基于聲表面波技術(shù)的糧食倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境無(wú)源測(cè)溫系統(tǒng)

齊仁龍，張慶輝，金廣鋒

（1.鄭州科技學(xué)院 電氣工程學(xué)院，河南 鄭州 450064；2.河南工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

基于聲表面波技術(shù)的糧食倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境無(wú)源測(cè)溫系統(tǒng)

齊仁龍1，張慶輝2，金廣鋒2

（1.鄭州科技學(xué)院 電氣工程學(xué)院，河南 鄭州 450064；2.河南工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

糧食的安全儲(chǔ)存需要對(duì)糧食的溫度、濕度、壓力、黏度、密度等變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的信息采集。本系統(tǒng)通過(guò)采用無(wú)線無(wú)源聲表面波溫度檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境溫度信息數(shù)據(jù)的采集。系統(tǒng)采用無(wú)線無(wú)源聲表面波溫度傳感器作為對(duì)糧倉(cāng)溫度采集的終端，通過(guò)自身聲波頻率的變化，獲得輸出信號(hào)頻率或幅度上的差異，實(shí)現(xiàn)糧食倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境溫度變化的監(jiān)測(cè)并實(shí)現(xiàn)無(wú)線無(wú)源方式頻率信號(hào)的傳輸，即通過(guò)溫度變化時(shí)引起的頻率變化及溫度信息處理的算法的優(yōu)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)的數(shù)字化。該技術(shù)有效提高了對(duì)糧倉(cāng)溫度信息的采集，快速獲取倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境的溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息，對(duì)解決因糧倉(cāng)環(huán)境變化造成的糧食發(fā)霉、腐爛等現(xiàn)象造成的損失大有幫助。

聲表面波技術(shù)；糧食倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境；無(wú)線無(wú)源測(cè)溫；傳輸效率

0 引言

我國(guó)是糧食生產(chǎn)大國(guó)，也是糧食消費(fèi)大國(guó)。在糧食儲(chǔ)存中，往往需要對(duì)糧倉(cāng)中糧食溫度、濕度、含水率、糧倉(cāng)密度超標(biāo)等現(xiàn)象進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)和對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境的突變進(jìn)行及時(shí)有效的處理，防止糧食因環(huán)境問(wèn)題帶來(lái)的霉變，造成品質(zhì)劣化[1-2]。糧食的安全存儲(chǔ)需要對(duì)糧食儲(chǔ)存中溫度、濕度、壓力、黏度、密度等變化情況實(shí)時(shí)地進(jìn)行信息采集，溫度變化則是其他因素變化的核心，故對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境溫度的監(jiān)測(cè)就顯得尤為重要，以往主要采用DS18B20或者溫度采集儀等，該傳感器對(duì)溫度信號(hào)采集后需要借助網(wǎng)絡(luò)將溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)的后端，自身不具備無(wú)線傳輸功能，且需要供電電源，不利于大面積的推廣應(yīng)用。

本系統(tǒng)采用無(wú)線無(wú)源聲表面波溫度檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境的溫度信息數(shù)據(jù)的采集，采用無(wú)線無(wú)源聲表面波溫度傳感器作為對(duì)糧倉(cāng)溫度采集的終端，經(jīng)由自身聲波頻率的變化，獲得輸出信號(hào)頻率和幅度上的差異，實(shí)現(xiàn)糧食倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境溫度變化的監(jiān)測(cè)和無(wú)線無(wú)源方式頻率信號(hào)的傳輸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)變化溫度數(shù)據(jù)的數(shù)字化。該技術(shù)可有效提高對(duì)糧倉(cāng)溫度信息的采集和快速獲取倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境的溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的信息，對(duì)解決因糧倉(cāng)環(huán)境的變化造成的糧食發(fā)霉、腐爛等現(xiàn)象造成的損失大有幫助，為分析糧食倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境提供有力的數(shù)據(jù)。

1 無(wú)線無(wú)源聲表面波溫度檢測(cè)原理

1.1 聲表面波溫度檢測(cè)的特點(diǎn)

聲表面波溫度傳感器在工作中優(yōu)于其他傳感器，可以在沒有電源供電的情況下實(shí)現(xiàn)傳感端的無(wú)源化，簡(jiǎn)化了繁瑣的維護(hù)；由于聲表面波傳感器信號(hào)的發(fā)射與接收間沒有電線，也適用于移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)部件溫度參數(shù)的測(cè)量。該聲表面波傳感器作為測(cè)量工具，工作環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，在潮濕、骯臟以及電磁干擾、強(qiáng)光照、人員等不易到達(dá)的環(huán)境條件下具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[3]，表1為各測(cè)溫系統(tǒng)特性的比較。

