我国粮情测控系统的应用与发展

李文强

(甘肃财贸职业学院，甘肃 兰州 730207)

引言

粮食事关国运民生,粮食安全是国家安全的重要基础。粮食安全主要是粮食生产安全和粮食储藏安全2 个方面。粮食在储藏过程中,粮堆的温度、湿度、水分、害虫等参数会影响储粮安全,导致粮食品质下降。我国的粮食储备主要集中在中央储备和地方储备,其中中央储备由中国储备粮管理集团有限公司直属库承担,地方储备由各省粮食与物资储备局直属库承担。根据国家粮食行业标准的定义,粮情是指粮油在储藏过程中所处的状态以及影响其品质和数量变化的各种因素,如温度、湿度、水分、氧气、二氧化碳、磷化氢、储粮害虫及螨类等。从20 世纪70 年代开始,粮仓管理人员就已经使用电子传感器对粮情进行人工检测。根据国家粮食行业标准的定义,粮情测控系统是利用现代计算机和电子技术对粮情进行检测、数据存储与分析,对储粮技术设施进行适时控制的系统。这种现代化的粮情测控系统出现在20 世纪80 年代后期,并且随着传感器技术、计算机技术和通信技术的发展逐步得以完善,形成了一套行业标准。随着无线传感网络和物联网技术的发展,粮情测控系统面临着新技术的应用发展。

1 基于有线通信技术的粮情测控系统

我国起步阶段的粮情测控系统接线复杂,系统结构一般采用上位机、测控主机、测控分机、分线器多级结构,热敏电阻被电缆连接到分线器,多个分线器再连接到一个测控分机上,一个仓库的所有测控分机将模拟信号汇聚到测控主机上,测控主机将模拟信号转化成数字信号后传送给上位机,由上位机进行数据处理。这种结构布线复杂,抗干扰能力差,可靠性低。20 世纪90 年代以后专业的粮情测控系统厂家多使用单片机为控制芯片,通信方式以RS485 总线为主,但是温度传感器还是以热敏电阻测温电缆为主。进入21 世纪以来,测控分机开始应用ARM 嵌入式芯片,传感器也以数字传感器为主,如广泛使用的测温电缆数字温度传感器DSl8B20 等。系统的通信方式也逐渐使用无线通信技术如Zigbee 等,这种粮情测控系统虽然布线简单,但是性能不够稳定,抗干扰能力差,价格也比较昂贵,对于储粮企业的成本有较大压力。根据甘肃省121 家储粮企业随机抽样调查结果,有50%以上企业现阶段使用的粮情测控系统仍然以RS485 总线为主。

1.1 基于RS485 总线的粮情测控系统

现阶段粮情测控系统的通信方式可以分为有线通信和无线通信。有线通信系统包括基于RS485 总线的通信方式和基于工业现场总线的通信方式两种。RS485 总线的总线型拓扑结构在同一总线上可以连接32 个节点,采用屏蔽双绞线或者铠装型双绞屏蔽电缆进行数据传输,不仅接线简单而且抗干扰,其传输的速率在100kbps 以下时其最大传输距离可达1200m。如果需要更远距离的数据传输可以在RS485 总线之间使用中继器,通过中继器的使用可使连接的节点数达到256 个,通信距离达到10.8km。RS485 总线具有的这种总线结构易于扩展,成本低廉,在国内粮情测控系统中得到了广泛应用,至今仍有大量的系统还在使用。但是RS485 总线技术的粮情测控系统也有缺点:RS485 总线是总线型拓扑,不支持环形和星形网络拓扑,总线型拓扑节点容量有限,布线可靠性较差,不适用于中储粮这一类的大型直属库的粮情测控系统；RS485 总线的最大通信距离为1200m,对于北方地区中储粮现代化的大型大型储备库的应用要求不能满足；RS485 总线需要有效的防止雷击,布线作业需要在仓库建设时综合考虑预先留置地沟,不能适合老库区的改造。随着中储粮现代化的国家大型储备库的建立,基于RS485 总线技术的粮情测控系统应用越来越少。

