一種低功耗糧倉無線溫度采集系統

張 廣 宇

(上海瀛明市政工程有限公司 上海 202150)

0 引 言

中國是一個自古以來就一直以農業為主的國家，農業生產的糧食一直是人民生存的最主要物質基礎。我國人口數量的增加使糧食的存儲關系到國家的長期穩定發展。糧食的存儲受許多因素影響，最常見的就是溫度、濕度和通風情況，當糧倉中的環境發生變化時，管理人員要及時對環境進行處理，不然就會造成糧食儲存事故。所以建立安全的糧食存儲監控系統是非常重要的工作。

如果糧倉中的溫度和濕度發生變化，導致糧食不在合理的溫度和濕度下，糧食就會發生霉變，最終導致糧食浪費，給國家造成非常大的損失。因此對糧倉中的溫度和濕度的檢測對防止糧食霉變具有非常重要的意義[1]。隨著物聯網的飛速發展，人們可以通過無線方式實時地采集和監測糧倉中存儲糧食的溫度和濕度，并通過采集的數據對糧倉做及時的管理工作，來預防糧倉中糧食的霉變。另外，采用這種方式還能大大降低人工檢測的勞動強度，降低人工成本，提高管理糧食儲存的質量和效率。

1 系統硬件構成

本文中低功耗糧倉無線溫度采集系統的底層硬件模塊主要由低功耗MSP430單片機模塊、NFR24L01無線發送和接收模塊、DS18B20溫度采集模塊組成。根據不同糧庫的堆糧方式和糧食在儲存中的溫度變化情況，測溫器分成無線數據采集端和無線數據接收端2個部分。無線數據采集端由5個DS18B20、一個單片機和數據發射器組成[2]。無線采集端采集到的數據通過無線發射模塊NFR24L01和無線接收端的NFR24L01通信進行數據中轉，再通過接收端的RS232串口與上位機進行數據通信。上位機采集到的數據需要及時地進行保存并上送服務端，保證數據的準確記錄和保存。主要的系統硬件組成結構如圖1所示。

圖1 系統硬件組成結構圖

1.1 無線溫度采集模塊

每個溫度采集節點由4個數字化溫度傳感器(DS18B20)、數據處理單元(MSP430F2011)、無線傳輸模塊(NFR24L01)組成。系統由3.6V的鋰電池供電，系統每采集一次溫度數據后，通過廣播方式直接發送數據，數據發送完畢后，系統進入低功耗模式LMP3，此時所有接口的電流都最小。系統進入低功耗模式后，系統的待機電流在3 μA左右[3]，耗電電量非常小，這樣就可以保證系統能長期地運行，節約電量，保障采集數據運行時間變長。另外，溫度采集到的數據需要通過NFR24L01無線傳輸模塊進行數據發送工作，每次采集到數據都需要實時地進行數據發送。對應的具體模塊就是圖1中的無線溫度采集節點。

DS18B20硬件設置根據廠商定義，總線只有一條數據線。每個設備(主或從)通過一個開放的或3個狀態的端口連接到數據線。可以允許每個設備在不傳輸數據時“釋放”數據線，這樣總線就可以被另一個設備使用，保證總線不會一直被占用。DS18B20 (DQ引腳)的1線端口是打開的，內部電路設計圖如圖2所示。

圖2 DS18B20硬件配置圖

DS18B20的1線母線需要一個約5 kΩ的外拉電阻，因此，1線總線的空閑狀態是高的。如果事務要恢復，總線必須處于空閑狀態。在恢復期間，只要1線總線處于非活動狀態，就可以在比特之間發生無限的恢復時間。如果公共總線被保持在較低的位置，公共總線上的所有部件將被重置。具體實際的實物圖如圖3所示。