1.2 聲表面波溫度檢測(cè)的原理

聲表面波技術(shù)在無(wú)線通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，主要原因是其具有非常小的信息傳播速度。根據(jù)其應(yīng)用領(lǐng)域的不同，可以分為頻率選擇及控制器件、信號(hào)處理器件等，在生物醫(yī)療、工業(yè)、商業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用于氣體、溫度、濕度等的檢測(cè)。通過(guò)在糧食倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)中應(yīng)用，可有效監(jiān)測(cè)倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境溫度的實(shí)時(shí)變化，且效果良好。對(duì)于該傳感器對(duì)溫度信號(hào)的測(cè)量與信號(hào)的傳輸可歸結(jié)為如圖1所示的工作原理。

表1 各測(cè)溫系統(tǒng)特性比較Table 1 Characteristics comparison of temperature measurement systems

圖1 聲表面波器件結(jié)構(gòu)及測(cè)溫原理示意圖Fig.1 Structure of surface acoustic wave device and diagram of temperature measurement principle

該倉(cāng)儲(chǔ)無(wú)源溫測(cè)系統(tǒng)采用的傳感器為諧振型、單端口性能的傳感器，當(dāng)IDT上有聲表面波傳感器的天線接收的倉(cāng)儲(chǔ)溫度變化的無(wú)線電信號(hào)時(shí)，通過(guò)逆壓電效應(yīng)，壓電基片將接收到的倉(cāng)儲(chǔ)溫度電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)，即形成聲表面波信號(hào)，聲表面波信號(hào)借助壓電基片的表面進(jìn)行傳播，由于該器件左右對(duì)稱，反射柵周期性地變化，該聲表面波信號(hào)被快速形成諧振，帶有固有諧振頻率的信號(hào)返回到天線IDT，該信號(hào)便為主頻衰減振蕩的響應(yīng)信號(hào)，即轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的主頻信號(hào)，進(jìn)而推導(dǎo)被測(cè)量的變化，即可得到倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境某點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)信號(hào)的變化。

該諧振器諧振頻率的計(jì)算公式為:

f0=v/2d，

式中：f0代表諧振固有頻率，d代表反射柵的柵片之間的距離，v代表聲表面波傳播的聲速。

糧倉(cāng)溫度信號(hào)的變化引起聲波信號(hào)的變化，聲表面波信號(hào)在壓電基片上傳輸?shù)穆曀賤就會(huì)變化，進(jìn)而引起諧振頻率的變化。經(jīng)由優(yōu)化設(shè)計(jì)后，便可以實(shí)現(xiàn)糧倉(cāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度信號(hào)的線性變化和諧振頻率線性變化的一致性，線性變化的諧振信號(hào)返回到天線IDT后，經(jīng)具有壓電效應(yīng)的基片轉(zhuǎn)換為無(wú)線聲表面波信號(hào)，后通過(guò)天線進(jìn)行發(fā)射，進(jìn)而將糧倉(cāng)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度信號(hào)的變化轉(zhuǎn)化為頻率信號(hào)的變化，通過(guò)測(cè)量頻率信號(hào)的頻率，即可得出糧倉(cāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度信號(hào)。聲表面波測(cè)溫器件具有體積小、靈敏度高、性能穩(wěn)定、可靠性高、無(wú)線傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在測(cè)溫系統(tǒng)中得到應(yīng)用[4]。

2 聲表面波溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的構(gòu)成

該系統(tǒng)對(duì)糧倉(cāng)溫度的采集采用無(wú)源溫度傳感器為終端，對(duì)糧倉(cāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度信號(hào)的采集采用無(wú)線無(wú)源方式進(jìn)行信號(hào)的傳輸，當(dāng)糧倉(cāng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度發(fā)生變化時(shí)，接收裝置將實(shí)時(shí)捕捉到信息的變化，有效預(yù)警倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境中監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度變化情況，有效解決因糧倉(cāng)環(huán)境的變化造成的糧食發(fā)霉、腐爛等現(xiàn)象造成的損失[5-7]。

該糧倉(cāng)無(wú)源測(cè)溫系統(tǒng)由控制終端、傳輸網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度采集終端等組成，控制終端主要由服務(wù)器和人機(jī)控制界面組成，傳輸網(wǎng)絡(luò)由無(wú)線局域網(wǎng)組建而成，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度采集終端主要由聲表面波溫度傳感器、溫度采集器與測(cè)溫主控終端3部分組成，如圖2所示。