1.2 基于工业现场总线的粮情测控系统

在粮情测控系统中运用比较广泛的工业现场总线技术有LonWorks 总线技术和CAN 总线技术2 种。LonWorks 总线最高通信速率为1.25Mb·s-1,最远通信距离为2700m,节点总数可达3200 个,网络的传输介质可以是双绞线、同轴电缆、光纤等。基于Lon-Works 总线的粮情测控系统一般由上位管理机、网络接口及多个LonWorks 节点模块连接测温电缆组成。上位机通过网络接口模块与LonWorks 总线相连,负责整个系统的数据管理与分析,LonWorks 网络接口模块负责接收上位机下达的采集指令和上传本节点的实时检测数据。技术的粮情测控系统优点是系统具有开放性,符合ISO 的OSI 标准,具有互联性和互操作性,扩容十分方便；还有LonWorks 网络属于点对点的对等式网络,各个节点网络地位平等,每个节点都能完成控制和通讯功能,单个节点的故障不会造成系统瘫痪,有很高的系统的稳定性和可靠性。LonWorks总线技术的粮情测控系统成本低,易维护。由于采用分布式结构,LonWorks 技术的粮情测控系统布线简单,增加库区时可以方便扩充系统容量,节省企业的维护费用。无论是在检测速度、传输距离还是系统容量方面,LonWorks 总线技术都比RS485 总线技术有优势。

相对而言,工业总线CAN 总线技术在粮情测控系统中得到了广泛应用。CAN 总线是一种ISO 国际标准化的串行通信协议,支持分布式控制和实时控制的串行通信网络。基于CAN 总线的粮情测控系统有明显的优越性。CAN 网络中的节点都可以根据总线访问优先权,采用逐位仲裁的方式竞争总线发送数据,这些特点使得基于CAN 总线的粮情测控系统数据通信实时性强,并且提供冗余设计以提高系统的可靠性和系统的灵活性。CAN 总线不会出现类似RS-485 网络中的短路现象,CAN 网络节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能,可以避免个别测温点故障使得总线处于“死锁” 状态。CAN 总线的通信协议可由CAN 控制器芯片及其接口芯片来实现,从而大大降低系统开发难度,缩短了开发周期。另外,与LonWorks总线相比,CAN 总线通信速率高、容易实现、性价比高,这些也是CAN 总线应用于粮情测控系统的重要原因。从粮库实际应用结果来看,基于CAN 总线的粮情测控系统实时性高,出错率低,运行效果普遍较好。同时,基于CAN 总线技术的粮情测控系统性价比高,安装维护方便。无论是基于RS485 总线还是现场总线技术的粮情测控系统都属于有线通信介质网络范畴,与基于无线传输介质的粮情测控系统相比,有线粮情测控系统具有数据传输稳定可靠、抗干扰能力强等优点。但是有线粮情测控系统在实际应用中有其自身无法克服的缺点:由于网络传输使用有线介质,系统易受雷电和施工条件的影响,复杂的线缆导致安装维护极不方便,具有较高的使用成本。

2 基于无线通信技术的粮情测控系统

有线传输介质的粮情测控系统的固有缺点,无线粮情测控系统都能够有效克服。随着无线传感器网络技术的快速发展,基于无线传输网络的粮情测控系统将逐步取代有线粮情测控系统。当前无线粮情测控系统主要有2 大类,基于电信网络传输的粮情测控系统；基于物联网无线接入技术的无线粮情测控系统。

