射頻技術(shù)在糧倉(cāng)無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

1.       引言

糧食的安全存儲(chǔ)是關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的戰(zhàn)略大事，科學(xué)保糧具有重要的社會(huì)意義與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。糧倉(cāng)監(jiān)控系統(tǒng)主要完成對(duì)糧食溫度、濕度和氣體濃度等參數(shù)的采集、存儲(chǔ)和向監(jiān)控中心傳送數(shù)據(jù)以及執(zhí)行監(jiān)控中心的指令等功能。傳統(tǒng)的糧倉(cāng)監(jiān)控系統(tǒng)中糧倉(cāng)與監(jiān)控中心大多采用RS-485等有線連接的數(shù)據(jù)通信方式，使得系統(tǒng)抗干擾差、連線繁多、擴(kuò)展困難；當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)還會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)，不利于糧倉(cāng)的監(jiān)控與管理。為此，本文給出了一種基于射頻技術(shù)的糧庫(kù)無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)。

2．監(jiān)控系統(tǒng)的組成和設(shè)計(jì)

糧食在存儲(chǔ)期間，由于環(huán)境、氣候和通風(fēng)條件等因素的變化，糧倉(cāng)內(nèi)的溫度或濕度會(huì)發(fā)生異常，這極易造成糧食的腐爛或發(fā)生蟲害。同時(shí)糧倉(cāng)中糧食儲(chǔ)存質(zhì)量還受到糧倉(cāng)中氣體、微生物以及蟲害等因素的影響。針對(duì)糧食存儲(chǔ)的特殊性，糧倉(cāng)監(jiān)控系統(tǒng)一般以糧倉(cāng)和糧食的溫度與濕度為主要檢測(cè)參數(shù)，糧倉(cāng)內(nèi)氣體成分含量為輔助參數(shù)。

糧倉(cāng)無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)由糧倉(cāng)糧情檢測(cè)點(diǎn)、無(wú)線通信終端和監(jiān)控中心等組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

糧倉(cāng)無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)主要具有數(shù)據(jù)采集與傳送、數(shù)據(jù)分析與處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與檢索、數(shù)據(jù)表格顯示與打印輸出、實(shí)時(shí)控制以及報(bào)警等功能?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀采集糧倉(cāng)糧情的相應(yīng)參數(shù), 如糧食溫度、倉(cāng)庫(kù)溫度、相對(duì)濕度、糧食水分、糧倉(cāng)內(nèi)二氧化碳和硫化氫氣體含量等,并定時(shí)或根據(jù)指令發(fā)送至監(jiān)控中心；監(jiān)控中心將收到的采樣數(shù)據(jù)以表格形式顯示和存儲(chǔ)，然后將其與設(shè)定的報(bào)警值相比較，若實(shí)測(cè)值超出設(shè)定范圍，則通過(guò)屏幕顯示報(bào)警或語(yǔ)音報(bào)警，并打印記錄。與此同時(shí)，監(jiān)控中心可向現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀發(fā)出控制指令，監(jiān)測(cè)儀根據(jù)指令控制空調(diào)器、吹風(fēng)機(jī)、除濕機(jī)等設(shè)備進(jìn)行降溫除濕，以保證糧食存儲(chǔ)質(zhì)量。監(jiān)控中心也可以通過(guò)報(bào)警指令來(lái)啟動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀上的聲光報(bào)警裝置，通知糧庫(kù)管理人員采取相應(yīng)措施來(lái)確保糧食存儲(chǔ)安全。

糧倉(cāng)無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)各部分的主要組成如下：

(1). 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀由溫度傳感器、濕度傳感器、氣體濃度傳感器等傳感器和微控制器及控制信號(hào)輸出模塊等構(gòu)成。

(2). 無(wú)線通信終端。無(wú)線通信終端由無(wú)線收發(fā)芯片和微控制器組成。

(3). 監(jiān)控中心。PC機(jī)、監(jiān)控管理軟件構(gòu)成了監(jiān)控中心的主體。

3．無(wú)線通信終端的硬件和軟件設(shè)計(jì)

