一种低功耗粮仓无线温度采集系统

张 广 宇

(上海瀛明市政工程有限公司 上海 202150)

0 引 言

中国是一个自古以来就一直以农业为主的国家，农业生产的粮食一直是人民生存的最主要物质基础。我国人口数量的增加使粮食的存储关系到国家的长期稳定发展。粮食的存储受许多因素影响，最常见的就是温度、湿度和通风情况，当粮仓中的环境发生变化时，管理人员要及时对环境进行处理，不然就会造成粮食储存事故。所以建立安全的粮食存储监控系统是非常重要的工作。

如果粮仓中的温度和湿度发生变化，导致粮食不在合理的温度和湿度下，粮食就会发生霉变，最终导致粮食浪费，给国家造成非常大的损失。因此对粮仓中的温度和湿度的检测对防止粮食霉变具有非常重要的意义[1]。随着物联网的飞速发展，人们可以通过无线方式实时地采集和监测粮仓中存储粮食的温度和湿度，并通过采集的数据对粮仓做及时的管理工作，来预防粮仓中粮食的霉变。另外，采用这种方式还能大大降低人工检测的劳动强度，降低人工成本，提高管理粮食储存的质量和效率。

1 系统硬件构成

本文中低功耗粮仓无线温度采集系统的底层硬件模块主要由低功耗MSP430单片机模块、NFR24L01无线发送和接收模块、DS18B20温度采集模块组成。根据不同粮库的堆粮方式和粮食在储存中的温度变化情况，测温器分成无线数据采集端和无线数据接收端2个部分。无线数据采集端由5个DS18B20、一个单片机和数据发射器组成[2]。无线采集端采集到的数据通过无线发射模块NFR24L01和无线接收端的NFR24L01通信进行数据中转，再通过接收端的RS232串口与上位机进行数据通信。上位机采集到的数据需要及时地进行保存并上送服务端，保证数据的准确记录和保存。主要的系统硬件组成结构如图1所示。

图1 系统硬件组成结构图

1.1 无线温度采集模块

每个温度采集节点由4个数字化温度传感器(DS18B20)、数据处理单元(MSP430F2011)、无线传输模块(NFR24L01)组成。系统由3.6V的锂电池供电，系统每采集一次温度数据后，通过广播方式直接发送数据，数据发送完毕后，系统进入低功耗模式LMP3，此时所有接口的电流都最小。系统进入低功耗模式后，系统的待机电流在3 μA左右[3]，耗电电量非常小，这样就可以保证系统能长期地运行，节约电量，保障采集数据运行时间变长。另外，温度采集到的数据需要通过NFR24L01无线传输模块进行数据发送工作，每次采集到数据都需要实时地进行数据发送。对应的具体模块就是图1中的无线温度采集节点。

DS18B20硬件设置根据厂商定义，总线只有一条数据线。每个设备(主或从)通过一个开放的或3个状态的端口连接到数据线。可以允许每个设备在不传输数据时“释放”数据线，这样总线就可以被另一个设备使用，保证总线不会一直被占用。DS18B20 (DQ引脚)的1线端口是打开的，内部电路设计图如图2所示。

图2 DS18B20硬件配置图

DS18B20的1线母线需要一个约5 kΩ的外拉电阻，因此，1线总线的空闲状态是高的。如果事务要恢复，总线必须处于空闲状态。在恢复期间，只要1线总线处于非活动状态，就可以在比特之间发生无限的恢复时间。如果公共总线被保持在较低的位置，公共总线上的所有部件将被重置。具体实际的实物图如图3所示。

图3 DS18B20硬件1模块实物图

1.2 无线数据中转交换模块

MSP430F149模块和NFR24L01模块节点，主要负责数据的无线接收，接收到的数据通过RS232串口模块转发到PC服务器[4]。数据中转模块在收到主机请求后，将接收到的数据上传给主机。NFR24L01模块配合MSP430F149模块是低功耗的无线通信模块，使用3.3 V电压就可以正常地驱动，而且功率非常低，发射的频率保持在2.4 GHz。具体的硬件PCB设计图如图4所示。

图4 NFR24L01模块PCB设计图

NFR24L01模块的收发器可以同时进行发送和接收几个字节的数据包，并且其内部具有纠错和重发功能，一个单元可以同时与其他6个类似的单位通信。NFR24L01模块的网络库将此扩展到相互关联的收发器的多个“层”，大大提升了传输数据的效率。实际的NFR24L01模块实物效果图如图5所示。

图5 NFR24L01模块实物图

1.3 硬件模块程序设计

系统硬件模块程序主要包括温度数据采集发送程序、数据中转交换程序和服务器对采集数据分析的程序。温度采集程序主要是对MSP430单片机、NFR24L01射频芯片和DS18B20的初始化，以及对SPI接口等进行设置。程序先对DS18B20的温度进行采集[5]，将采集到的温度数据通过MSP430单片机的SPI接口发送至NFR24L01无线模块输出，等温度数据全部发送后，MSP430单片机自动进入低功耗休眠模式运行，这样可以节约系统电量，加强系统续航能力。当系统再次启动，就继续采集温度，再进行数据发送。

数据中转程序先对无线数据中转交换模块上的MSP430单片机和NFR24L01射频芯片进行初始化，然后等待无线温度采集模块发出的数据，一旦监听到接收缓存有数据就接收并存储，并由RS232串口与上位机通信，当上位机发出信号要采集温度数据时与上位机进行数据传送[6]。上位机通过数据中转模块采集到的数据进行数据分析，当某个温度点的温度异常升高时，系统自动发出报警，提醒仓库保管人员进行核查。提前预防将来可能发生的霉变。