2.1 基于电信网络的粮情测控系统

目前成熟的远距离无线通信方案当属4G 电信网络,基于电信网络的无线粮情测控系统主要由现场数据采集单元、4G 无线传输模块、上位机3 部分组成。该系统的工作原理是由现场数据采集单元采集粮库中的温度、湿度等数据,利用4G 无线传输模块将其发送到电信网络中,通过上位机接收数据进行处理,上位机也可通过互联网发出控制命令。基于电信网络的粮情测控系统优点:电信运营商的信号非常稳定；网络的覆盖面积较广,其信号传输距离基本不受限制,因此系统的开发难度小、开发成本低。但是这类系统也存在一些无法克服的缺点:粮库大多都在偏远地区,电信网络覆盖不到或者信号不稳定,系统所产生的流量费用很高,导致基于电信网络的粮情测控系统有很大局限性。

2.2 基于ZigBee 技术的无线粮情测控系统

近年来物联网技术高速发展,ZigBee 技术是符合IEEE802.14.5 标准的物联网接入技术,在粮情测控系统中得到了较快应用。基于ZigBee 技术的粮情测控系统主要优点如下所示。

2.2.1 低功耗

ZigBee 传输速率低,信号的收发时间短,在非工作模式时ZigBee 处于睡眠模式,ZigBee 无线传感器节点处于休眠模式时整体的耗电量只有1uW,进入工作模式的启动时间只有15ms,设备搜索时间为30ms,通过电池供电ZigBee 设备可以使用1～2a 左右的时间,特别适合布置在粮仓内进行粮堆温度检测。

2.2.2 可靠性和安全性高

ZigBee 的MAC (介质访问控制子层) 采用了一种碰撞避免机制,提高系统传输的可靠性。另外,ZigBee 加密算法采用了128 位的AES 加密,ZigBee 联盟还开发了安全层,特别适合搭建粮情测控系统和智慧仓储系统。

2.2.3 扩充性优良

1 个ZigBee 的网络最多有255 个ZigBee 网络节点,其中1 个Master 设备,其余254 个Slave 设备。

2.2.4 价格便宜

ZigBee 芯片的价格都在几美元,而且ZigBee 芯片的体积较小,利用ZigBee 作用无线通信技术的粮情测控系统完全能够满足粮情监测技术指标。另外在软件方面,ZigBee 协议的使用是不需要专利费用的。

2.3 基于LoRa 技术的无线粮情测控系统

LoRa 技术由美国申泰(Semtech) 公司于2013 年8 月发布,是一种新型的长距离低功耗数据传输技术芯片,是一种使用扩频调制技术的低功耗广域网技术。LoRa 协议中规定了Class A/B/C 3 类终端设备,这3 类设备基本覆盖了物联网所有的应用场景。LoRa技术作为粮情测控系统的网络基础优势主要有以下几点。

2.3.1 传输距离远

在城市郊区通信距离达10km 以上,在电磁环境较复杂的城市范围也有2km 以上的传输距离。与Zig-Bee 技术相比,在相同的发射功率下,LoRa 终端设备与路由器的网络具有更远的通信距离。

2.3.2 功耗低

LoRa 采用自适应的低速率通信,芯片接收电流只有10mA,休眠时的电流不足200nA,相对于ZigBee模块而言电池寿使用时间更长。

2.3.3 LoRa 网络工作在非授权的ISM 频段

这一特性决定了那些在偏远地区的粮库可以用很低的成本部署基于LoRa 的无线粮情测控系统,可以自由的使用LoRa 网关来扩充系统。LoRa 技术的弊端是工作在非授权频段可能被国家法律所阻止,但目前来看,工信部2019 年11 月28 日发布的52 号公告并未阻止LoRa 组网。

3 结语

目前我国的粮情测控系统整体上仍然比较落后,早期投入使用的系统已经不能满足需求。经过调研发现,部分地区储粮企业新建仓库已经有基于ZigBee、WiFi 技术的粮情测控系统投入使用。未来随着物联网技术的快速发展,基于LoRa 技术和NB-IoT 技术的无线粮情测控系统将是发展的主要方向。