朱滿意 尹愛兵 王曉俠 李有路

（安徽文達信息工程學(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，糧食儲藏存在儲藏周期長、儲藏環(huán)節(jié)檢測工作難度大，測量設(shè)備功耗高等問題。近幾年，因為糧庫失火給個人和國家?guī)砹瞬簧俳?jīng)濟損失，糧食始終是國家安全、社會穩(wěn)定和經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)，任何時候都不能出現(xiàn)閃失。近幾年糧庫發(fā)生的火災(zāi)情況如表1 所示。

表1 糧庫火災(zāi)統(tǒng)計

本文研究基于低功耗技術(shù)的大農(nóng)戶倉溫度檢測系統(tǒng)來解決糧食儲存安全問題——大農(nóng)戶能隨時監(jiān)控糧倉溫度，并采取相應(yīng)的措施，促進大農(nóng)戶這一未來農(nóng)地經(jīng)營主體的可持續(xù)健康發(fā)展，具有理論意義和現(xiàn)實意義。[1-5]

對于大農(nóng)戶來說，存糧的體量比較大，對于管理人員少，缺乏對糧倉溫度的及時檢測和長期使用高功耗的測溫設(shè)備，若不及時采取措施，倉內(nèi)溫度過高可能會對糧食造成腐爛。鼓勵大農(nóng)戶科學(xué)儲存糧食和使用溫度監(jiān)控系統(tǒng)，如何利用信息技術(shù)對糧倉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。溫度的測量是糧倉管理的一個重要環(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，保證糧倉內(nèi)干燥，溫度是衡量糧倉管理工作的重要指標。但傳統(tǒng)的監(jiān)測方法既費時又費力，而且誤差較大，因此需要制造成本低廉、產(chǎn)品簡單、使用方便、測量精確的監(jiān)測系統(tǒng)。

為了滿足測溫過程信號較容易處理要求，設(shè)計一種基于低功耗技術(shù)的可遠程無線多點傳輸?shù)臏囟葴y量系統(tǒng)，可以完成大農(nóng)戶倉的多點溫度檢測和顯示功能。該系統(tǒng)操作簡單，功能齊全，是單片機智能化的一種應(yīng)用。

當前，我國有多處地方生產(chǎn)測溫檢測系統(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)對糧倉內(nèi)溫度的監(jiān)控和分析等。常用的溫度檢測方法有紅外測溫技術(shù)、測溫電纜技術(shù)、聲層析成像法，進行溫度檢測的傳感器有壓電式，電容式，壓阻式。表2 為常見糧食溫度檢測方法。[11-13]

表2 常見糧食溫度檢測方法

1 關(guān)鍵技術(shù)及主要技術(shù)指標

1.1 關(guān)鍵技術(shù)

1.單片機主控芯片低功耗設(shè)計應(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，滿足實際應(yīng)用需求。

3.信號傳輸采用GFSK/FSK 調(diào)制方式，抗干擾能力強，系統(tǒng)采用多種通信校驗方式，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)場電源干擾大、抗干擾能力差、雷擊概率大、需要人員現(xiàn)場拉線、安裝成本高。本文的設(shè)計與傳統(tǒng)技術(shù)相比最大的優(yōu)點在于它的低功耗，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.主機采用物聯(lián)網(wǎng)無線自組網(wǎng)數(shù)傳模塊，采用低功耗設(shè)計，采集器待機電流小于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，軟件上實現(xiàn)了低功耗；硬件上從主機到采集器之間采取了喚醒和休眠按鍵功能，需要測量數(shù)據(jù)時采用喚醒模式，不讀取數(shù)據(jù)時為休眠狀態(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)有顯著進步。

1.2 技術(shù)指標

1.采集器待機電流小于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 無線通信頻段。

6.測量3 個溫度點的溫度，溫度范圍為-30℃至150℃，溫度精度小于1℃。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)軟件方案包括實現(xiàn)的原理、硬件設(shè)計以及軟件設(shè)計，本系統(tǒng)微處理器采用STC 系列單片機結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊SWRF-1E80 實現(xiàn)數(shù)據(jù)透傳功能，能夠?qū)崟r對現(xiàn)場溫度信號進行采集。整個系統(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

首先進行的是系統(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)過模數(shù)轉(zhuǎn)化電壓值，經(jīng)過微處理器處理后，數(shù)據(jù)經(jīng)過無線模塊串行端口MCU，測量的數(shù)據(jù)收集起來，把測量結(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)試與實驗測試

3.1 主機與采集器之間通信

主機采用物聯(lián)網(wǎng)無線透傳自組網(wǎng)模式，點對多點透明傳輸模式。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，支持信號強度的讀取，通信時間短，圖3 為主機發(fā)射模塊。

圖3 主機發(fā)射模塊

圖4 為數(shù)據(jù)采集器，它與主機一起構(gòu)成通信系統(tǒng)，通過主機發(fā)射的喚醒信號后，采集器被喚醒，等待主機發(fā)射啟動具體的位置的倉信號指令后，采集器就會回傳本倉的溫度信息。

圖4 采集器模塊

3.2 穩(wěn)壓電路設(shè)計

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

圖5 電路實物圖

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

圖6 整機測試圖

3.3 上位機溫度界面顯示

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

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

圖7 讀取溫度數(shù)據(jù)值

可以同時測試和顯示15 個溫度點，本設(shè)備處于實驗室階段，目前只設(shè)置3 個溫度測試點。

系統(tǒng)測試溫度值是否符合當前真實溫度，需要進行對比試驗，經(jīng)測試，結(jié)果如下表3 所示：

表3 測試溫度與實際溫度對比表

在室內(nèi)測試時，系統(tǒng)測量溫度與實際溫度誤差都在3%以內(nèi)，目前處于試驗階段，根據(jù)目前的測試結(jié)果來看，通信正常，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，可靠性高，下一步可進行糧倉試驗和投入使用。

4 總結(jié)

遠程操作無線傳輸數(shù)據(jù)，用戶可以在終端喚醒主機與采集器模塊，進行數(shù)據(jù)傳輸，把采集器采集的溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)化后，數(shù)據(jù)傳輸至物聯(lián)網(wǎng)無線數(shù)傳模塊，支持全透明數(shù)據(jù)傳輸，適應(yīng)任何協(xié)議的無線傳輸要求。采用模塊的透傳模式，即點對多點透明傳輸模式，模塊具備低功耗休眠功能。

該產(chǎn)品大農(nóng)戶糧倉溫度監(jiān)控，也適用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)溫度檢測，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，能長久使用，工作效率高，具有遠程監(jiān)控，多點傳輸?shù)奶攸c，市場需求量大，有較好的發(fā)展前景，能帶來可觀的經(jīng)濟效益。