基于低功耗技術的大農戶倉無線測溫監控系統設計

朱滿意 尹愛兵 王曉俠 李有路

（安徽文達信息工程學院電子電氣工程學院，安徽 合肥 231201）

受糧食自身的特性影響，糧食儲藏存在儲藏周期長、儲藏環節檢測工作難度大，測量設備功耗高等問題。近幾年，因為糧庫失火給個人和國家帶來了不少經濟損失，糧食始終是國家安全、社會穩定和經濟發展的基礎，任何時候都不能出現閃失。近幾年糧庫發生的火災情況如表1 所示。

表1 糧庫火災統計

本文研究基于低功耗技術的大農戶倉溫度檢測系統來解決糧食儲存安全問題——大農戶能隨時監控糧倉溫度，并采取相應的措施，促進大農戶這一未來農地經營主體的可持續健康發展，具有理論意義和現實意義。[1-5]

對于大農戶來說，存糧的體量比較大，對于管理人員少，缺乏對糧倉溫度的及時檢測和長期使用高功耗的測溫設備，若不及時采取措施，倉內溫度過高可能會對糧食造成腐爛。鼓勵大農戶科學儲存糧食和使用溫度監控系統，如何利用信息技術對糧倉安全管理提出了更高、更新的要求，不僅要節約管理成本，還要高效化。溫度的測量是糧倉管理的一個重要環節，必須保證精確的溫度控制。[6-10]

防止糧食腐爛發霉，保證糧倉內干燥，溫度是衡量糧倉管理工作的重要指標。但傳統的監測方法既費時又費力，而且誤差較大，因此需要制造成本低廉、產品簡單、使用方便、測量精確的監測系統。

為了滿足測溫過程信號較容易處理要求，設計一種基于低功耗技術的可遠程無線多點傳輸的溫度測量系統，可以完成大農戶倉的多點溫度檢測和顯示功能。該系統操作簡單，功能齊全，是單片機智能化的一種應用。

當前，我國有多處地方生產測溫檢測系統產品，而且種類眾多，產品的結構各不相同，但是基本上都能夠實現對糧倉內溫度的監控和分析等。常用的溫度檢測方法有紅外測溫技術、測溫電纜技術、聲層析成像法，進行溫度檢測的傳感器有壓電式，電容式，壓阻式。表2 為常見糧食溫度檢測方法。[11-13]

表2 常見糧食溫度檢測方法

1 關鍵技術及主要技術指標

1.1 關鍵技術

1.單片機主控芯片低功耗設計應用技術。

2.通訊：采用中繼轉發技術，保證通信距離，滿足實際應用需求。

3.信號傳輸采用GFSK/FSK 調制方式，抗干擾能力強，系統采用多種通信校驗方式，包括通信重發、數據解析等手段，保證通信的穩定性和可靠性。

傳統的測溫系統及通信設備需要供電，有線傳輸數據，管理成本高，存在安全隱患，受現場電源干擾大、抗干擾能力差、雷擊概率大、需要人員現場拉線、安裝成本高。本文的設計與傳統技術相比最大的優點在于它的低功耗，表現如下：

1.采用電池采集模式，省去安裝成本，可靠性高，低功耗，干擾小。

2.主機采用物聯網無線自組網數傳模塊，采用低功耗設計，采集器待機電流小于200UA，喚醒工作發射最大電流小于200MA。

3.程序編寫采用掉電模式，軟件上實現了低功耗；硬件上從主機到采集器之間采取了喚醒和休眠按鍵功能，需要測量數據時采用喚醒模式，不讀取數據時為休眠狀態，保證了數據傳輸上的低功耗；系統采用一次性大容量鋰電池，電池容量為10000MAH，可持續工作5 年，年損耗低至1%。在低功耗方面比現有技術有顯著進步。

1.2 技術指標

1.采集器待機電流小于200UA。

2.喚醒工作發射最大電流小于200MA。

3.通信距離無遮擋大于2KM。

4.采集器可傳輸數據大于3000次、可連續工作5年。

5.通訊頻段：470MHZ 無線通信頻段。

6.測量3 個溫度點的溫度，溫度范圍為-30℃至150℃，溫度精度小于1℃。

2 系統方案設計

2.1 系統硬件設計

系統軟件方案包括實現的原理、硬件設計以及軟件設計，本系統微處理器采用STC 系列單片機結合物聯網無線數據收發模塊SWRF-1E80 實現數據透傳功能，能夠實時對現場溫度信號進行采集。整個系統的原理框圖如圖1 所示。

