远距离2.4G技术在粮食系统中的应用研究

夏潇

摘 要 本文主要研究了远距离2.4无线网络技术，同时基于2.4G通讯传输方式开发了一套具有创新性的粮食监控系统。文中重点介绍基于远距离2.4G通讯无线技术在粮食监控系统中的应用研究。

关键词 远距离2.4G；粮食监控；数据收发

中图分类号 TP3 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2016）172-0250-01

1 无线粮食监控系统概述

当前由于粮库采集监控点分布各个室内或室外粮仓，中心监控系统需要实时汇总信息以便处理和监控，因此远程信息采集点通过2.4G无线技术的通讯方式，使用系统软件本身的内部接口方式将数据实时的传输到监控中心，中心采集数据可以进行实时监控、告警，预警并存储、查询、分析、打印。

本系统不仅能够让用户通过“软件+硬件”采集终端使用无线通讯的方式完成日常粮情监控任务和告警及故障的快速反应，快速处理，还可以帮助用户分析粮食在本地仓储中的一些存储规律，平衡性和季节性的问题，同时可以根据分析改善粮库粮食的存储环境，调整存储方案。

2 无线粮食监控系统整体结构

远程无线粮情监测平台采用FrameWork3.5+UImapping+Ibitas软件框架和ARM2440硬件核心架构[ 1 ]，使用组件DEVCompent DotnetBar、XtraPringing Libary、Infragistics NetAdvantage[ 2 ]等为基础，嵌入式采集终端使用了Linux+SQLite结合[3]。为企业用户提供完善的粮食粮情监测平台。

3 2.4G通讯模块在硬件电路的设计

3.1 方案的整体设计思路

控制底板将IMU单元输出的多路模拟信号进行采集后，使用A/D转换将数据进行处理，然后高速同步串行口（SPI）总线将处理后的数字信号发送给NRF24L01，NRF24L01将接收到的数据使用无线方式传送，接收的时候同样是用开发的控制底板使用高速同步串行口（SPI）控制无线芯片，对数据进行接收，同时将接收到的数据通过网络发送给监控中心。从而实现了将IMU数据的采集、A/D转换、传输及最后的处理。

3.2 数据采集

控制底板内部设计使用了可以进行数据信号转换的ADC和DAC，ADC使用双路，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，程序内部可以更具情况自行控制这两路ADC的数据转发方式，通讯速率等。

通过IMU采集的传感器数据是模拟信号，使用其端口Ain0-Ain7将其传输到控制底板单片机，经过A/D转换电路将模拟信号转换为数字信号，同时存储到数字寄存器单元内，处理后返送到NRF24L01芯片中进行发送。

3.3 数据发送

控制底板单片机设计有3个通讯串口，一个SMBus兼容I2C串行扩展总线，SPI扩展串行接口和PRO UART串口，3个串口可以并行进行数据通讯。除了扩展串口之外，本模块使用的主通讯串口是SPI，使用SPI连接相关模块，SPI是一个四线（Mosi，Miso，Sck，Nss），全双工工作的总线，可以在一个总线是连接多个相关芯片或器件，通过主芯片进行控制传输。SPI的工作模式是通过开发的嵌入式程序，将转完并处理完成的数据通过SPI接口发送到无线传输芯片内，并进行数据转发。

3.4 发送模块设计

NRF24L01芯片的工作频段为2.4G的ISM频段，处于该频段的无线传输芯片可以达到2Mbps的传输速度，同时内部自带CRC校验和出错重传机制，在最大传输速度工作状态下，其接收时电流为12±0.3mA，发送电流仅仅11±0.3mA，功耗非常低。

通讯模块的底板单片机通过编程的方式对2.4G无线传输芯片NRF24L01进行参数设置，将其参数默认设置为发送数据模式，等待外部的中断信号，当中断信号产生时，改变无线传输芯片的传输模式，在TimeOut时间内收到回应信号的话，判断为数据发送成功并被接收，否则数据将重新发送。若发送次数超出重发计数范围或异常，由IRQ产生一个中断，通过写状态寄存器进行复位，如果收到了响应的ACK信号，程序判断为数据发送成功，在TX FIFO寄存器中取待发送数据，重新进去发送状态。

3.5 接收模块设计

与发送模块的一样的原理，使用开发的嵌入式程序对2.4G无线传输芯片NRF24L01进行设置，默认参数设置为接收模式，该模式等待接收校验信号，接收到信号后，2.4G无线传输芯片会对发送方自动进行ACK，表示确认接收，然后同样由IRQ产生一个终端信号，通知底板单片机进行接收，底板单片机将数据接收处理后转发给监控中心。

接收模式的控制底板在收到中断信号的同时，要与NRF24L01无线传输芯片进行时间同步，用时间戳来保证数据收发上的匹配。处理完一包数据后，清除NRF24L01的状态寄存器，准备接收下一包数据并复位处于等待状态。

4 软件系统

4.1 软件组成

本套监控系统的桌面应用软件采用.net编程语言开发，主要功能是完成粮食监控数据的接收、处理和存储。数据的收发方式使用环境集成的TCP/IP通讯类完成。2.4G通讯模块部分的软件采用C语言进行开发。

4.2 发射部分程序设计

首先对设备和程序进行初始化，校正底板单片机的参数，编写A/D转换程序，将模拟信号转换为数字信号。再通过时序程序，从寄存器中读出数据，发送给2.4G无线传输芯片，无线传输芯片便会自动将TX FIFO寄存器中的数据依次发送出去。

4.3 接收部分程序流程设计

首先对设备和程序进行初始化，校正底板单片机的参数，设置2.4G无线传输芯片的接收模式，通过数据接收程序，将接收芯片的RX FIFO寄存器中的数据读出来，通过网络，传送给监控中心。

5 结论

模块化软件设计和无线技术的结合应用有很大的优越性，粮库的仓储状况根据每年的计划和国家的分配不停的调整，在不影响基础功能和网络的前提下，平台可以更灵活的调整使用的升级，而不会涉及过多的相关改造。

现今粮库市场使用的监控系统基本上都还停留在使用综合布线网络方式进行数据传输管理，存在着高成本、适应仓型受限、易腐蚀，老化快，故障节点多等问题，而且在倒仓和扩展升级时带来重新施工的麻烦，不易于管理，中间设备和线材的更换也频繁。基于2.4G通讯技术的粮情监测系统则可以一劳永逸的解决以上问题，施工成本低，不造成破坏性改造，设备的更新和升级扩展都简单方便。完全可以从各方面高效的取代之前的布线方案的管理系统，而无线的大量使用也成为现今科技发展的主流趋势。

参考文献

[1]夏华.无线通信模块设计与物联网应用开发[M].北京：电子工业出版社，2011：6.

[2]杜思深主编.无线数据通信技术[M].北京：电子工业出版社，2011.

[3]孙学康.刘勇.无线传输与接入技术[M].北京：人民邮电出版社，2010：7.