2 系统软件设计

2.1 核心硬件模块组成

无线温度采集系统上层软件模块主要分为手机APP端软件模块、PC上位机模块和服务器端软件模块。为了保证基本的系统模块完整并且良好地运行,需要对一些基本的硬件设备有一定的功能要求。根据业务需求，本系统需同时满足Android和iOS两端手机系统。对于Android手机需要具备Android 4.0以上的操作系统版本,并且配备2 GB以上的内存。对于iOS手机需要具备iOS 8.0以上的操作系统版本，同时需要具备Wi-Fi无线网络功能、蓝牙功能和移动蜂窝数据网络功能。服务器端软件模块主要选用阿里云的云服务器,基本的云端主机配置为2核4 GB系列,系统盘选用/dev/xvda高效云盘,存储空间为100 GB,带宽为100 Mbit/s,统一配置基本的缓存服务,操作系统为CentOS 7.4 64位[7]，数据库类型选用MySQL。

2.2 服务端模块设计

无线温度采集系统的云服务端主要负责数据的保存和通知预警的功能。主要设计流程如图6所示。上位机模块把采集到的温度实时信息上送云服务端对数据进行保存，云服务端对异常的数据实时的监控，一旦数据达到危险值，立即推送报警信息至用户手机端并短信预警。这样用户就可以第一时间得到信息，采取措施防止危险的发生。

图6 系统整体结构图

无线温度采集系统的云服务端主要负责处理系统基本的数据信息，包括用户数据管理、基本报表管理、日常信息管理和当前系统基本信息管理。另外，无线温度采集系统云服务端还开启了权限管理机制，管理人员配置了管理员权限，可以查询所有的用户信息和温度记录信息。普通工作人员只负责本人对应的模块信息，防止数据泄漏，保障数据安全[8]。其基本模块如图7所示。

图7 系统服务端基本模块图

无线温度采集系统的云服务端中的基本数据模块负责处理人员数据信息管理和实时温度数据管理，包括对实时温度的保存和查询工作，以及数据报警功能。当发现实时温度值处于报警值时，需要给对应的用户推送报警信息，并且及时记录当前时间和温度信息。无线温度采集系统的云服务端中，基本报表模块主要负责统计全部或者某段时间内的温度数据报表，报表数据需要留存备份，用户统计分析管理方式，后期及时地改进管理方式[9]。同时，异常数据的保存和管理也非常的重要，后期需要对数据及时进行分析和改进，这样才能及时地分析什么时间段，由于什么原因导致异常数据。针对异常的数据进行及时地改进，尽量减少类似问题的发生。对于遗漏的数据需要及时进行查找和对比，系统在采集和传输时，如果因软件的缺陷导致数据丢失，就需要及时进行修复，避免影响数据的准确性。不能因为数据丢失导致异常的数据丢失，这样非常容易出现危险的场景。

日常管理模块主要负责对系统信息公告通知的发布和基本安全保障的基本公共信息的发布。对于值班表还需要及时地发布和管理，并更新值班信息，保障24小时有人在坚守系统，防止造成危险发生[10]。巡查排班也需要及时更新和维护，保障系统在24小时内有人员进行维护和保障工作。基本管理模块主要负责系统日志的搜集工作[11]，检测系统是否处于故障，保障整个系统处于合理的运转之中，系统一些基本的设置可以帮助解决一些常见的系统问题。另外，还需要给用户提供一些常见问题的解决办法。

3 具体功能和研究成果

系统的总体布局如图8所示。

图8 粮食仓储温度监控系统总体布局

从图8中可以看出，整个园区的所有粮仓通过无线网络进行连接，将粮仓中采集到的数据通过无线数据中转交换模块传给机房的PC上位机，PC上位机对收集到的数据做进一步处理。

在每个粮仓中放置如图9所示的测温棒，该测温棒的核心硬件为上文所述无线温度采集模块。在粮食仓储中长度和宽度每间隔5米放置一根测温线，共80根无线测温线。每个测温线长5米，用冲击杆将测温线打入粮堆中，无线测温头露在粮食外面，接收转发器将接收到的数据上传给服务器，服务器采集到每根温度杆的数据后显示在电脑屏幕中，如图10所示。为了更好地识别数据，计算机先对采集到数据进行温度平均处理，把温度低于平均值的数据标定为绿色。

图9 测温棒

图10 系统温度采集界面

从图10中可以看出，当温度偏差超过平均值时，调高RGB的R值，超过越多R值越高。通过系统温度测量界面，管理员可以清晰地看到温度的差异变化，进而及时地发现问题，做出相对应的策略。此方式相对于传统的保管方式能通过温度变化及时地发现问题，大大减少粮食存储过程中发生霉变的问题。

4 结 语

本文以无线低功耗采集数据为目标，采用无线低功耗NFR24L01芯片，设计基于MPS430单片机的无线粮库温度采集系统。无线结构简单，系统成本低，且易于扩展。整个系统能够满足大面积粮库长时间温度监测的需求，具有较高的可靠性和稳定性。系统实现了粮库温度信息的自动控制和无线集中远程监控，节省了大量的劳动力，降低了成本。同时，系统的实时性强、误差小，实现了粮库温度的精确采集，保证了粮库粮食的存储质量，在粮食存储中具有广阔的应用前景。