基于傳感標(biāo)簽技術(shù)的糧倉(cāng)多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(guó)的重要儲(chǔ)備物資，因此糧食的生產(chǎn)、儲(chǔ)存等方面的管理措施便成為了一個(gè)世界級(jí)問題，糧庫(kù)糧情的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制是保證糧食各方面質(zhì)量的重要舉措之一。在儲(chǔ)糧過程中，變化的通風(fēng)條件、氣候和環(huán)境等要素，會(huì)造成溫濕度的改變,使糧倉(cāng)內(nèi)發(fā)生蟲害腐爛，進(jìn)而影響儲(chǔ)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(gè)穩(wěn)定、標(biāo)準(zhǔn)的糧庫(kù)環(huán)境以減少儲(chǔ)備糧損失，必須對(duì)糧倉(cāng)包括糧食在內(nèi)的所有物資進(jìn)行溫濕度檢測(cè)。故而，引進(jìn)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(jì)

設(shè)計(jì)的糧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過主控制器驅(qū)動(dòng)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(cāng)外的無線組網(wǎng)系統(tǒng)傳輸給上位機(jī)監(jiān)控中心, 上位機(jī)軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。

1.1 糧倉(cāng)內(nèi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

糧食測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，糧食的分層及四周檢測(cè)應(yīng)分別設(shè)立點(diǎn)位，分別位于距糧食表面、糧食底部及糧倉(cāng)壁0.3 m 的位置，若糧垛的高度達(dá)到4～6 m 時(shí)需要分四層。糧倉(cāng)的三維為60 m、21 m、8 m。根據(jù)要求在長(zhǎng)度上每4 m 為一個(gè)間隔，需14 排，一排5 個(gè)標(biāo)簽。在每個(gè)標(biāo)簽的高度方向上布置4 個(gè)傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控[2]。

1.2 糧倉(cāng)外無線組網(wǎng)方案設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的糧庫(kù)糧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多采用有線的方式將糧倉(cāng)內(nèi)采集到的糧情數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)監(jiān)測(cè)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(jì)了三級(jí)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(jí)中繼讀寫器和終端讀寫器構(gòu)成[3]。第一級(jí)中繼讀寫器安裝在每個(gè)糧倉(cāng)內(nèi)，負(fù)責(zé)與第二級(jí)中繼讀寫器和第四級(jí)中繼讀寫器通信；第二級(jí)中繼讀寫器分布在糧庫(kù)中，負(fù)責(zé)與其通信范圍內(nèi)的第三級(jí)中繼讀寫器和終端讀寫器進(jìn)行通信；終端讀寫器安裝在監(jiān)測(cè)中心外面，負(fù)責(zé)與上位機(jī)監(jiān)控中心和第四級(jí)中繼讀寫器進(jìn)行通信。采用三級(jí)讀寫器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以使整個(gè)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(cāng)三級(jí)無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 RFID傳感標(biāo)簽軟硬件設(shè)計(jì)

傳感標(biāo)簽以MSP430F149 單片機(jī)為主控制器，負(fù)責(zé)整個(gè)電路的數(shù)據(jù)處理與控制；SHT75 為傳感單元，用來收集糧倉(cāng)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(hào)通過無線的方式傳輸給讀寫器；存儲(chǔ)單元采用AT24C02 芯片，其主要功能是在大容量采集時(shí)將信號(hào)暫存起來[4]；時(shí)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(shí)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(jì)

前端讀寫器安裝在每個(gè)糧倉(cāng)內(nèi)，主要負(fù)責(zé)連接傳感標(biāo)簽與第二級(jí)中繼讀寫器的通信和監(jiān)測(cè)該糧倉(cāng)內(nèi)空氣的溫濕度和相關(guān)氣體濃度情況，設(shè)計(jì)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(cè)糧倉(cāng)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(jìn)行通信；繼電器控制單元的功能是隔離主控單元和風(fēng)機(jī)，起到保護(hù)電路板的目的，檢測(cè)到超標(biāo)準(zhǔn)溫度出現(xiàn)時(shí)就會(huì)開啟風(fēng)機(jī)進(jìn)行降溫，當(dāng)超限的溫濕度恢復(fù)正常時(shí)，主控單元同樣通過繼電器關(guān)閉風(fēng)機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)糧倉(cāng)內(nèi)智能通風(fēng)；存儲(chǔ)單元主要負(fù)責(zé)存儲(chǔ)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(hào)實(shí)時(shí)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(cè)中心外，主要包括存儲(chǔ)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(hào)轉(zhuǎn)換為上位機(jī)可識(shí)別的RS-232 信號(hào)[6]。

3 結(jié) 論

（1）通過糧情參數(shù)測(cè)量精度實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)檢測(cè)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(shí)驗(yàn)，傳感標(biāo)簽的通信距離能夠滿足在實(shí)際大型糧庫(kù)中組建監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的要求，如表1 所示。

表1 無障礙傳輸距離測(cè)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(shí)驗(yàn)，其誤碼率均＜2%，符合糧情測(cè)控系統(tǒng)里的要求，如表2 所示。

表2 單個(gè)讀寫器對(duì)多個(gè)標(biāo)簽誤碼率測(cè)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(cāng)環(huán)境信息，如溫度、濕度等，設(shè)計(jì)了一種糧倉(cāng)內(nèi)信號(hào)無線通信的三級(jí)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(kù)糧情多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)表明，該無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性較好。