摘要：利用射頻技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)具有耗資小、體積小、使用靈活和易于擴(kuò)展等優(yōu)點,為無線監(jiān)控系統(tǒng)提供了一個較好的選擇。本文給出了基于射頻技術(shù)的糧倉無線監(jiān)控系統(tǒng),描述了糧倉無線監(jiān)控系統(tǒng)的組成、原理和設(shè)計,并重點闡述了基于CC1020射頻芯片和PIC單片機(jī)的無線通信終端的硬件和軟件設(shè)計。
1.引言
糧食的安全存儲是關(guān)系到國計民生的戰(zhàn)略大事，科學(xué)保糧具有重要的社會意義與經(jīng)濟(jì)價值。糧倉監(jiān)控系統(tǒng)主要完成對糧食溫度、濕度和氣體濃度等參數(shù)的采集、存儲和向監(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)的糧倉監(jiān)控系統(tǒng)中糧倉與監(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)一個節(jié)點出現(xiàn)問題時還會影響整個系統(tǒng)，不利于糧倉的監(jiān)控與管理。為此，本文給出了一種基于射頻技術(shù)的糧庫無線監(jiān)控系統(tǒng)。
2.監(jiān)控系統(tǒng)的組成和設(shè)計
糧食在存儲期間，由于環(huán)境、氣候和通風(fēng)條件等因素的變化，糧倉內(nèi)的溫度或濕度會發(fā)生異常，這極易造成糧食的腐爛或發(fā)生蟲害。同時糧倉中糧食儲存質(zhì)量還受到糧倉中氣體、微生物以及蟲害等因素的影響。針對糧食存儲的特殊性，糧倉監(jiān)控系統(tǒng)一般以糧倉和糧食的溫度與濕度為主要檢測參數(shù)，糧倉內(nèi)氣體成分含量為輔助參數(shù)。
糧倉無線監(jiān)控系統(tǒng)由糧倉糧情檢測點、無線通信終端和監(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
糧倉無線監(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)存儲與檢索、數(shù)據(jù)表格顯示與打印輸出、實時控制以及報警等功能。現(xiàn)場監(jiān)測儀采集糧倉糧情的相應(yīng)參數(shù), 如糧食溫度、倉庫溫度、相對濕度、糧食水分、糧倉內(nèi)二氧化碳和硫化氫氣體含量等,并定時或根據(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，然后將其與設(shè)定的報警值相比較，若實測值超出設(shè)定范圍，則通過屏幕顯示報警或語音報警，并打印記錄。與此同時，監(jiān)控中心可向現(xiàn)場監(jiān)測儀發(fā)出控制指令，監(jiān)測儀根據(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，以保證糧食存儲質(zhì)量。監(jiān)控中心也可以通過報警指令來啟動現(xiàn)場監(jiān)測儀上的聲光報警裝置，通知糧庫管理人員采取相應(yīng)措施來確保糧食存儲安全。
糧倉無線監(jiān)控系統(tǒng)各部分的主要組成如下：
(1). 現(xiàn)場監(jiān)測儀。現(xiàn)場監(jiān)測儀由溫度傳感器、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輸出模塊等構(gòu)成。
(2). 無線通信終端。無線通信終端由無線收發(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.無線通信終端的硬件和軟件設(shè)計
3.1 無線通信終端的硬件設(shè)計
無線通信終端由無線收發(fā)芯片和微控制器組成。本系統(tǒng)中的無線通信終端采用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，與很少的一些外圍器件搭配就可以設(shè)計成強大的具有無線通信功能的嵌入式系統(tǒng)。
PIC16F73是Microchip公司開發(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微控制器的要求。
CC1020有32個引腳，它通過PDI、PDO、PCLK和PSEL這四個引腳與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
在對無線通信終端進(jìn)行印刷電路板(PCB)的設(shè)計時，需要注意以下幾個問題：
(1). 雖然CC1020外圍器件少，集成度高，并集成了基帶處理，設(shè)計比較方便，但由于高頻電路的特性，加上CC1020的混和電路信號設(shè)計，因此PCB的設(shè)計直接關(guān)系到射頻性能。為了獲得較好的射頻性能，PCB設(shè)計至少需要兩層板來實現(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)對性能的影響，在PCB中應(yīng)該避免長的走線，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孔緊密相連。所有的開關(guān)信號與控制信號都不能經(jīng)過RF_IN和RF_OUT的電感附近。
3.2 無線通信終端的軟件設(shè)計
終端的軟件采用專門為PIC單片機(jī)設(shè)計的C語言CC5X，該語言與ANSI C兼容，并針對PIC單片機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化，能夠為PIC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，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、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)部事件通過單片機(jī)中斷系統(tǒng)激勵單片機(jī)進(jìn)行的。為了使系統(tǒng)產(chǎn)生和相應(yīng)消息，必須啟動單片機(jī)的中斷系統(tǒng)，因而在進(jìn)入主循環(huán)前啟動單片機(jī)定時中斷、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)在正常工作時始終都在主循環(huán)中反復(fù)檢測消息是否存在，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)檢測信息。
在設(shè)計軟件時，需要注意各狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時延。無線通信終端在發(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)換時間至少為0.5ms；可以發(fā)送任意長度的數(shù)據(jù)；發(fā)射模式轉(zhuǎn)換成接收模式的轉(zhuǎn)換時間至少為3ms。
3.3 無線通信終端的通信可靠率及傳輸距離
困擾無線通信的一個主要問題就是無線通信的誤碼率較高。在本無線通信終端的設(shè)計中，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，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)軟件采取了對要發(fā)送的數(shù)據(jù)打包以及增加校驗碼等方式來提高通信的可靠率。經(jīng)實際測試，當(dāng)傳輸速率為9600Kbps、通信距離為800m(郊區(qū)開闊地)時，無線通信終端的通信誤碼率為 － 。
無線通信中，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)糧倉環(huán)境下，通信速率為9600Kbps時可靠通信距離為600m左右，較好的滿足了糧倉監(jiān)控系統(tǒng)的要求。如果對通信距離有更高要求時，可適當(dāng)增加發(fā)射功率，以增加傳輸距離。
4.結(jié)束語
本文針對傳統(tǒng)糧倉監(jiān)控系統(tǒng)的不足，提出了一個基于射頻技術(shù)實現(xiàn)的糧倉無線監(jiān)控系統(tǒng)，并給了無線通信終端的硬件與軟件實現(xiàn)。實踐表明，本糧倉無線監(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，具有通信可靠、投資少、利于擴(kuò)展等優(yōu)點；監(jiān)控中心監(jiān)控管理軟件所具有的打印報表、超限報警和無線控制等功能可有效的提高系統(tǒng)工作效率；增加的糧倉氣體濃度檢測對提高糧食存儲質(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線監(jiān)控的場合。
