我國(guó)糧情測(cè)控系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展

李文強(qiáng)

(甘肅財(cái)貿(mào)職業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730207)

引言

糧食事關(guān)國(guó)運(yùn)民生,糧食安全是國(guó)家安全的重要基礎(chǔ)。糧食安全主要是糧食生產(chǎn)安全和糧食儲(chǔ)藏安全2 個(gè)方面。糧食在儲(chǔ)藏過程中,糧堆的溫度、濕度、水分、害蟲等參數(shù)會(huì)影響儲(chǔ)糧安全,導(dǎo)致糧食品質(zhì)下降。我國(guó)的糧食儲(chǔ)備主要集中在中央儲(chǔ)備和地方儲(chǔ)備,其中中央儲(chǔ)備由中國(guó)儲(chǔ)備糧管理集團(tuán)有限公司直屬庫(kù)承擔(dān),地方儲(chǔ)備由各省糧食與物資儲(chǔ)備局直屬庫(kù)承擔(dān)。根據(jù)國(guó)家糧食行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的定義,糧情是指糧油在儲(chǔ)藏過程中所處的狀態(tài)以及影響其品質(zhì)和數(shù)量變化的各種因素,如溫度、濕度、水分、氧氣、二氧化碳、磷化氫、儲(chǔ)糧害蟲及螨類等。從20 世紀(jì)70 年代開始,糧倉(cāng)管理人員就已經(jīng)使用電子傳感器對(duì)糧情進(jìn)行人工檢測(cè)。根據(jù)國(guó)家糧食行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的定義,糧情測(cè)控系統(tǒng)是利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)對(duì)糧情進(jìn)行檢測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析,對(duì)儲(chǔ)糧技術(shù)設(shè)施進(jìn)行適時(shí)控制的系統(tǒng)。這種現(xiàn)代化的糧情測(cè)控系統(tǒng)出現(xiàn)在20 世紀(jì)80 年代后期,并且隨著傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展逐步得以完善,形成了一套行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。隨著無線傳感網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,糧情測(cè)控系統(tǒng)面臨著新技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展。

1 基于有線通信技術(shù)的糧情測(cè)控系統(tǒng)

我國(guó)起步階段的糧情測(cè)控系統(tǒng)接線復(fù)雜,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般采用上位機(jī)、測(cè)控主機(jī)、測(cè)控分機(jī)、分線器多級(jí)結(jié)構(gòu),熱敏電阻被電纜連接到分線器,多個(gè)分線器再連接到一個(gè)測(cè)控分機(jī)上,一個(gè)倉(cāng)庫(kù)的所有測(cè)控分機(jī)將模擬信號(hào)匯聚到測(cè)控主機(jī)上,測(cè)控主機(jī)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)后傳送給上位機(jī),由上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。這種結(jié)構(gòu)布線復(fù)雜,抗干擾能力差,可靠性低。20 世紀(jì)90 年代以后專業(yè)的糧情測(cè)控系統(tǒng)廠家多使用單片機(jī)為控制芯片,通信方式以RS485 總線為主,但是溫度傳感器還是以熱敏電阻測(cè)溫電纜為主。進(jìn)入21 世紀(jì)以來,測(cè)控分機(jī)開始應(yīng)用ARM 嵌入式芯片,傳感器也以數(shù)字傳感器為主,如廣泛使用的測(cè)溫電纜數(shù)字溫度傳感器DSl8B20 等。系統(tǒng)的通信方式也逐漸使用無線通信技術(shù)如Zigbee 等,這種糧情測(cè)控系統(tǒng)雖然布線簡(jiǎn)單,但是性能不夠穩(wěn)定,抗干擾能力差,價(jià)格也比較昂貴,對(duì)于儲(chǔ)糧企業(yè)的成本有較大壓力。根據(jù)甘肅省121 家儲(chǔ)糧企業(yè)隨機(jī)抽樣調(diào)查結(jié)果,有50%以上企業(yè)現(xiàn)階段使用的糧情測(cè)控系統(tǒng)仍然以RS485 總線為主。

1.1 基于RS485 總線的糧情測(cè)控系統(tǒng)