圖3 DS18B20硬件1模塊實物圖

1.2 無線數據中轉交換模塊

MSP430F149模塊和NFR24L01模塊節點，主要負責數據的無線接收，接收到的數據通過RS232串口模塊轉發到PC服務器[4]。數據中轉模塊在收到主機請求后，將接收到的數據上傳給主機。NFR24L01模塊配合MSP430F149模塊是低功耗的無線通信模塊，使用3.3 V電壓就可以正常地驅動，而且功率非常低，發射的頻率保持在2.4 GHz。具體的硬件PCB設計圖如圖4所示。

圖4 NFR24L01模塊PCB設計圖

NFR24L01模塊的收發器可以同時進行發送和接收幾個字節的數據包，并且其內部具有糾錯和重發功能，一個單元可以同時與其他6個類似的單位通信。NFR24L01模塊的網絡庫將此擴展到相互關聯的收發器的多個“層”，大大提升了傳輸數據的效率。實際的NFR24L01模塊實物效果圖如圖5所示。

圖5 NFR24L01模塊實物圖

1.3 硬件模塊程序設計

系統硬件模塊程序主要包括溫度數據采集發送程序、數據中轉交換程序和服務器對采集數據分析的程序。溫度采集程序主要是對MSP430單片機、NFR24L01射頻芯片和DS18B20的初始化，以及對SPI接口等進行設置。程序先對DS18B20的溫度進行采集[5]，將采集到的溫度數據通過MSP430單片機的SPI接口發送至NFR24L01無線模塊輸出，等溫度數據全部發送后，MSP430單片機自動進入低功耗休眠模式運行，這樣可以節約系統電量，加強系統續航能力。當系統再次啟動，就繼續采集溫度，再進行數據發送。

數據中轉程序先對無線數據中轉交換模塊上的MSP430單片機和NFR24L01射頻芯片進行初始化，然后等待無線溫度采集模塊發出的數據，一旦監聽到接收緩存有數據就接收并存儲，并由RS232串口與上位機通信，當上位機發出信號要采集溫度數據時與上位機進行數據傳送[6]。上位機通過數據中轉模塊采集到的數據進行數據分析，當某個溫度點的溫度異常升高時，系統自動發出報警，提醒倉庫保管人員進行核查。提前預防將來可能發生的霉變。

2 系統軟件設計

2.1 核心硬件模塊組成

無線溫度采集系統上層軟件模塊主要分為手機APP端軟件模塊、PC上位機模塊和服務器端軟件模塊。為了保證基本的系統模塊完整并且良好地運行,需要對一些基本的硬件設備有一定的功能要求。根據業務需求，本系統需同時滿足Android和iOS兩端手機系統。對于Android手機需要具備Android 4.0以上的操作系統版本,并且配備2 GB以上的內存。對于iOS手機需要具備iOS 8.0以上的操作系統版本，同時需要具備Wi-Fi無線網絡功能、藍牙功能和移動蜂窩數據網絡功能。服務器端軟件模塊主要選用阿里云的云服務器,基本的云端主機配置為2核4 GB系列,系統盤選用/dev/xvda高效云盤,存儲空間為100 GB,帶寬為100 Mbit/s,統一配置基本的緩存服務,操作系統為CentOS 7.4 64位[7]，數據庫類型選用MySQL。

2.2 服務端模塊設計

無線溫度采集系統的云服務端主要負責數據的保存和通知預警的功能。主要設計流程如圖6所示。上位機模塊把采集到的溫度實時信息上送云服務端對數據進行保存，云服務端對異常的數據實時的監控，一旦數據達到危險值，立即推送報警信息至用戶手機端并短信預警。這樣用戶就可以第一時間得到信息，采取措施防止危險的發生。

圖6 系統整體結構圖

無線溫度采集系統的云服務端主要負責處理系統基本的數據信息，包括用戶數據管理、基本報表管理、日常信息管理和當前系統基本信息管理。另外，無線溫度采集系統云服務端還開啟了權限管理機制，管理人員配置了管理員權限，可以查詢所有的用戶信息和溫度記錄信息。普通工作人員只負責本人對應的模塊信息，防止數據泄漏，保障數據安全[8]。其基本模塊如圖7所示。

