摘要：利用射頻技術傳輸數據具有耗資小、體積小、使用靈活和易于擴展等優點,為無線監控系統提供了一個較好的選擇。本文給出了基于射頻技術的糧倉無線監控系統,描述了糧倉無線監控系統的組成、原理和設計,并重點闡述了基于CC1020射頻芯片和PIC單片機的無線通信終端的硬件和軟件設計。
1.引言
糧食的安全存儲是關系到國計民生的戰略大事，科學保糧具有重要的社會意義與經濟價值。糧倉監控系統主要完成對糧食溫度、濕度和氣體濃度等參數的采集、存儲和向監控中心傳送數據以及執行監控中心的指令等功能。傳統的糧倉監控系統中糧倉與監控中心大多采用RS-485等有線連接的數據通信方式，使得系統抗干擾差、連線繁多、擴展困難；當一個節點出現問題時還會影響整個系統，不利于糧倉的監控與管理。為此，本文給出了一種基于射頻技術的糧庫無線監控系統。
2.監控系統的組成和設計
糧食在存儲期間，由于環境、氣候和通風條件等因素的變化，糧倉內的溫度或濕度會發生異常，這極易造成糧食的腐爛或發生蟲害。同時糧倉中糧食儲存質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，糧倉監控系統一般以糧倉和糧食的溫度與濕度為主要檢測參數，糧倉內氣體成分含量為輔助參數。
糧倉無線監控系統由糧倉糧情檢測點、無線通信終端和監控中心等組成，其系統結構示意圖如圖1所示。
圖1. 系統結構示意圖
糧倉無線監控系統主要具有數據采集與傳送、數據分析與處理、數據存儲與檢索、數據表格顯示與打印輸出、實時控制以及報警等功能。現場監測儀采集糧倉糧情的相應參數, 如糧食溫度、倉庫溫度、相對濕度、糧食水分、糧倉內二氧化碳和硫化氫氣體含量等,并定時或根據指令發送至監控中心；監控中心將收到的采樣數據以表格形式顯示和存儲，然后將其與設定的報警值相比較，若實測值超出設定范圍，則通過屏幕顯示報警或語音報警，并打印記錄。與此同時，監控中心可向現場監測儀發出控制指令，監測儀根據指令控制空調器、吹風機、除濕機等設備進行降溫除濕，以保證糧食存儲質量。監控中心也可以通過報警指令來啟動現場監測儀上的聲光報警裝置，通知糧庫管理人員采取相應措施來確保糧食存儲安全。
糧倉無線監控系統各部分的主要組成如下：
(1). 現場監測儀。現場監測儀由溫度傳感器、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成。
(2). 無線通信終端。無線通信終端由無線收發芯片和微控制器組成。
(3). 監控中心。PC機、監控管理軟件構成了監控中心的主體。
3.無線通信終端的硬件和軟件設計
3.1 無線通信終端的硬件設計
無線通信終端由無線收發芯片和微控制器組成。本系統中的無線通信終端采用CC1020為收發芯片，PIC16F73單片機為微控制器。
CC1020是Chipcon公司推出的基于SmartRF技術的全集成無線收發芯片。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)調制，集成鎖相環(PLL)、壓控振蕩器(VCO)、功率放大器(PA)、低噪聲放大器(LNA)、調制解調器(DEMOD)等功能，具有低電壓、低功耗、高靈敏度、傳輸距離遠、尺寸小等優點，與很少的一些外圍器件搭配就可以設計成強大的具有無線通信功能的嵌入式系統。
PIC16F73是Microchip公司開發推出的低功耗、高性能的8位單片機，采用雙總線結構(指令總線和數據總線分離)和精簡指令結構，具有8Kb的Flash、192字節的片內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單片機的I/O端口相連，CC1020的應用原理圖如圖2所示。
圖2. CC1020的應用電路示意圖
在對無線通信終端進行印刷電路板(PCB)的設計時，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的混和電路信號設計，因此PCB的設計直接關系到射頻性能。為了獲得較好的射頻性能，PCB設計至少需要兩層板來實現，PCB分成射頻電路和控制電路兩部分布線。
(2). 為了減少分布參數對性能的影響，在PCB中應該避免長的走線，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的電源必須經過很好的濾波，并且與數字電路的供電分離，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。
(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。所有的開關信號與控制信號都不能經過RF_IN和RF_OUT的電感附近。
3.2 無線通信終端的軟件設計
終端的軟件采用專門為PIC單片機設計的C語言CC5X，該語言與ANSI C兼容，并針對PIC單片機進行了優化，能夠為PIC單片機產生優質高效的代碼。由于PIC16F73單片機要實現與用戶以及CC1020的通信和數據打包，因此該軟件借用了Windows系統的消息循環機制設計，采用消息循環的體系結構。這種結構使得程序清晰、可擴展性強、可移植性好。圖3為軟件的程序結構及主循環示意圖。
圖3. 程序結構及主循環示意圖
該軟件總體采用了消息驅動機制。在系統內部寄存器和變量初始化完成后就可進入主循環程序查詢系統消息。系統消息一般是單片機外部或者內部事件通過單片機中斷系統激勵單片機進行的。為了使系統產生和相應消息，必須啟動單片機的中斷系統，因而在進入主循環前啟動單片機定時中斷、串行通信中斷、外部觸發中斷。程序初始化部分在單片機上電或復位后只執行一次，單片機在正常工作時始終都在主循環中反復檢測消息是否存在，并根據消息的不同種類而做出不同的操作，最后清除相應的消息標志，再進行循環檢測信息。
在設計軟件時，需要注意各狀態轉換的時延。無線通信終端在發送數據前需要將電路置于發射狀態；接收模式轉換成發射模式的轉換時間至少為0.5ms；可以發送任意長度的數據；發射模式轉換成接收模式的轉換時間至少為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計中，物理層上CC1020采用的是差分曼徹斯特編碼方式傳輸數據，從而保證了通信中的同步問題；在數據鏈路層，使用了CRC循環冗入編碼進行了數據幀校驗，用以保證數據到達用戶應用層后的可靠性；在應用層，單片機軟件采取了對要發送的數據打包以及增加校驗碼等方式來提高通信的可靠率。經實際測試，當傳輸速率為9600Kbps、通信距離為800m(郊區開闊地)時，無線通信終端的通信誤碼率為 － 。
無線通信中，通信距離與發射端的發送功率以及接收端的接收靈敏度有著直接關系，與通信所處的環境的也有密切關系。本無線通信終端的發送功率為10mW，通信速率為9600Kbps、通信二進制誤碼率為 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。在郊區糧倉環境下，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控系統的要求。如果對通信距離有更高要求時，可適當增加發射功率，以增加傳輸距離。
4.結束語
本文針對傳統糧倉監控系統的不足，提出了一個基于射頻技術實現的糧倉無線監控系統，并給了無線通信終端的硬件與軟件實現。實踐表明，本糧倉無線監控系統工作穩定可靠，它能有效的解決傳統糧倉監控系統中有線數據傳輸方式連線繁多、可擴展性差等缺點，具有通信可靠、投資少、利于擴展等優點；監控中心監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工作效率；增加的糧倉氣體濃度檢測對提高糧食存儲質量、減少糧食損失具有很好的效果。另外本監控系統具有很好的適應性，稍加改造也應用于其它需要近距離無線監控的場合。