現(xiàn)階段糧情測(cè)控系統(tǒng)的通信方式可以分為有線通信和無線通信。有線通信系統(tǒng)包括基于RS485 總線的通信方式和基于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線的通信方式兩種。RS485 總線的總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在同一總線上可以連接32 個(gè)節(jié)點(diǎn),采用屏蔽雙絞線或者鎧裝型雙絞屏蔽電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,不僅接線簡(jiǎn)單而且抗干擾,其傳輸?shù)乃俾试?00kbps 以下時(shí)其最大傳輸距離可達(dá)1200m。如果需要更遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸可以在RS485 總線之間使用中繼器,通過中繼器的使用可使連接的節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)到256 個(gè),通信距離達(dá)到10.8km。RS485 總線具有的這種總線結(jié)構(gòu)易于擴(kuò)展,成本低廉,在國(guó)內(nèi)糧情測(cè)控系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用,至今仍有大量的系統(tǒng)還在使用。但是RS485 總線技術(shù)的糧情測(cè)控系統(tǒng)也有缺點(diǎn):RS485 總線是總線型拓?fù)?不支持環(huán)形和星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?總線型拓?fù)涔?jié)點(diǎn)容量有限,布線可靠性較差,不適用于中儲(chǔ)糧這一類的大型直屬庫(kù)的糧情測(cè)控系統(tǒng)；RS485 總線的最大通信距離為1200m,對(duì)于北方地區(qū)中儲(chǔ)糧現(xiàn)代化的大型大型儲(chǔ)備庫(kù)的應(yīng)用要求不能滿足；RS485 總線需要有效的防止雷擊,布線作業(yè)需要在倉(cāng)庫(kù)建設(shè)時(shí)綜合考慮預(yù)先留置地溝,不能適合老庫(kù)區(qū)的改造。隨著中儲(chǔ)糧現(xiàn)代化的國(guó)家大型儲(chǔ)備庫(kù)的建立,基于RS485 總線技術(shù)的糧情測(cè)控系統(tǒng)應(yīng)用越來越少。

1.2 基于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線的糧情測(cè)控系統(tǒng)

在糧情測(cè)控系統(tǒng)中運(yùn)用比較廣泛的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)有LonWorks 總線技術(shù)和CAN 總線技術(shù)2 種。LonWorks 總線最高通信速率為1.25Mb·s-1,最遠(yuǎn)通信距離為2700m,節(jié)點(diǎn)總數(shù)可達(dá)3200 個(gè),網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜、光纖等?；贚on-Works 總線的糧情測(cè)控系統(tǒng)一般由上位管理機(jī)、網(wǎng)絡(luò)接口及多個(gè)LonWorks 節(jié)點(diǎn)模塊連接測(cè)溫電纜組成。上位機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)接口模塊與LonWorks 總線相連,負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理與分析,LonWorks 網(wǎng)絡(luò)接口模塊負(fù)責(zé)接收上位機(jī)下達(dá)的采集指令和上傳本節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)。技術(shù)的糧情測(cè)控系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)具有開放性,符合ISO 的OSI 標(biāo)準(zhǔn),具有互聯(lián)性和互操作性,擴(kuò)容十分方便；還有LonWorks 網(wǎng)絡(luò)屬于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的對(duì)等式網(wǎng)絡(luò),各個(gè)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地位平等,每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能完成控制和通訊功能,單個(gè)節(jié)點(diǎn)的故障不會(huì)造成系統(tǒng)癱瘓,有很高的系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。LonWorks總線技術(shù)的糧情測(cè)控系統(tǒng)成本低,易維護(hù)。由于采用分布式結(jié)構(gòu),LonWorks 技術(shù)的糧情測(cè)控系統(tǒng)布線簡(jiǎn)單,增加庫(kù)區(qū)時(shí)可以方便擴(kuò)充系統(tǒng)容量,節(jié)省企業(yè)的維護(hù)費(fèi)用。無論是在檢測(cè)速度、傳輸距離還是系統(tǒng)容量方面,LonWorks 總線技術(shù)都比RS485 總線技術(shù)有優(yōu)勢(shì)。

