基于声表面波技术的粮食仓储环境无源测温系统

齐仁龙，张庆辉，金广锋

（1.郑州科技学院 电气工程学院，河南 郑州 450064；2.河南工业大学 信息科学与工程学院，河南 郑州 450001）

基于声表面波技术的粮食仓储环境无源测温系统

齐仁龙1，张庆辉2，金广锋2

（1.郑州科技学院 电气工程学院，河南 郑州 450064；2.河南工业大学 信息科学与工程学院，河南 郑州 450001）

粮食的安全储存需要对粮食的温度、湿度、压力、黏度、密度等变化情况进行实时的信息采集。本系统通过采用无线无源声表面波温度检测技术实现了仓储环境温度信息数据的采集。系统采用无线无源声表面波温度传感器作为对粮仓温度采集的终端，通过自身声波频率的变化，获得输出信号频率或幅度上的差异，实现粮食仓储环境温度变化的监测并实现无线无源方式频率信号的传输，即通过温度变化时引起的频率变化及温度信息处理的算法的优化，进而实现对实时温度数据的数字化。该技术有效提高了对粮仓温度信息的采集，快速获取仓储环境的温度监测点信息，对解决因粮仓环境变化造成的粮食发霉、腐烂等现象造成的损失大有帮助。

声表面波技术；粮食仓储环境；无线无源测温；传输效率

0 引言

我国是粮食生产大国，也是粮食消费大国。在粮食储存中，往往需要对粮仓中粮食温度、湿度、含水率、粮仓密度超标等现象进行有效监测和对仓储环境的突变进行及时有效的处理，防止粮食因环境问题带来的霉变，造成品质劣化[1-2]。粮食的安全存储需要对粮食储存中温度、湿度、压力、黏度、密度等变化情况实时地进行信息采集，温度变化则是其他因素变化的核心，故对仓储环境温度的监测就显得尤为重要，以往主要采用DS18B20或者温度采集仪等，该传感器对温度信号采集后需要借助网络将温度监测数据传输到系统的后端，自身不具备无线传输功能，且需要供电电源，不利于大面积的推广应用。

本系统采用无线无源声表面波温度检测技术实现了仓储环境的温度信息数据的采集，采用无线无源声表面波温度传感器作为对粮仓温度采集的终端，经由自身声波频率的变化，获得输出信号频率和幅度上的差异，实现粮食仓储环境温度变化的监测和无线无源方式频率信号的传输，进而实现实时变化温度数据的数字化。该技术可有效提高对粮仓温度信息的采集和快速获取仓储环境的温度监测点的信息，对解决因粮仓环境的变化造成的粮食发霉、腐烂等现象造成的损失大有帮助，为分析粮食仓储环境提供有力的数据。

1 无线无源声表面波温度检测原理

1.1 声表面波温度检测的特点

声表面波温度传感器在工作中优于其他传感器，可以在没有电源供电的情况下实现传感端的无源化，简化了繁琐的维护；由于声表面波传感器信号的发射与接收间没有电线，也适用于移动或旋转部件温度参数的测量。该声表面波传感器作为测量工具，工作环境适应性强，在潮湿、肮脏以及电磁干扰、强光照、人员等不易到达的环境条件下具有独特的优势[3]，表1为各测温系统特性的比较。

1.2 声表面波温度检测的原理

声表面波技术在无线通信领域得到了广泛的应用，主要原因是其具有非常小的信息传播速度。根据其应用领域的不同，可以分为频率选择及控制器件、信号处理器件等，在生物医疗、工业、商业生产中广泛应用于气体、温度、湿度等的检测。通过在粮食仓储环境温度监测中应用，可有效监测仓储环境温度的实时变化，且效果良好。对于该传感器对温度信号的测量与信号的传输可归结为如图1所示的工作原理。

表1 各测温系统特性比较Table 1 Characteristics comparison of temperature measurement systems

图1 声表面波器件结构及测温原理示意图Fig.1 Structure of surface acoustic wave device and diagram of temperature measurement principle

该仓储无源温测系统采用的传感器为谐振型、单端口性能的传感器，当IDT上有声表面波传感器的天线接收的仓储温度变化的无线电信号时，通过逆压电效应，压电基片将接收到的仓储温度电信号转换成声信号，即形成声表面波信号，声表面波信号借助压电基片的表面进行传播，由于该器件左右对称，反射栅周期性地变化，该声表面波信号被快速形成谐振，带有固有谐振频率的信号返回到天线IDT，该信号便为主频衰减振荡的响应信号，即转化为可测量的主频信号，进而推导被测量的变化，即可得到仓储环境某点温度监测信号的变化。