圖7 系統服務端基本模塊圖

無線溫度采集系統的云服務端中的基本數據模塊負責處理人員數據信息管理和實時溫度數據管理，包括對實時溫度的保存和查詢工作，以及數據報警功能。當發現實時溫度值處于報警值時，需要給對應的用戶推送報警信息，并且及時記錄當前時間和溫度信息。無線溫度采集系統的云服務端中，基本報表模塊主要負責統計全部或者某段時間內的溫度數據報表，報表數據需要留存備份，用戶統計分析管理方式，后期及時地改進管理方式[9]。同時，異常數據的保存和管理也非常的重要，后期需要對數據及時進行分析和改進，這樣才能及時地分析什么時間段，由于什么原因導致異常數據。針對異常的數據進行及時地改進，盡量減少類似問題的發生。對于遺漏的數據需要及時進行查找和對比，系統在采集和傳輸時，如果因軟件的缺陷導致數據丟失，就需要及時進行修復，避免影響數據的準確性。不能因為數據丟失導致異常的數據丟失，這樣非常容易出現危險的場景。

日常管理模塊主要負責對系統信息公告通知的發布和基本安全保障的基本公共信息的發布。對于值班表還需要及時地發布和管理，并更新值班信息，保障24小時有人在堅守系統，防止造成危險發生[10]。巡查排班也需要及時更新和維護，保障系統在24小時內有人員進行維護和保障工作。基本管理模塊主要負責系統日志的搜集工作[11]，檢測系統是否處于故障，保障整個系統處于合理的運轉之中，系統一些基本的設置可以幫助解決一些常見的系統問題。另外，還需要給用戶提供一些常見問題的解決辦法。

3 具體功能和研究成果

系統的總體布局如圖8所示。

圖8 糧食倉儲溫度監控系統總體布局

從圖8中可以看出，整個園區的所有糧倉通過無線網絡進行連接，將糧倉中采集到的數據通過無線數據中轉交換模塊傳給機房的PC上位機，PC上位機對收集到的數據做進一步處理。

在每個糧倉中放置如圖9所示的測溫棒，該測溫棒的核心硬件為上文所述無線溫度采集模塊。在糧食倉儲中長度和寬度每間隔5米放置一根測溫線，共80根無線測溫線。每個測溫線長5米，用沖擊桿將測溫線打入糧堆中，無線測溫頭露在糧食外面，接收轉發器將接收到的數據上傳給服務器，服務器采集到每根溫度桿的數據后顯示在電腦屏幕中，如圖10所示。為了更好地識別數據，計算機先對采集到數據進行溫度平均處理，把溫度低于平均值的數據標定為綠色。

圖9 測溫棒

圖10 系統溫度采集界面

從圖10中可以看出，當溫度偏差超過平均值時，調高RGB的R值，超過越多R值越高。通過系統溫度測量界面，管理員可以清晰地看到溫度的差異變化，進而及時地發現問題，做出相對應的策略。此方式相對于傳統的保管方式能通過溫度變化及時地發現問題，大大減少糧食存儲過程中發生霉變的問題。

4 結 語

本文以無線低功耗采集數據為目標，采用無線低功耗NFR24L01芯片，設計基于MPS430單片機的無線糧庫溫度采集系統。無線結構簡單，系統成本低，且易于擴展。整個系統能夠滿足大面積糧庫長時間溫度監測的需求，具有較高的可靠性和穩定性。系統實現了糧庫溫度信息的自動控制和無線集中遠程監控，節省了大量的勞動力，降低了成本。同時，系統的實時性強、誤差小，實現了糧庫溫度的精確采集，保證了糧庫糧食的存儲質量，在糧食存儲中具有廣闊的應用前景。