基于传感标签技术的粮仓多参数监测系统设计

潘世丽，汤淋淋

(1.苏州大学 应用技术学院，江苏 昆山 215325；2.硅湖职业技术学院，江苏 昆山 215300）

0 引 言

粮食一直是各国的重要储备物资，因此粮食的生产、储存等方面的管理措施便成为了一个世界级问题，粮库粮情的实时监测控制是保证粮食各方面质量的重要举措之一。在储粮过程中，变化的通风条件、气候和环境等要素，会造成温湿度的改变,使粮仓内发生虫害腐烂，进而影响储粮品质。为了减少气体、微生物及虫害等因素的影响，确保一个稳定、标准的粮库环境以减少储备粮损失，必须对粮仓包括粮食在内的所有物资进行温湿度检测。故而，引进了RFID 远距离射频技术来解决问题，该系统安全稳定，操作方便，只需使用特殊的温湿度标签和相应的读卡器，完成极少量的布线便可完成无线数据传输[1]。

1 系统总体方案设计

设计的粮情监测系统通过主控制器驱动相关传感器完成粮情参数的采集，并将采集的数据通过仓外的无线组网系统传输给上位机监控中心, 上位机软件对采集的数据进行处理和分析。

1.1 粮仓内监测系统方案设计

粮食测量标准规定，粮食的分层及四周检测应分别设立点位，分别位于距粮食表面、粮食底部及粮仓壁0.3 m 的位置，若粮垛的高度达到4～6 m 时需要分四层。粮仓的三维为60 m、21 m、8 m。根据要求在长度上每4 m 为一个间隔，需14 排，一排5 个标签。在每个标签的高度方向上布置4 个传感器进行实时监控[2]。

1.2 粮仓外无线组网方案设计

传统的粮库粮情监测系统大多采用有线的方式将粮仓内采集到的粮情数据传输给上位机监测中心，这种方法存在线路多、布线复杂、成本高和易受到熏蒸腐蚀的弊端。因此设计了三级读写器网络拓扑结构（如图1 所示），其主要由前两级中继读写器和终端读写器构成[3]。第一级中继读写器安装在每个粮仓内，负责与第二级中继读写器和第四级中继读写器通信；第二级中继读写器分布在粮库中，负责与其通信范围内的第三级中继读写器和终端读写器进行通信；终端读写器安装在监测中心外面，负责与上位机监控中心和第四级中继读写器进行通信。采用三级读写器网络拓扑结构可以使整个系统的通信协议更加规范化，各层之间的通信模式基本相同，容易编程和修改，增加了系统的灵活性。

图1 粮仓三级无线网络拓扑结构

2 系统软硬件设计

2.1 RFID传感标签软硬件设计

传感标签以MSP430F149 单片机为主控制器，负责整个电路的数据处理与控制；SHT75 为传感单元，用来收集粮仓内温湿度数据；nRF905 无线收发模块为射频单元，负责接收读写器的命令和将传感器采集的信号通过无线的方式传输给读写器；存储单元采用AT24C02 芯片，其主要功能是在大容量采集时将信号暂存起来[4]；时钟单元采用DS1302 芯片，其主要功能是记录当前采集温湿度数据的时间值，并和温湿度数据一起打包发送给读写器，便于工作人员管理和分析。

2.2 RFID 读写器软硬件设计

前端读写器安装在每个粮仓内，主要负责连接传感标签与第二级中继读写器的通信和监测该粮仓内空气的温湿度和相关气体浓度情况，设计的前端读写器结构如图2 所示。从图2 可以看出：前端读写器上连接有温湿度传器，负责监测粮仓内空气的温度和湿度情况；射频单元负责与其它模块进行通信；继电器控制单元的功能是隔离主控单元和风机，起到保护电路板的目的，检测到超标准温度出现时就会开启风机进行降温，当超限的温湿度恢复正常时，主控单元同样通过继电器关闭风机，从而实现粮仓内智能通风；存储单元主要负责存储没来的及发送出去的数据，防止数据意外丢失；液晶显示单元负责将采集的信号实时显示出来[5]。

图2 RFID 前端读写器硬件结构

RFID 终端读写器安装在监测中心外，主要包括存储单元、主控单元、供电单元、电平转换芯片和射频单元，其中电平转换芯片负责将主控单元的输出信号转换为上位机可识别的RS-232 信号[6]。

3 结 论

（1）通过粮情参数测量精度实验，系统检测温度误差＜0.01℃，湿度误差＜0.01%RH，能满足粮食行业标准规定。

（2）通过无线数据传输的通信距离实验，传感标签的通信距离能够满足在实际大型粮库中组建监测网络的要求，如表1 所示。

表1 无障碍传输距离测试结果（0 dBm 发射功率）

（3）通过数据无线传输误码率实验，其误码率均＜2%，符合粮情测控系统里的要求，如表2 所示。

表2 单个读写器对多个标签误码率测试数据（0 dBm 发射功率）

本文将RFID 系统与传感器结合，获取粮仓环境信息，如温度、湿度等，设计了一种粮仓内信号无线通信的三级无线网络拓扑结构，提出一种基于无线射频的粮库粮情多参数监测系统，实验表明，该无线监测系统的稳定性和可靠性较好。