该谐振器谐振频率的计算公式为:

f0=v/2d，

式中：f0代表谐振固有频率，d代表反射栅的栅片之间的距离，v代表声表面波传播的声速。

粮仓温度信号的变化引起声波信号的变化，声表面波信号在压电基片上传输的声速v就会变化，进而引起谐振频率的变化。经由优化设计后，便可以实现粮仓监测点温度信号的线性变化和谐振频率线性变化的一致性，线性变化的谐振信号返回到天线IDT后，经具有压电效应的基片转换为无线声表面波信号，后通过天线进行发射，进而将粮仓温度监测点的温度信号的变化转化为频率信号的变化，通过测量频率信号的频率，即可得出粮仓监测点的温度信号。声表面波测温器件具有体积小、灵敏度高、性能稳定、可靠性高、无线传输距离远等优点，在测温系统中得到应用[4]。

2 声表面波温度监测系统设计

2.1 系统的构成

该系统对粮仓温度的采集采用无源温度传感器为终端，对粮仓监测点的温度信号的采集采用无线无源方式进行信号的传输，当粮仓的监测点温度发生变化时，接收装置将实时捕捉到信息的变化，有效预警仓储环境中监测点温度变化情况，有效解决因粮仓环境的变化造成的粮食发霉、腐烂等现象造成的损失[5-7]。

该粮仓无源测温系统由控制终端、传输网络、监测点温度采集终端等组成，控制终端主要由服务器和人机控制界面组成，传输网络由无线局域网组建而成，监测点的温度采集终端主要由声表面波温度传感器、温度采集器与测温主控终端3部分组成，如图2所示。

根据粮仓分布情况，设置粮仓测温控制网络，每个网络可以根据情况控制多个粮仓，在每个粮仓安装测温主控终端，并且每个测温主控终端可以连接控制温度采集器达30个，每个温度采集器可以采集处理18个声表面波长及其监测的温度特征，可以有效满足不同粮仓对关键部位温度监测点的设置。

图2 粮仓温度测控系统的构成Fig.2 Composition of granary temperature measurement and control system

2.2 声表面波温度监测算法

本系统通过测量终端采集的回波信号相位的变化来实现对粮食仓储环境监测点温升变化的测量，通过以下算法的推理，进而得出监测点温度和相位的关系。

声表面波温度传感器接收到的监测的粮仓温度射频信号，可由下列公式推导：

式中：ω0代表接收到的回波信号的原始角频率，μ为调制2π倍的频率，t为信号传输过程时间。

经由声表面波传感器将电信号经由反射回来的带有频率变化的回波信号S1（t）和S2（t）与发射的粮仓监测点温度信号S（t）相似，不同之处就是在延迟时间t1与t2及振幅上，具体公式如下：

式中：A1、A2分别为回波信号S1（t）、S2（t）的振幅；d1、d2分别代表IDT和两个反射栅之间的距离；v为声表面波温度传感器的信号采集传播速度；子e代表基片上粮仓温度电信号传播和电磁信号转换在空间传播上的时延。

这个时延是固有存在的，故对两个不同回波信号产生相同的影响，经由频率混合后及滤出低频信号后，进而推得角频率、振幅均不同的两个回波信号如下：

式中：B1、B2分别代表回波信号 E1（t）、E2（t）的振幅；φ1、φ2对应着E1（t）、E2（t）的相位。

声表面波温度传感器的工作原理，以及数学模型的建立，是分析粮仓监测点温度变化所造成的采集分析信号相位的变化的主要理论依据。由公式（6）和（7）的相位差，可得到：

式中：φT代表所采集粮仓监测点温度射频信号所产生的相位差；K代表与声表面波信号频率相关的系数。

由声表面波温度传感器信号采集的传播时间及其对附近温度环境的敏感性关系子x。

把式（10）代入式（8）得：

假设以角度为单位相移表示为ΔφT，则：

即若测得的频率信号每相移变化1°，粮仓温度变化为0.33℃，故采用了通过相位的变化去推导粮仓监测环境温度变化的大小，进而根据粮仓监测点的初始温度T0，获得所测最终温度T。