3.1 無(wú)線通信終端的硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線通信終端由無(wú)線收發(fā)芯片和微控制器組成。本系統(tǒng)中的無(wú)線通信終端采用CC1020為收發(fā)芯片，PIC16F73單片機(jī)為微控制器。

CC1020是Chipcon公司推出的基于SmartRF技術(shù)的全集成無(wú)線收發(fā)芯片。它工作在402-470MHZ、804-940MHZ等ISM(Industrial, Scientific and Medical)與SRD(Short Range Device)頻段，采用頻移鍵控(FSK)調(diào)制，集成鎖相環(huán)(PLL)、壓控振蕩器(VCO)、功率放大器(PA)、低噪聲放大器(LNA)、調(diào)制解調(diào)器(DEMOD)等功能，具有低電壓、低功耗、高靈敏度、傳輸距離遠(yuǎn)、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，與很少的一些外圍器件搭配就可以設(shè)計(jì)成強(qiáng)大的具有無(wú)線通信功能的嵌入式系統(tǒng)。

PIC16F73是Microchip公司開(kāi)發(fā)推出的低功耗、高性能的8位單片機(jī)，采用雙總線結(jié)構(gòu)(指令總線和數(shù)據(jù)總線分離)和精簡(jiǎn)指令結(jié)構(gòu)，具有8Kb的Flash、192字節(jié)的片內(nèi)RAM、串口和SPI接口，很好的滿足了本終端對(duì)微控制器的要求。

CC1020有32個(gè)引腳，它通過(guò)PDI、PDO、PCLK和PSEL這四個(gè)引腳與PIC16F73單片機(jī)的I/O端口相連，CC1020的應(yīng)用原理圖如圖2所示。

圖2. CC1020的應(yīng)用電路示意圖

在對(duì)無(wú)線通信終端進(jìn)行印刷電路板(PCB)的設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意以下幾個(gè)問(wèn)題：

(1). 雖然CC1020外圍器件少，集成度高，并集成了基帶處理，設(shè)計(jì)比較方便，但由于高頻電路的特性，加上CC1020的混和電路信號(hào)設(shè)計(jì)，因此PCB的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到射頻性能。為了獲得較好的射頻性能，PCB設(shè)計(jì)至少需要兩層板來(lái)實(shí)現(xiàn)，PCB分成射頻電路和控制電路兩部分布線。

(2). 為了減少分布參數(shù)對(duì)性能的影響，在PCB中應(yīng)該避免長(zhǎng)的走線，所有元器件的地線、AVDD連接線、VDD去藕電容必須離CC1020盡可能的近。CC1020的電源必須經(jīng)過(guò)很好的濾波，并且與數(shù)字電路的供電分離，在離電源腳AVDD盡可能近的地方用高性能的電容去藕，最好是一個(gè)小電容與大電容并聯(lián)。

(3). PCB板的頂層與底層最好敷銅著地，把這兩層的敷銅用較多的過(guò)孔緊密相連。所有的開(kāi)關(guān)信號(hào)與控制信號(hào)都不能經(jīng)過(guò)RF_IN和RF_OUT的電感附近。

3.2 無(wú)線通信終端的軟件設(shè)計(jì)

   終端的軟件采用專門為PIC單片機(jī)設(shè)計(jì)的C語(yǔ)言CC5X，該語(yǔ)言與ANSI C兼容，并針對(duì)PIC單片機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化，能夠?yàn)镻IC單片機(jī)產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)高效的代碼。由于PIC16F73單片機(jī)要實(shí)現(xiàn)與用戶以及CC1020的通信和數(shù)據(jù)打包，因此該軟件借用了Windows系統(tǒng)的消息循環(huán)機(jī)制設(shè)計(jì)，采用消息循環(huán)的體系結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使得程序清晰、可擴(kuò)展性強(qiáng)、可移植性好。圖3為軟件的程序結(jié)構(gòu)及主循環(huán)示意圖。

