系統(tǒng)在24小時(shí)內(nèi)有人員進(jìn)行維護(hù)和保障工作?；竟芾砟K主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)日志的搜集工作[11]，檢測(cè)系統(tǒng)是否處于故障，保障整個(gè)系統(tǒng)處于合理的運(yùn)轉(zhuǎn)之中，系統(tǒng)一些基本的設(shè)置可以幫助解決一些常見(jiàn)的系統(tǒng)問(wèn)題。另外，還需要給用戶提供一些常見(jiàn)問(wèn)題的解決辦法。

3 具體功能和研究成果

系統(tǒng)的總體布局如圖8所示。

圖8 糧食倉(cāng)儲(chǔ)溫度監(jiān)控系統(tǒng)總體布局

從圖8中可以看出，整個(gè)園區(qū)的所有糧倉(cāng)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，將糧倉(cāng)中采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)交換模塊傳給機(jī)房的PC上位機(jī)，PC上位機(jī)對(duì)收集到的數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理。

在每個(gè)糧倉(cāng)中放置如圖9所示的測(cè)溫棒，該測(cè)溫棒的核心硬件為上文所述無(wú)線溫度采集模塊。在糧食倉(cāng)儲(chǔ)中長(zhǎng)度和寬度每間隔5米放置一根測(cè)溫線，共80根無(wú)線測(cè)溫線。每個(gè)測(cè)溫線長(zhǎng)5米，用沖擊桿將測(cè)溫線打入糧堆中，無(wú)線測(cè)溫頭露在糧食外面，接收轉(zhuǎn)發(fā)器將接收到的數(shù)據(jù)上傳給服務(wù)器，服務(wù)器采集到每根溫度桿的數(shù)據(jù)后顯示在電腦屏幕中，如圖10所示。為了更好地識(shí)別數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)先對(duì)采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度平均處理，把溫度低于平均值的數(shù)據(jù)標(biāo)定為綠色。

圖9 測(cè)溫棒

圖10 系統(tǒng)溫度采集界面

從圖10中可以看出，當(dāng)溫度偏差超過(guò)平均值時(shí)，調(diào)高RGB的R值，超過(guò)越多R值越高。通過(guò)系統(tǒng)溫度測(cè)量界面，管理員可以清晰地看到溫度的差異變化，進(jìn)而及時(shí)地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，做出相對(duì)應(yīng)的策略。此方式相對(duì)于傳統(tǒng)的保管方式能通過(guò)溫度變化及時(shí)地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，大大減少糧食存儲(chǔ)過(guò)程中發(fā)生霉變的問(wèn)題。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以無(wú)線低功耗采集數(shù)據(jù)為目標(biāo)，采用無(wú)線低功耗NFR24L01芯片，設(shè)計(jì)基于MPS430單片機(jī)的無(wú)線糧庫(kù)溫度采集系統(tǒng)。無(wú)線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)成本低，且易于擴(kuò)展。整個(gè)系統(tǒng)能夠滿足大面積糧庫(kù)長(zhǎng)時(shí)間溫度監(jiān)測(cè)的需求，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了糧庫(kù)溫度信息的自動(dòng)控制和無(wú)線集中遠(yuǎn)程監(jiān)控，節(jié)省了大量的勞動(dòng)力，降低了成本。同時(shí)，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性強(qiáng)、誤差小，實(shí)現(xiàn)了糧庫(kù)溫度的精確采集，保證了糧庫(kù)糧食的存儲(chǔ)質(zhì)量，在糧食存儲(chǔ)中具有廣闊的應(yīng)用前景。