根據(jù)糧倉(cāng)分布情況，設(shè)置糧倉(cāng)測(cè)溫控制網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)情況控制多個(gè)糧倉(cāng)，在每個(gè)糧倉(cāng)安裝測(cè)溫主控終端，并且每個(gè)測(cè)溫主控終端可以連接控制溫度采集器達(dá)30個(gè)，每個(gè)溫度采集器可以采集處理18個(gè)聲表面波長(zhǎng)及其監(jiān)測(cè)的溫度特征，可以有效滿足不同糧倉(cāng)對(duì)關(guān)鍵部位溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置。

圖2 糧倉(cāng)溫度測(cè)控系統(tǒng)的構(gòu)成Fig.2 Composition of granary temperature measurement and control system

2.2 聲表面波溫度監(jiān)測(cè)算法

本系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量終端采集的回波信號(hào)相位的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)糧食倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫升變化的測(cè)量，通過(guò)以下算法的推理，進(jìn)而得出監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度和相位的關(guān)系。

聲表面波溫度傳感器接收到的監(jiān)測(cè)的糧倉(cāng)溫度射頻信號(hào)，可由下列公式推導(dǎo)：

式中：ω0代表接收到的回波信號(hào)的原始角頻率，μ為調(diào)制2π倍的頻率，t為信號(hào)傳輸過(guò)程時(shí)間。

經(jīng)由聲表面波傳感器將電信號(hào)經(jīng)由反射回來(lái)的帶有頻率變化的回波信號(hào)S1（t）和S2（t）與發(fā)射的糧倉(cāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度信號(hào)S（t）相似，不同之處就是在延遲時(shí)間t1與t2及振幅上，具體公式如下：

式中：A1、A2分別為回波信號(hào)S1（t）、S2（t）的振幅；d1、d2分別代表IDT和兩個(gè)反射柵之間的距離；v為聲表面波溫度傳感器的信號(hào)采集傳播速度；子e代表基片上糧倉(cāng)溫度電信號(hào)傳播和電磁信號(hào)轉(zhuǎn)換在空間傳播上的時(shí)延。

這個(gè)時(shí)延是固有存在的，故對(duì)兩個(gè)不同回波信號(hào)產(chǎn)生相同的影響，經(jīng)由頻率混合后及濾出低頻信號(hào)后，進(jìn)而推得角頻率、振幅均不同的兩個(gè)回波信號(hào)如下：

式中：B1、B2分別代表回波信號(hào) E1（t）、E2（t）的振幅；φ1、φ2對(duì)應(yīng)著E1（t）、E2（t）的相位。

聲表面波溫度傳感器的工作原理，以及數(shù)學(xué)模型的建立，是分析糧倉(cāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度變化所造成的采集分析信號(hào)相位的變化的主要理論依據(jù)。由公式（6）和（7）的相位差，可得到：

式中：φT代表所采集糧倉(cāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度射頻信號(hào)所產(chǎn)生的相位差；K代表與聲表面波信號(hào)頻率相關(guān)的系數(shù)。

由聲表面波溫度傳感器信號(hào)采集的傳播時(shí)間及其對(duì)附近溫度環(huán)境的敏感性關(guān)系子x。

把式（10）代入式（8）得：

假設(shè)以角度為單位相移表示為ΔφT，則：

即若測(cè)得的頻率信號(hào)每相移變化1°，糧倉(cāng)溫度變化為0.33℃，故采用了通過(guò)相位的變化去推導(dǎo)糧倉(cāng)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度變化的大小，進(jìn)而根據(jù)糧倉(cāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的初始溫度T0，獲得所測(cè)最終溫度T。

2.3 溫度采集界面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)監(jiān)控查詢界面如圖3所示，可以實(shí)現(xiàn)“文件”的保存功能、系統(tǒng)后臺(tái)“編輯”功能、“查看”功能、“收藏”功能等一系列功能。點(diǎn)擊“文件”可將系統(tǒng)后臺(tái)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)以word文檔的格式打印出來(lái)；“編輯”則實(shí)現(xiàn)后臺(tái)管理對(duì)監(jiān)控設(shè)備的參數(shù)設(shè)置；“查看”可以監(jiān)測(cè)當(dāng)前的工作狀態(tài)；“收藏”則可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)前數(shù)據(jù)的搜集，為以后數(shù)據(jù)的參考比對(duì)提供依據(jù)。

用戶在查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，如要查看糧倉(cāng)1，可以查看分布在糧倉(cāng)內(nèi)的各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，選擇所要查看的監(jiān)測(cè)點(diǎn)后就會(huì)顯示當(dāng)前的監(jiān)測(cè)溫度，同時(shí)可以通過(guò)該界面查詢當(dāng)前信號(hào)采集的傳輸強(qiáng)度。

