遠距離2.4G技術在糧食系統中的應用研究

夏瀟

摘 要 本文主要研究了遠距離2.4無線網絡技術，同時基于2.4G通訊傳輸方式開發了一套具有創新性的糧食監控系統。文中重點介紹基于遠距離2.4G通訊無線技術在糧食監控系統中的應用研究。

關鍵詞 遠距離2.4G；糧食監控；數據收發

中圖分類號 TP3 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）172-0250-01

1 無線糧食監控系統概述

當前由于糧庫采集監控點分布各個室內或室外糧倉，中心監控系統需要實時匯總信息以便處理和監控，因此遠程信息采集點通過2.4G無線技術的通訊方式，使用系統軟件本身的內部接口方式將數據實時的傳輸到監控中心，中心采集數據可以進行實時監控、告警，預警并存儲、查詢、分析、打印。

本系統不僅能夠讓用戶通過“軟件+硬件”采集終端使用無線通訊的方式完成日常糧情監控任務和告警及故障的快速反應，快速處理，還可以幫助用戶分析糧食在本地倉儲中的一些存儲規律，平衡性和季節性的問題，同時可以根據分析改善糧庫糧食的存儲環境，調整存儲方案。

2 無線糧食監控系統整體結構

遠程無線糧情監測平臺采用FrameWork3.5+UImapping+Ibitas軟件框架和ARM2440硬件核心架構[ 1 ]，使用組件DEVCompent DotnetBar、XtraPringing Libary、Infragistics NetAdvantage[ 2 ]等為基礎，嵌入式采集終端使用了Linux+SQLite結合[3]。為企業用戶提供完善的糧食糧情監測平臺。

3 2.4G通訊模塊在硬件電路的設計

3.1 方案的整體設計思路

控制底板將IMU單元輸出的多路模擬信號進行采集后，使用A/D轉換將數據進行處理，然后高速同步串行口（SPI）總線將處理后的數字信號發送給NRF24L01，NRF24L01將接收到的數據使用無線方式傳送，接收的時候同樣是用開發的控制底板使用高速同步串行口（SPI）控制無線芯片，對數據進行接收，同時將接收到的數據通過網絡發送給監控中心。從而實現了將IMU數據的采集、A/D轉換、傳輸及最后的處理。

3.2 數據采集

控制底板內部設計使用了可以進行數據信號轉換的ADC和DAC，ADC使用雙路，一路是九通道的逐次逼近寄存器型ADC，一路使用八通道逐次逼近寄存器型ADC，程序內部可以更具情況自行控制這兩路ADC的數據轉發方式，通訊速率等。

通過IMU采集的傳感器數據是模擬信號，使用其端口Ain0-Ain7將其傳輸到控制底板單片機，經過A/D轉換電路將模擬信號轉換為數字信號，同時存儲到數字寄存器單元內，處理后返送到NRF24L01芯片中進行發送。

3.3 數據發送

控制底板單片機設計有3個通訊串口，一個SMBus兼容I2C串行擴展總線，SPI擴展串行接口和PRO UART串口，3個串口可以并行進行數據通訊。除了擴展串口之外，本模塊使用的主通訊串口是SPI，使用SPI連接相關模塊，SPI是一個四線（Mosi，Miso，Sck，Nss），全雙工工作的總線，可以在一個總線是連接多個相關芯片或器件，通過主芯片進行控制傳輸。SPI的工作模式是通過開發的嵌入式程序，將轉完并處理完成的數據通過SPI接口發送到無線傳輸芯片內，并進行數據轉發。

3.4 發送模塊設計

NRF24L01芯片的工作頻段為2.4G的ISM頻段，處于該頻段的無線傳輸芯片可以達到2Mbps的傳輸速度，同時內部自帶CRC校驗和出錯重傳機制，在最大傳輸速度工作狀態下，其接收時電流為12±0.3mA，發送電流僅僅11±0.3mA，功耗非常低。

通訊模塊的底板單片機通過編程的方式對2.4G無線傳輸芯片NRF24L01進行參數設置，將其參數默認設置為發送數據模式，等待外部的中斷信號，當中斷信號產生時，改變無線傳輸芯片的傳輸模式，在TimeOut時間內收到回應信號的話，判斷為數據發送成功并被接收，否則數據將重新發送。若發送次數超出重發計數范圍或異常，由IRQ產生一個中斷，通過寫狀態寄存器進行復位，如果收到了響應的ACK信號，程序判斷為數據發送成功，在TX FIFO寄存器中取待發送數據，重新進去發送狀態。

3.5 接收模塊設計

與發送模塊的一樣的原理，使用開發的嵌入式程序對2.4G無線傳輸芯片NRF24L01進行設置，默認參數設置為接收模式，該模式等待接收校驗信號，接收到信號后，2.4G無線傳輸芯片會對發送方自動進行ACK，表示確認接收，然后同樣由IRQ產生一個終端信號，通知底板單片機進行接收，底板單片機將數據接收處理后轉發給監控中心。

接收模式的控制底板在收到中斷信號的同時，要與NRF24L01無線傳輸芯片進行時間同步，用時間戳來保證數據收發上的匹配。處理完一包數據后，清除NRF24L01的狀態寄存器，準備接收下一包數據并復位處于等待狀態。

4 軟件系統

4.1 軟件組成

本套監控系統的桌面應用軟件采用.net編程語言開發，主要功能是完成糧食監控數據的接收、處理和存儲。數據的收發方式使用環境集成的TCP/IP通訊類完成。2.4G通訊模塊部分的軟件采用C語言進行開發。

4.2 發射部分程序設計

首先對設備和程序進行初始化，校正底板單片機的參數，編寫A/D轉換程序，將模擬信號轉換為數字信號。再通過時序程序，從寄存器中讀出數據，發送給2.4G無線傳輸芯片，無線傳輸芯片便會自動將TX FIFO寄存器中的數據依次發送出去。

4.3 接收部分程序流程設計

首先對設備和程序進行初始化，校正底板單片機的參數，設置2.4G無線傳輸芯片的接收模式，通過數據接收程序，將接收芯片的RX FIFO寄存器中的數據讀出來，通過網絡，傳送給監控中心。

5 結論

模塊化軟件設計和無線技術的結合應用有很大的優越性，糧庫的倉儲狀況根據每年的計劃和國家的分配不停的調整，在不影響基礎功能和網絡的前提下，平臺可以更靈活的調整使用的升級，而不會涉及過多的相關改造。

現今糧庫市場使用的監控系統基本上都還停留在使用綜合布線網絡方式進行數據傳輸管理，存在著高成本、適應倉型受限、易腐蝕，老化快，故障節點多等問題，而且在倒倉和擴展升級時帶來重新施工的麻煩，不易于管理，中間設備和線材的更換也頻繁。基于2.4G通訊技術的糧情監測系統則可以一勞永逸的解決以上問題，施工成本低，不造成破壞性改造，設備的更新和升級擴展都簡單方便。完全可以從各方面高效的取代之前的布線方案的管理系統，而無線的大量使用也成為現今科技發展的主流趨勢。

參考文獻

[1]夏華.無線通信模塊設計與物聯網應用開發[M].北京：電子工業出版社，2011：6.

[2]杜思深主編.無線數據通信技術[M].北京：電子工業出版社，2011.

[3]孫學康.劉勇.無線傳輸與接入技術[M].北京：人民郵電出版社，2010：7.