遠(yuǎn)距離2.4G技術(shù)在糧食系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

夏瀟

摘 要 本文主要研究了遠(yuǎn)距離2.4無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，同時(shí)基于2.4G通訊傳輸方式開發(fā)了一套具有創(chuàng)新性的糧食監(jiān)控系統(tǒng)。文中重點(diǎn)介紹基于遠(yuǎn)距離2.4G通訊無線技術(shù)在糧食監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究。

關(guān)鍵詞 遠(yuǎn)距離2.4G；糧食監(jiān)控；數(shù)據(jù)收發(fā)

中圖分類號(hào) TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2016）172-0250-01

1 無線糧食監(jiān)控系統(tǒng)概述

當(dāng)前由于糧庫采集監(jiān)控點(diǎn)分布各個(gè)室內(nèi)或室外糧倉，中心監(jiān)控系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)匯總信息以便處理和監(jiān)控，因此遠(yuǎn)程信息采集點(diǎn)通過2.4G無線技術(shù)的通訊方式，使用系統(tǒng)軟件本身的內(nèi)部接口方式將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，中心采集數(shù)據(jù)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、告警，預(yù)警并存儲(chǔ)、查詢、分析、打印。

本系統(tǒng)不僅能夠讓用戶通過“軟件+硬件”采集終端使用無線通訊的方式完成日常糧情監(jiān)控任務(wù)和告警及故障的快速反應(yīng)，快速處理，還可以幫助用戶分析糧食在本地倉儲(chǔ)中的一些存儲(chǔ)規(guī)律，平衡性和季節(jié)性的問題，同時(shí)可以根據(jù)分析改善糧庫糧食的存儲(chǔ)環(huán)境，調(diào)整存儲(chǔ)方案。

2 無線糧食監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程無線糧情監(jiān)測平臺(tái)采用FrameWork3.5+UImapping+Ibitas軟件框架和ARM2440硬件核心架構(gòu)[ 1 ]，使用組件DEVCompent DotnetBar、XtraPringing Libary、Infragistics NetAdvantage[ 2 ]等為基礎(chǔ)，嵌入式采集終端使用了Linux+SQLite結(jié)合[3]。為企業(yè)用戶提供完善的糧食糧情監(jiān)測平臺(tái)。

3 2.4G通訊模塊在硬件電路的設(shè)計(jì)

3.1 方案的整體設(shè)計(jì)思路

控制底板將IMU單元輸出的多路模擬信號(hào)進(jìn)行采集后，使用A/D轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后高速同步串行口（SPI）總線將處理后的數(shù)字信號(hào)發(fā)送給NRF24L01，NRF24L01將接收到的數(shù)據(jù)使用無線方式傳送，接收的時(shí)候同樣是用開發(fā)的控制底板使用高速同步串行口（SPI）控制無線芯片，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，同時(shí)將接收到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給監(jiān)控中心。從而實(shí)現(xiàn)了將IMU數(shù)據(jù)的采集、A/D轉(zhuǎn)換、傳輸及最后的處理。

3.2 數(shù)據(jù)采集

控制底板內(nèi)部設(shè)計(jì)使用了可以進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換的ADC和DAC，ADC使用雙路，一路是九通道的逐次逼近寄存器型ADC，一路使用八通道逐次逼近寄存器型ADC，程序內(nèi)部可以更具情況自行控制這兩路ADC的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方式，通訊速率等。

通過IMU采集的傳感器數(shù)據(jù)是模擬信號(hào)，使用其端口Ain0-Ain7將其傳輸?shù)娇刂频装鍐纹瑱C(jī)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，同時(shí)存儲(chǔ)到數(shù)字寄存器單元內(nèi)，處理后返送到NRF24L01芯片中進(jìn)行發(fā)送。

3.3 數(shù)據(jù)發(fā)送

控制底板單片機(jī)設(shè)計(jì)有3個(gè)通訊串口，一個(gè)SMBus兼容I2C串行擴(kuò)展總線，SPI擴(kuò)展串行接口和PRO UART串口，3個(gè)串口可以并行進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。除了擴(kuò)展串口之外，本模塊使用的主通訊串口是SPI，使用SPI連接相關(guān)模塊，SPI是一個(gè)四線（Mosi，Miso，Sck，Nss），全雙工工作的總線，可以在一個(gè)總線是連接多個(gè)相關(guān)芯片或器件，通過主芯片進(jìn)行控制傳輸。SPI的工作模式是通過開發(fā)的嵌入式程序，將轉(zhuǎn)完并處理完成的數(shù)據(jù)通過SPI接口發(fā)送到無線傳輸芯片內(nèi)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

3.4 發(fā)送模塊設(shè)計(jì)

NRF24L01芯片的工作頻段為2.4G的ISM頻段，處于該頻段的無線傳輸芯片可以達(dá)到2Mbps的傳輸速度，同時(shí)內(nèi)部自帶CRC校驗(yàn)和出錯(cuò)重傳機(jī)制，在最大傳輸速度工作狀態(tài)下，其接收時(shí)電流為12±0.3mA，發(fā)送電流僅僅11±0.3mA，功耗非常低。