相對(duì)而言,工業(yè)總線CAN 總線技術(shù)在糧情測(cè)控系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。CAN 總線是一種ISO 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議,支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)?；贑AN 總線的糧情測(cè)控系統(tǒng)有明顯的優(yōu)越性。CAN 網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)都可以根據(jù)總線訪問優(yōu)先權(quán),采用逐位仲裁的方式競(jìng)爭(zhēng)總線發(fā)送數(shù)據(jù),這些特點(diǎn)使得基于CAN 總線的糧情測(cè)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性強(qiáng),并且提供冗余設(shè)計(jì)以提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性。CAN 總線不會(huì)出現(xiàn)類似RS-485 網(wǎng)絡(luò)中的短路現(xiàn)象,CAN 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能,可以避免個(gè)別測(cè)溫點(diǎn)故障使得總線處于“死鎖” 狀態(tài)。CAN 總線的通信協(xié)議可由CAN 控制器芯片及其接口芯片來實(shí)現(xiàn),從而大大降低系統(tǒng)開發(fā)難度,縮短了開發(fā)周期。另外,與LonWorks總線相比,CAN 總線通信速率高、容易實(shí)現(xiàn)、性價(jià)比高,這些也是CAN 總線應(yīng)用于糧情測(cè)控系統(tǒng)的重要原因。從糧庫(kù)實(shí)際應(yīng)用結(jié)果來看,基于CAN 總線的糧情測(cè)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性高,出錯(cuò)率低,運(yùn)行效果普遍較好。同時(shí),基于CAN 總線技術(shù)的糧情測(cè)控系統(tǒng)性價(jià)比高,安裝維護(hù)方便。無論是基于RS485 總線還是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的糧情測(cè)控系統(tǒng)都屬于有線通信介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)范疇,與基于無線傳輸介質(zhì)的糧情測(cè)控系統(tǒng)相比,有線糧情測(cè)控系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但是有線糧情測(cè)控系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中有其自身無法克服的缺點(diǎn):由于網(wǎng)絡(luò)傳輸使用有線介質(zhì),系統(tǒng)易受雷電和施工條件的影響,復(fù)雜的線纜導(dǎo)致安裝維護(hù)極不方便,具有較高的使用成本。

2 基于無線通信技術(shù)的糧情測(cè)控系統(tǒng)

有線傳輸介質(zhì)的糧情測(cè)控系統(tǒng)的固有缺點(diǎn),無線糧情測(cè)控系統(tǒng)都能夠有效克服。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展,基于無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的糧情測(cè)控系統(tǒng)將逐步取代有線糧情測(cè)控系統(tǒng)。當(dāng)前無線糧情測(cè)控系統(tǒng)主要有2 大類,基于電信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)募Z情測(cè)控系統(tǒng)；基于物聯(lián)網(wǎng)無線接入技術(shù)的無線糧情測(cè)控系統(tǒng)。

2.1 基于電信網(wǎng)絡(luò)的糧情測(cè)控系統(tǒng)

目前成熟的遠(yuǎn)距離無線通信方案當(dāng)屬4G 電信網(wǎng)絡(luò),基于電信網(wǎng)絡(luò)的無線糧情測(cè)控系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集單元、4G 無線傳輸模塊、上位機(jī)3 部分組成。該系統(tǒng)的工作原理是由現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集單元采集糧庫(kù)中的溫度、濕度等數(shù)據(jù),利用4G 無線傳輸模塊將其發(fā)送到電信網(wǎng)絡(luò)中,通過上位機(jī)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,上位機(jī)也可通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)出控制命令。基于電信網(wǎng)絡(luò)的糧情測(cè)控系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn):電信運(yùn)營(yíng)商的信號(hào)非常穩(wěn)定；網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積較廣,其信號(hào)傳輸距離基本不受限制,因此系統(tǒng)的開發(fā)難度小、開發(fā)成本低。但是這類系統(tǒng)也存在一些無法克服的缺點(diǎn):糧庫(kù)大多都在偏遠(yuǎn)地區(qū),電信網(wǎng)絡(luò)覆蓋不到或者信號(hào)不穩(wěn)定,系統(tǒng)所產(chǎn)生的流量費(fèi)用很高,導(dǎo)致基于電信網(wǎng)絡(luò)的糧情測(cè)控系統(tǒng)有很大局限性。

2.2 基于ZigBee 技術(shù)的無線糧情測(cè)控系統(tǒng)

近年來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)高速發(fā)展,ZigBee 技術(shù)是符合IEEE802.14.5 標(biāo)準(zhǔn)的物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù),在糧情測(cè)控系統(tǒng)中得到了較快應(yīng)用?；赯igBee 技術(shù)的糧情測(cè)控系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)如下所示。