圖3. 程序結(jié)構(gòu)及主循環(huán)示意圖

該軟件總體采用了消息驅(qū)動(dòng)機(jī)制。在系統(tǒng)內(nèi)部寄存器和變量初始化完成后就可進(jìn)入主循環(huán)程序查詢系統(tǒng)消息。系統(tǒng)消息一般是單片機(jī)外部或者內(nèi)部事件通過(guò)單片機(jī)中斷系統(tǒng)激勵(lì)單片機(jī)進(jìn)行的。為了使系統(tǒng)產(chǎn)生和相應(yīng)消息，必須啟動(dòng)單片機(jī)的中斷系統(tǒng)，因而在進(jìn)入主循環(huán)前啟動(dòng)單片機(jī)定時(shí)中斷、串行通信中斷、外部觸發(fā)中斷。程序初始化部分在單片機(jī)上電或復(fù)位后只執(zhí)行一次，單片機(jī)在正常工作時(shí)始終都在主循環(huán)中反復(fù)檢測(cè)消息是否存在，并根據(jù)消息的不同種類而做出不同的操作，最后清除相應(yīng)的消息標(biāo)志，再進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)信息。

在設(shè)計(jì)軟件時(shí)，需要注意各狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時(shí)延。無(wú)線通信終端在發(fā)送數(shù)據(jù)前需要將電路置于發(fā)射狀態(tài)；接收模式轉(zhuǎn)換成發(fā)射模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間至少為0.5ms；可以發(fā)送任意長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)；發(fā)射模式轉(zhuǎn)換成接收模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間至少為3ms。

3.3 無(wú)線通信終端的通信可靠率及傳輸距離

困擾無(wú)線通信的一個(gè)主要問(wèn)題就是無(wú)線通信的誤碼率較高。在本無(wú)線通信終端的設(shè)計(jì)中，物理層上CC1020采用的是差分曼徹斯特編碼方式傳輸數(shù)據(jù)，從而保證了通信中的同步問(wèn)題；在數(shù)據(jù)鏈路層，使用了CRC循環(huán)冗入編碼進(jìn)行了數(shù)據(jù)幀校驗(yàn)，用以保證數(shù)據(jù)到達(dá)用戶應(yīng)用層后的可靠性；在應(yīng)用層，單片機(jī)軟件采取了對(duì)要發(fā)送的數(shù)據(jù)打包以及增加校驗(yàn)碼等方式來(lái)提高通信的可靠率。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，當(dāng)傳輸速率為9600Kbps、通信距離為800m(郊區(qū)開(kāi)闊地)時(shí)，無(wú)線通信終端的通信誤碼率為 － 。

無(wú)線通信中，通信距離與發(fā)射端的發(fā)送功率以及接收端的接收靈敏度有著直接關(guān)系，與通信所處的環(huán)境的也有密切關(guān)系。本無(wú)線通信終端的發(fā)送功率為10mW，通信速率為9600Kbps、通信二進(jìn)制誤碼率為 條件下，終端的接收靈敏度為－110dBm。在天線高于地面3m的可視情況下，可靠通信距離大于800m。在郊區(qū)糧倉(cāng)環(huán)境下，通信速率為9600Kbps時(shí)可靠通信距離為600m左右，較好的滿足了糧倉(cāng)監(jiān)控系統(tǒng)的要求。如果對(duì)通信距離有更高要求時(shí)，可適當(dāng)增加發(fā)射功率，以增加傳輸距離。

4．結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)傳統(tǒng)糧倉(cāng)監(jiān)控系統(tǒng)的不足，提出了一個(gè)基于射頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)的糧倉(cāng)無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)，并給了無(wú)線通信終端的硬件與軟件實(shí)現(xiàn)。實(shí)踐表明，本糧倉(cāng)無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，它能有效的解決傳統(tǒng)糧倉(cāng)監(jiān)控系統(tǒng)中有線數(shù)據(jù)傳輸方式連線繁多、可擴(kuò)展性差等缺點(diǎn)，具有通信可靠、投資少、利于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)；監(jiān)控中心監(jiān)控管理軟件所具有的打印報(bào)表、超限報(bào)警和無(wú)線控制等功能可有效的提高系統(tǒng)工作效率；增加的糧倉(cāng)氣體濃度檢測(cè)對(duì)提高糧食存儲(chǔ)質(zhì)量、減少糧食損失具有很好的效果。另外本監(jiān)控系統(tǒng)具有很好的適應(yīng)性，稍加改造也應(yīng)用于其它需要近距離無(wú)線監(jiān)控的場(chǎng)合。