射频技术在粮仓无线监控系统中的应用

    1.引言

    粮食的安全存储是关系到国计民生的战略大事，科学保粮具有重要的社会意义与经济价值。粮仓监控系统主要完成对粮食温度、湿度和气体浓度等参数的采集、存储和向监控中心传送数据以及执行监控中心的指令等功能。传统的粮仓监控系统中粮仓与监控中心大多采用RS-485等有线连接的数据通信方式，使得系统抗干扰差、连线繁多、扩展困难；当一个节点出现问题时还会影响整个系统，不利于粮仓的监控与管理。为此，本文给出了一种基于射频技术的粮库无线监控系统。

    2．监控系统的组成和设计

    粮食在存储期间，由于环境、气候和通风条件等因素的变化，粮仓内的温度或湿度会发生异常，这极易造成粮食的腐烂或发生虫害。同时粮仓中粮食储存质量还受到粮仓中气体、微生物以及虫害等因素的影响。针对粮食存储的特殊性，粮仓监控系统一般以粮仓和粮食的温度与湿度为主要检测参数，粮仓内气体成分含量为辅助参数。

    粮仓无线监控系统由粮仓粮情检测点、无线通信终端和监控中心等组成，其系统结构示意图如图1所示。

图1. 系统结构示意图

    粮仓无线监控系统主要具有数据采集与传送、数据分析与处理、数据存储与检索、数据表格显示与打印输出、实时控制以及报警等功能。现场监测仪采集粮仓粮情的相应参数, 如粮食温度、仓库温度、相对湿度、粮食水分、粮仓内二氧化碳和硫化氢气体含量等,并定时或根据指令发送至监控中心；监控中心将收到的采样数据以表格形式显示和存储，然后将其与设定的报警值相比较，若实测值超出设定范围，则通过屏幕显示报警或语音报警，并打印记录。与此同时，监控中心可向现场监测仪发出控制指令，监测仪根据指令控制空调器、吹风机、除湿机等设备进行降温除湿，以保证粮食存储质量。监控中心也可以通过报警指令来启动现场监测仪上的声光报警装置，通知粮库管理人员采取相应措施来确保粮食存储安全。

    粮仓无线监控系统各部分的主要组成如下：

    (1). 现场监测仪。现场监测仪由温度传感器、湿度传感器、气体浓度传感器等传感器和微控制器及控制信号输出模块等构成。 
    (2). 无线通信终端。无线通信终端由无线收发芯片和微控制器组成。 
    (3). 监控中心。PC机、监控管理软件构成了监控中心的主体。

    3．无线通信终端的硬件和软件设计

    3.1 无线通信终端的硬件设计

    无线通信终端由无线收发芯片和微控制器组成。本系统中的无线通信终端采用CC1020为收发芯片，PIC16F73单片机为微控制器。 

    CC1020是Chipcon公司推出的基于SmartRF技术的全集成无线收发芯片。它工作在402-470MHZ、804-940MHZ等ISM(Industrial, Scientific and Medical)与SRD(Short Range Device)频段，采用频移键控(FSK)调制，集成锁相环(PLL)、压控振荡器(VCO)、功率放大器(PA)、低噪声放大器(LNA)、调制解调器(DEMOD)等功能，具有低电压、低功耗、高灵敏度、传输距离远、尺寸小等优点，与很少的一些外围器件搭配就可以设计成强大的具有无线通信功能的嵌入式系统。

    PIC16F73是Microchip公司开发推出的低功耗、高性能的8位单片机，采用双总线结构(指令总线和数据总线分离)和精简指令结构，具有8Kb的Flash、192字节的片内RAM、串口和SPI接口，很好的满足了本终端对微控制器的要求。