2.2.1 低功耗

ZigBee 傳輸速率低,信號(hào)的收發(fā)時(shí)間短,在非工作模式時(shí)ZigBee 處于睡眠模式,ZigBee 無線傳感器節(jié)點(diǎn)處于休眠模式時(shí)整體的耗電量只有1uW,進(jìn)入工作模式的啟動(dòng)時(shí)間只有15ms,設(shè)備搜索時(shí)間為30ms,通過電池供電ZigBee 設(shè)備可以使用1～2a 左右的時(shí)間,特別適合布置在糧倉(cāng)內(nèi)進(jìn)行糧堆溫度檢測(cè)。

2.2.2 可靠性和安全性高

ZigBee 的MAC (介質(zhì)訪問控制子層) 采用了一種碰撞避免機(jī)制,提高系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃?。另?ZigBee 加密算法采用了128 位的AES 加密,ZigBee 聯(lián)盟還開發(fā)了安全層,特別適合搭建糧情測(cè)控系統(tǒng)和智慧倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)。

2.2.3 擴(kuò)充性優(yōu)良

1 個(gè)ZigBee 的網(wǎng)絡(luò)最多有255 個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),其中1 個(gè)Master 設(shè)備,其余254 個(gè)Slave 設(shè)備。

2.2.4 價(jià)格便宜

ZigBee 芯片的價(jià)格都在幾美元,而且ZigBee 芯片的體積較小,利用ZigBee 作用無線通信技術(shù)的糧情測(cè)控系統(tǒng)完全能夠滿足糧情監(jiān)測(cè)技術(shù)指標(biāo)。另外在軟件方面,ZigBee 協(xié)議的使用是不需要專利費(fèi)用的。

2.3 基于LoRa 技術(shù)的無線糧情測(cè)控系統(tǒng)

LoRa 技術(shù)由美國(guó)申泰(Semtech) 公司于2013 年8 月發(fā)布,是一種新型的長(zhǎng)距離低功耗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)芯片,是一種使用擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)的低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)。LoRa 協(xié)議中規(guī)定了Class A/B/C 3 類終端設(shè)備,這3 類設(shè)備基本覆蓋了物聯(lián)網(wǎng)所有的應(yīng)用場(chǎng)景。LoRa技術(shù)作為糧情測(cè)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)優(yōu)勢(shì)主要有以下幾點(diǎn)。

2.3.1 傳輸距離遠(yuǎn)

在城市郊區(qū)通信距離達(dá)10km 以上,在電磁環(huán)境較復(fù)雜的城市范圍也有2km 以上的傳輸距離。與Zig-Bee 技術(shù)相比,在相同的發(fā)射功率下,LoRa 終端設(shè)備與路由器的網(wǎng)絡(luò)具有更遠(yuǎn)的通信距離。

2.3.2 功耗低

LoRa 采用自適應(yīng)的低速率通信,芯片接收電流只有10mA,休眠時(shí)的電流不足200nA,相對(duì)于ZigBee模塊而言電池壽使用時(shí)間更長(zhǎng)。

2.3.3 LoRa 網(wǎng)絡(luò)工作在非授權(quán)的ISM 頻段

這一特性決定了那些在偏遠(yuǎn)地區(qū)的糧庫(kù)可以用很低的成本部署基于LoRa 的無線糧情測(cè)控系統(tǒng),可以自由的使用LoRa 網(wǎng)關(guān)來擴(kuò)充系統(tǒng)。LoRa 技術(shù)的弊端是工作在非授權(quán)頻段可能被國(guó)家法律所阻止,但目前來看,工信部2019 年11 月28 日發(fā)布的52 號(hào)公告并未阻止LoRa 組網(wǎng)。

3 結(jié)語(yǔ)

目前我國(guó)的糧情測(cè)控系統(tǒng)整體上仍然比較落后,早期投入使用的系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足需求。經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn),部分地區(qū)儲(chǔ)糧企業(yè)新建倉(cāng)庫(kù)已經(jīng)有基于ZigBee、WiFi 技術(shù)的糧情測(cè)控系統(tǒng)投入使用。未來隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展,基于LoRa 技術(shù)和NB-IoT 技術(shù)的無線糧情測(cè)控系統(tǒng)將是發(fā)展的主要方向。