2.4 應(yīng)用結(jié)果分析

通過(guò)聲表面波技術(shù)在糧倉(cāng)溫測(cè)的應(yīng)用，在相同環(huán)境條件下聲表面波傳感器監(jiān)測(cè)的溫度與普通傳感器監(jiān)測(cè)的溫度誤差≤0.01，應(yīng)用效果明顯。另外，對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行matlab仿真，如圖4所示，所采集的信號(hào)比以往溫度采集器采集到的信號(hào)幅值和頻率都有所加強(qiáng)。

3 結(jié)論與展望

在相同環(huán)境條件下聲表面波傳感器監(jiān)測(cè)的溫度誤差更小，所采集的信號(hào)比以往溫度采集器采集到的信號(hào)幅值和頻率均有所加強(qiáng)，為糧食儲(chǔ)存又提供了一個(gè)糧食環(huán)境監(jiān)測(cè)手段，是具有低功耗功能的糧倉(cāng)環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備，具有較好的推廣應(yīng)用前景，為糧食的儲(chǔ)存提供了有力的保障，也有力地推動(dòng)了糧食儲(chǔ)存的安全性，該技術(shù)將進(jìn)一步拓展應(yīng)用新領(lǐng)域，為糧食產(chǎn)業(yè)的存儲(chǔ)提供有力的技術(shù)支撐。

圖3 后臺(tái)管理監(jiān)控界面Fig.3 Background management monitoring interface

圖4 普通測(cè)溫與聲表面波測(cè)溫信號(hào)強(qiáng)弱比較Fig.4 Comparison of signal strength between common temperature measurement and SAW temperature measurement

［1］ 陳康樂.裝具材料對(duì)糧食品質(zhì)的影響及其糧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［D］.楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2013.

［2］ 張?jiān)陆?，譚軍.國(guó)內(nèi)糧情測(cè)控系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.農(nóng)業(yè)裝配技術(shù)，2009，35（4）：4-7.

［3］ 張芳，王鋒.單總線數(shù)字溫度傳感器在糧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.河南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，32（1） ：74-77.

［4］ 岳海方.基于聲表面波技術(shù)的無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)理論分析與實(shí)驗(yàn)研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2014.

［5］ 甄彤，馬志.多傳感器信息融合技術(shù)在糧情測(cè)控中的應(yīng)用［J］.河南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，29（4）：56-58.

［6］ 甄彤.?？〗?，肖樂.WebGL技術(shù)在糧溫監(jiān)控中的應(yīng)用［J］.河南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，35（1）：96-99.

［7］ 雷夢(mèng)龍，唐少先.多元線性回歸函數(shù)式結(jié)合無(wú)線傳感器對(duì)糧倉(cāng)溫度的預(yù)測(cè)研究［J］.湖南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014， 31（3）：98-100.

PASSIVE TEMPERATURE MEASUREMENT SYSTEM BASED ON SURFACE ACOUSTIC WAVE（SAW）TECHNOLOGY FOR GRAIN STORAGE ENVIRONMENT

QI Renlong1, ZHANG Qinghui2, JIN Guangfeng2
（1.School of Electrical Engineering，Zhengzhou University of Science&Technology，Zhengzhou 450064，China；2.School of Information Science and Engineering，Henan University of Technology，Zhengzhou 450001，China）

Realtime information acquisition of temperature，humidity，pressure，viscosity，density and so on of granary is necessary for safe storage of grain.The system realized the temperature information acquisition of grain storage environment by adopting wireless passive surface acoustic wave temperature detection technology.As granary temperature acquisition terminal，a wireless passive surface acoustic wave temperature sensor was used to acquire the difference of output signals in frequency or amplitude through the changes of sound wave frequency thereof，thereby to realize temperature monitoring of grain storage environment as well as wireless passive frequency signal transmission，that is to realize digitization of real-time changing temperature data based on the frequency changes caused by temperature changes and optimization of temperature information processing algorithm.The technology is effective in collecting granary temperature information，and quick in acquiring information of temperature monitoring points of grain storage environment，thereby obviating grain loss caused by mildewing and rotting due to environment changes of granary.

SAW technology;grain storage environment；wireless passive temperature measurement;transmission efficiency

TS210.7

：B

1673-2383(2017)04-0091-05

http://kns.cnki.net/kcms/detail/41.1378.N.20170828.0857.034.html

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2017-8-28 8:57:25

2016-12-26

河南省高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（16IRTSTHN026）；河南省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（162102110124）

齊仁龍（1982—），男，河南商丘人，講師，研究方向?yàn)殡娐放c系統(tǒng)。