2.3 温度采集界面设计

本系统监控查询界面如图3所示，可以实现“文件”的保存功能、系统后台“编辑”功能、“查看”功能、“收藏”功能等一系列功能。点击“文件”可将系统后台监控数据以word文档的格式打印出来；“编辑”则实现后台管理对监控设备的参数设置；“查看”可以监测当前的工作状态；“收藏”则可以实现当前数据的搜集，为以后数据的参考比对提供依据。

用户在查看监测数据时，如要查看粮仓1，可以查看分布在粮仓内的各个监测点，选择所要查看的监测点后就会显示当前的监测温度，同时可以通过该界面查询当前信号采集的传输强度。

2.4 应用结果分析

通过声表面波技术在粮仓温测的应用，在相同环境条件下声表面波传感器监测的温度与普通传感器监测的温度误差≤0.01，应用效果明显。另外，对采集到的信号进行matlab仿真，如图4所示，所采集的信号比以往温度采集器采集到的信号幅值和频率都有所加强。

3 结论与展望

在相同环境条件下声表面波传感器监测的温度误差更小，所采集的信号比以往温度采集器采集到的信号幅值和频率均有所加强，为粮食储存又提供了一个粮食环境监测手段，是具有低功耗功能的粮仓环境监测设备，具有较好的推广应用前景，为粮食的储存提供了有力的保障，也有力地推动了粮食储存的安全性，该技术将进一步拓展应用新领域，为粮食产业的存储提供有力的技术支撑。

图3 后台管理监控界面Fig.3 Background management monitoring interface

图4 普通测温与声表面波测温信号强弱比较Fig.4 Comparison of signal strength between common temperature measurement and SAW temperature measurement

［1］ 陈康乐.装具材料对粮食品质的影响及其粮情监测系统的设计［D］.杨凌：西北农林科技大学，2013.

［2］ 张月金，谭军.国内粮情测控系统现状及发展趋势［J］.农业装配技术，2009，35（4）：4-7.

［3］ 张芳，王锋.单总线数字温度传感器在粮情监测系统中的应用［J］.河南工业大学学报（自然科学版），2011，32（1） ：74-77.

［4］ 岳海方.基于声表面波技术的无线测温系统理论分析与实验研究［D］.济南：山东大学，2014.

［5］ 甄彤，马志.多传感器信息融合技术在粮情测控中的应用［J］.河南工业大学学报（自然科学版），2008，29（4）：56-58.

［6］ 甄彤.桑俊杰，肖乐.WebGL技术在粮温监控中的应用［J］.河南工业大学学报（自然科学版），2014，35（1）：96-99.

［7］ 雷梦龙，唐少先.多元线性回归函数式结合无线传感器对粮仓温度的预测研究［J］.湖南农业科学，2014， 31（3）：98-100.

PASSIVE TEMPERATURE MEASUREMENT SYSTEM BASED ON SURFACE ACOUSTIC WAVE（SAW）TECHNOLOGY FOR GRAIN STORAGE ENVIRONMENT

QI Renlong1, ZHANG Qinghui2, JIN Guangfeng2
（1.School of Electrical Engineering，Zhengzhou University of Science&Technology，Zhengzhou 450064，China；2.School of Information Science and Engineering，Henan University of Technology，Zhengzhou 450001，China）

Realtime information acquisition of temperature，humidity，pressure，viscosity，density and so on of granary is necessary for safe storage of grain.The system realized the temperature information acquisition of grain storage environment by adopting wireless passive surface acoustic wave temperature detection technology.As granary temperature acquisition terminal，a wireless passive surface acoustic wave temperature sensor was used to acquire the difference of output signals in frequency or amplitude through the changes of sound wave frequency thereof，thereby to realize temperature monitoring of grain storage environment as well as wireless passive frequency signal transmission，that is to realize digitization of real-time changing temperature data based on the frequency changes caused by temperature changes and optimization of temperature information processing algorithm.The technology is effective in collecting granary temperature information，and quick in acquiring information of temperature monitoring points of grain storage environment，thereby obviating grain loss caused by mildewing and rotting due to environment changes of granary.

SAW technology;grain storage environment；wireless passive temperature measurement;transmission efficiency

TS210.7

：B

1673-2383(2017)04-0091-05

http://kns.cnki.net/kcms/detail/41.1378.N.20170828.0857.034.html

网络出版时间：2017-8-28 8:57:25

2016-12-26

河南省高校科技创新团队项目（16IRTSTHN026）；河南省科技攻关计划项目（162102110124）

齐仁龙（1982—），男，河南商丘人，讲师，研究方向为电路与系统。