潘世麗，湯淋淋

(1.蘇州大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，江蘇 昆山 215325；2.硅湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 昆山 215300）

0 引 言

糧食一直是各國的重要儲備物資，因此糧食的生產(chǎn)、儲存等方面的管理措施便成為了一個世界級問題，糧庫糧情的實時監(jiān)測控制是保證糧食各方面質(zhì)量的重要舉措之一。在儲糧過程中，變化的通風(fēng)條件、氣候和環(huán)境等要素，會造成溫濕度的改變,使糧倉內(nèi)發(fā)生蟲害腐爛，進而影響儲糧品質(zhì)。為了減少氣體、微生物及蟲害等因素的影響，確保一個穩(wěn)定、標(biāo)準(zhǔn)的糧庫環(huán)境以減少儲備糧損失，必須對糧倉包括糧食在內(nèi)的所有物資進行溫濕度檢測。故而，引進了RFID 遠(yuǎn)距離射頻技術(shù)來解決問題，該系統(tǒng)安全穩(wěn)定，操作方便，只需使用特殊的溫濕度標(biāo)簽和相應(yīng)的讀卡器，完成極少量的布線便可完成無線數(shù)據(jù)傳輸[1]。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

設(shè)計的糧情監(jiān)測系統(tǒng)通過主控制器驅(qū)動相關(guān)傳感器完成糧情參數(shù)的采集，并將采集的數(shù)據(jù)通過倉外的無線組網(wǎng)系統(tǒng)傳輸給上位機監(jiān)控中心, 上位機軟件對采集的數(shù)據(jù)進行處理和分析。

1.1 糧倉內(nèi)監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計

糧食測量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，糧食的分層及四周檢測應(yīng)分別設(shè)立點位，分別位于距糧食表面、糧食底部及糧倉壁0.3 m 的位置，若糧垛的高度達到4～6 m 時需要分四層。糧倉的三維為60 m、21 m、8 m。根據(jù)要求在長度上每4 m 為一個間隔，需14 排，一排5 個標(biāo)簽。在每個標(biāo)簽的高度方向上布置4 個傳感器進行實時監(jiān)控[2]。

1.2 糧倉外無線組網(wǎng)方案設(shè)計

傳統(tǒng)的糧庫糧情監(jiān)測系統(tǒng)大多采用有線的方式將糧倉內(nèi)采集到的糧情數(shù)據(jù)傳輸給上位機監(jiān)測中心，這種方法存在線路多、布線復(fù)雜、成本高和易受到熏蒸腐蝕的弊端。因此設(shè)計了三級讀寫器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如圖1 所示），其主要由前兩級中繼讀寫器和終端讀寫器構(gòu)成[3]。第一級中繼讀寫器安裝在每個糧倉內(nèi)，負(fù)責(zé)與第二級中繼讀寫器和第四級中繼讀寫器通信；第二級中繼讀寫器分布在糧庫中，負(fù)責(zé)與其通信范圍內(nèi)的第三級中繼讀寫器和終端讀寫器進行通信；終端讀寫器安裝在監(jiān)測中心外面，負(fù)責(zé)與上位機監(jiān)控中心和第四級中繼讀寫器進行通信。采用三級讀寫器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以使整個系統(tǒng)的通信協(xié)議更加規(guī)范化，各層之間的通信模式基本相同，容易編程和修改，增加了系統(tǒng)的靈活性。

圖1 糧倉三級無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

2.1 RFID傳感標(biāo)簽軟硬件設(shè)計

傳感標(biāo)簽以MSP430F149 單片機為主控制器，負(fù)責(zé)整個電路的數(shù)據(jù)處理與控制；SHT75 為傳感單元，用來收集糧倉內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)；nRF905 無線收發(fā)模塊為射頻單元，負(fù)責(zé)接收讀寫器的命令和將傳感器采集的信號通過無線的方式傳輸給讀寫器；存儲單元采用AT24C02 芯片，其主要功能是在大容量采集時將信號暫存起來[4]；時鐘單元采用DS1302 芯片，其主要功能是記錄當(dāng)前采集溫濕度數(shù)據(jù)的時間值，并和溫濕度數(shù)據(jù)一起打包發(fā)送給讀寫器，便于工作人員管理和分析。

2.2 RFID 讀寫器軟硬件設(shè)計

前端讀寫器安裝在每個糧倉內(nèi)，主要負(fù)責(zé)連接傳感標(biāo)簽與第二級中繼讀寫器的通信和監(jiān)測該糧倉內(nèi)空氣的溫濕度和相關(guān)氣體濃度情況，設(shè)計的前端讀寫器結(jié)構(gòu)如圖2 所示。從圖2 可以看出：前端讀寫器上連接有溫濕度傳器，負(fù)責(zé)監(jiān)測糧倉內(nèi)空氣的溫度和濕度情況；射頻單元負(fù)責(zé)與其它模塊進行通信；繼電器控制單元的功能是隔離主控單元和風(fēng)機，起到保護電路板的目的，檢測到超標(biāo)準(zhǔn)溫度出現(xiàn)時就會開啟風(fēng)機進行降溫，當(dāng)超限的溫濕度恢復(fù)正常時，主控單元同樣通過繼電器關(guān)閉風(fēng)機，從而實現(xiàn)糧倉內(nèi)智能通風(fēng)；存儲單元主要負(fù)責(zé)存儲沒來的及發(fā)送出去的數(shù)據(jù)，防止數(shù)據(jù)意外丟失；液晶顯示單元負(fù)責(zé)將采集的信號實時顯示出來[5]。

圖2 RFID 前端讀寫器硬件結(jié)構(gòu)

RFID 終端讀寫器安裝在監(jiān)測中心外，主要包括存儲單元、主控單元、供電單元、電平轉(zhuǎn)換芯片和射頻單元，其中電平轉(zhuǎn)換芯片負(fù)責(zé)將主控單元的輸出信號轉(zhuǎn)換為上位機可識別的RS-232 信號[6]。

3 結(jié) 論

（1）通過糧情參數(shù)測量精度實驗，系統(tǒng)檢測溫度誤差＜0.01℃，濕度誤差＜0.01%RH，能滿足糧食行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

（2）通過無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ啪嚯x實驗，傳感標(biāo)簽的通信距離能夠滿足在實際大型糧庫中組建監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的要求，如表1 所示。

表1 無障礙傳輸距離測試結(jié)果（0 dBm 發(fā)射功率）

（3）通過數(shù)據(jù)無線傳輸誤碼率實驗，其誤碼率均＜2%，符合糧情測控系統(tǒng)里的要求，如表2 所示。

表2 單個讀寫器對多個標(biāo)簽誤碼率測試數(shù)據(jù)（0 dBm 發(fā)射功率）

本文將RFID 系統(tǒng)與傳感器結(jié)合，獲取糧倉環(huán)境信息，如溫度、濕度等，設(shè)計了一種糧倉內(nèi)信號無線通信的三級無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出一種基于無線射頻的糧庫糧情多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，實驗表明，該無線監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性較好。