    CC1020有32个引脚，它通过PDI、PDO、PCLK和PSEL这四个引脚与PIC16F73单片机的I/O端口相连，CC1020的应用原理图如图2所示。

图2. CC1020的应用电路示意图

    在对无线通信终端进行印刷电路板(PCB)的设计时，需要注意以下几个问题：

    (1). 虽然CC1020外围器件少，集成度高，并集成了基带处理，设计比较方便，但由于高频电路的特性，加上CC1020的混和电路信号设计，因此PCB的设计直接关系到射频性能。为了获得较好的射频性能，PCB设计至少需要两层板来实现，PCB分成射频电路和控制电路两部分布线。 
    (2). 为了减少分布参数对性能的影响，在PCB中应该避免长的走线，所有元器件的地线、AVDD连接线、VDD去藕电容必须离CC1020尽可能的近。CC1020的电源必须经过很好的滤波，并且与数字电路的供电分离，在离电源脚AVDD尽可能近的地方用高性能的电容去藕，最好是一个小电容与大电容并联。 
    (3). PCB板的顶层与底层最好敷铜着地，把这两层的敷铜用较多的过孔紧密相连。所有的开关信号与控制信号都不能经过RF_IN和RF_OUT的电感附近。

    3.2 无线通信终端的软件设计

    终端的软件采用专门为PIC单片机设计的C语言CC5X，该语言与ANSI C兼容，并针对PIC单片机进行了优化，能够为PIC单片机产生优质高效的代码。由于PIC16F73单片机要实现与用户以及CC1020的通信和数据打包，因此该软件借用了Windows系统的消息循环机制设计，采用消息循环的体系结构。这种结构使得程序清晰、可扩展性强、可移植性好。图3为软件的程序结构及主循环示意图。 

图3. 程序结构及主循环示意图

    该软件总体采用了消息驱动机制。在系统内部寄存器和变量初始化完成后就可进入主循环程序查询系统消息。系统消息一般是单片机外部或者内部事件通过单片机中断系统激励单片机进行的。为了使系统产生和相应消息，必须启动单片机的中断系统，因而在进入主循环前启动单片机定时中断、串行通信中断、外部触发中断。程序初始化部分在单片机上电或复位后只执行一次，单片机在正常工作时始终都在主循环中反复检测消息是否存在，并根据消息的不同种类而做出不同的操作，最后清除相应的消息标志，再进行循环检测信息。 

    在设计软件时，需要注意各状态转换的时延。无线通信终端在发送数据前需要将电路置于发射状态；接收模式转换成发射模式的转换时间至少为0.5ms；可以发送任意长度的数据；发射模式转换成接收模式的转换时间至少为3ms。

    3.3 无线通信终端的通信可靠率及传输距离

    困扰无线通信的一个主要问题就是无线通信的误码率较高。在本无线通信终端的设计中，物理层上CC1020采用的是差分曼彻斯特编码方式传输数据，从而保证了通信中的同步问题；在数据链路层，使用了CRC循环冗入编码进行了数据帧校验，用以保证数据到达用户应用层后的可靠性；在应用层，单片机软件采取了对要发送的数据打包以及增加校验码等方式来提高通信的可靠率。经实际测试，当传输速率为9600Kbps、通信距离为800m(郊区开阔地)时，无线通信终端的通信误码率为 － 。

    无线通信中，通信距离与发射端的发送功率以及接收端的接收灵敏度有着直接关系，与通信所处的环境的也有密切关系。本无线通信终端的发送功率为10mW，通信速率为9600Kbps、通信二进制误码率为 条件下，终端的接收灵敏度为－110dBm。在天线高于地面3m的可视情况下，可靠通信距离大于800m。在郊区粮仓环境下，通信速率为9600Kbps时可靠通信距离为600m左右，较好的满足了粮仓监控系统的要求。如果对通信距离有更高要求时，可适当增加发射功率，以增加传输距离。

    4．结束语

    本文针对传统粮仓监控系统的不足，提出了一个基于射频技术实现的粮仓无线监控系统，并给了无线通信终端的硬件与软件实现。实践表明，本粮仓无线监控系统工作稳定可靠，它能有效的解决传统粮仓监控系统中有线数据传输方式连线繁多、可扩展性差等缺点，具有通信可靠、投资少、利于扩展等优点；监控中心监控管理软件所具有的打印报表、超限报警和无线控制等功能可有效的提高系统工作效率；增加的粮仓气体浓度检测对提高粮食存储质量、减少粮食损失具有很好的效果。另外本监控系统具有很好的适应性，稍加改造也应用于其它需要近距离无线监控的场合。