圖1 系統原理圖

2.2 系統軟件設計

首先進行的是系統的初始化，然后由熱敏電阻感應外界環境溫度后，把電壓值經過模數轉化電壓值，經過微處理器處理后，數據經過無線模塊串行端口MCU，測量的數據收集起來，把測量結果，在PC 端軟件顯示和保存，如圖2 所示。

圖2 軟件流程圖

3 硬件調試與實驗測試

3.1 主機與采集器之間通信

主機采用物聯網無線透傳自組網模式，點對多點透明傳輸模式。多數據接口方式UART TTL 電平接口，低功耗休眠模式，適合電池供電?？垢蓴_能力強，支持信號強度的讀取，通信時間短，圖3 為主機發射模塊。

圖3 主機發射模塊

圖4 為數據采集器，它與主機一起構成通信系統，通過主機發射的喚醒信號后，采集器被喚醒，等待主機發射啟動具體的位置的倉信號指令后，采集器就會回傳本倉的溫度信息。

圖4 采集器模塊

3.2 穩壓電路設計

該電路用于系統能量供應，圖5 為電路實物圖，把原來的純鋰電池供電方式更換為更加環保的太陽能供電方式，太陽能板把光能轉化成電能，把多余的電能儲存到鋰電池中，這樣就節約了很多電能，源源不斷地給模塊供電，達到低碳環保的效果。

圖5 電路實物圖

圖6 為整體測試系統，一端連接上位機，一端連接需要測量的糧倉中，把溫度信息傳送到上位機，信息可以自動轉換溫度值顯示在屏幕上，結構簡單，操作方便。發射喚醒指令時，如果主機和采集器信道連接成功，主機模塊指示燈就會變為綠色，否則指示燈為紅色，發送休眠指令時，指示燈熄滅，實現了通信狀態下的低功耗。

圖6 整機測試圖

3.3 上位機溫度界面顯示

通過采集器回傳的信號給主機，主機可以把模數轉換后信號，在上位機上顯示。

通信指令：圖7 所示的分機號為01，通道號為04，表示具體是哪一個采集器的位置（糧倉位置），在分機返回一系列的十六進制信息，可轉換成二進制，其中數據包含通道的狀態信息，電池的電量信息，分機定義的點數，分機每次返回采集點個數以及溫度值。每秒傳送字節數9600，代表每秒傳輸9600 個字節，一個字節為10 位，一個起始位為低電平，8 個數據位和一個停止位（高電平）。為了顯示溫度方便，使其在上位機上自動轉換成十進制溫度值，大農戶可以直接在終端查看倉內溫度值變化情況，從界面上可以看出，顯示三個測溫點的溫度均為19.5℃。

圖7 讀取溫度數據值

可以同時測試和顯示15 個溫度點，本設備處于實驗室階段，目前只設置3 個溫度測試點。

系統測試溫度值是否符合當前真實溫度，需要進行對比試驗，經測試，結果如下表3 所示：

表3 測試溫度與實際溫度對比表

在室內測試時，系統測量溫度與實際溫度誤差都在3%以內，目前處于試驗階段，根據目前的測試結果來看，通信正常，數據傳輸穩定，可靠性高，下一步可進行糧倉試驗和投入使用。

4 總結

遠程操作無線傳輸數據，用戶可以在終端喚醒主機與采集器模塊，進行數據傳輸，把采集器采集的溫度數據經過數模轉化后，數據傳輸至物聯網無線數傳模塊，支持全透明數據傳輸，適應任何協議的無線傳輸要求。采用模塊的透傳模式，即點對多點透明傳輸模式，模塊具備低功耗休眠功能。

該產品大農戶糧倉溫度監控，也適用于農業生產溫度檢測，比如大棚蔬菜室內溫度的監控。目前產品滿足低功耗，能長久使用，工作效率高，具有遠程監控，多點傳輸的特點，市場需求量大，有較好的發展前景，能帶來可觀的經濟效益。