通訊模塊的底板單片機(jī)通過編程的方式對(duì)2.4G無線傳輸芯片NRF24L01進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，將其參數(shù)默認(rèn)設(shè)置為發(fā)送數(shù)據(jù)模式，等待外部的中斷信號(hào)，當(dāng)中斷信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，改變無線傳輸芯片的傳輸模式，在TimeOut時(shí)間內(nèi)收到回應(yīng)信號(hào)的話，判斷為數(shù)據(jù)發(fā)送成功并被接收，否則數(shù)據(jù)將重新發(fā)送。若發(fā)送次數(shù)超出重發(fā)計(jì)數(shù)范圍或異常，由IRQ產(chǎn)生一個(gè)中斷，通過寫狀態(tài)寄存器進(jìn)行復(fù)位，如果收到了響應(yīng)的ACK信號(hào)，程序判斷為數(shù)據(jù)發(fā)送成功，在TX FIFO寄存器中取待發(fā)送數(shù)據(jù)，重新進(jìn)去發(fā)送狀態(tài)。

3.5 接收模塊設(shè)計(jì)

與發(fā)送模塊的一樣的原理，使用開發(fā)的嵌入式程序?qū)?.4G無線傳輸芯片NRF24L01進(jìn)行設(shè)置，默認(rèn)參數(shù)設(shè)置為接收模式，該模式等待接收校驗(yàn)信號(hào)，接收到信號(hào)后，2.4G無線傳輸芯片會(huì)對(duì)發(fā)送方自動(dòng)進(jìn)行ACK，表示確認(rèn)接收，然后同樣由IRQ產(chǎn)生一個(gè)終端信號(hào)，通知底板單片機(jī)進(jìn)行接收，底板單片機(jī)將數(shù)據(jù)接收處理后轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)控中心。

接收模式的控制底板在收到中斷信號(hào)的同時(shí)，要與NRF24L01無線傳輸芯片進(jìn)行時(shí)間同步，用時(shí)間戳來保證數(shù)據(jù)收發(fā)上的匹配。處理完一包數(shù)據(jù)后，清除NRF24L01的狀態(tài)寄存器，準(zhǔn)備接收下一包數(shù)據(jù)并復(fù)位處于等待狀態(tài)。

4 軟件系統(tǒng)

4.1 軟件組成

本套監(jiān)控系統(tǒng)的桌面應(yīng)用軟件采用.net編程語言開發(fā)，主要功能是完成糧食監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的接收、處理和存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)的收發(fā)方式使用環(huán)境集成的TCP/IP通訊類完成。2.4G通訊模塊部分的軟件采用C語言進(jìn)行開發(fā)。

4.2 發(fā)射部分程序設(shè)計(jì)

首先對(duì)設(shè)備和程序進(jìn)行初始化，校正底板單片機(jī)的參數(shù)，編寫A/D轉(zhuǎn)換程序，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。再通過時(shí)序程序，從寄存器中讀出數(shù)據(jù)，發(fā)送給2.4G無線傳輸芯片，無線傳輸芯片便會(huì)自動(dòng)將TX FIFO寄存器中的數(shù)據(jù)依次發(fā)送出去。

4.3 接收部分程序流程設(shè)計(jì)

首先對(duì)設(shè)備和程序進(jìn)行初始化，校正底板單片機(jī)的參數(shù)，設(shè)置2.4G無線傳輸芯片的接收模式，通過數(shù)據(jù)接收程序，將接收芯片的RX FIFO寄存器中的數(shù)據(jù)讀出來，通過網(wǎng)絡(luò)，傳送給監(jiān)控中心。

5 結(jié)論

模塊化軟件設(shè)計(jì)和無線技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用有很大的優(yōu)越性，糧庫的倉儲(chǔ)狀況根據(jù)每年的計(jì)劃和國家的分配不停的調(diào)整，在不影響基礎(chǔ)功能和網(wǎng)絡(luò)的前提下，平臺(tái)可以更靈活的調(diào)整使用的升級(jí)，而不會(huì)涉及過多的相關(guān)改造。

現(xiàn)今糧庫市場使用的監(jiān)控系統(tǒng)基本上都還停留在使用綜合布線網(wǎng)絡(luò)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸管理，存在著高成本、適應(yīng)倉型受限、易腐蝕，老化快，故障節(jié)點(diǎn)多等問題，而且在倒倉和擴(kuò)展升級(jí)時(shí)帶來重新施工的麻煩，不易于管理，中間設(shè)備和線材的更換也頻繁?；?.4G通訊技術(shù)的糧情監(jiān)測系統(tǒng)則可以一勞永逸的解決以上問題，施工成本低，不造成破壞性改造，設(shè)備的更新和升級(jí)擴(kuò)展都簡單方便。完全可以從各方面高效的取代之前的布線方案的管理系統(tǒng)，而無線的大量使用也成為現(xiàn)今科技發(fā)展的主流趨勢。

參考文獻(xiàn)

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