基于二叉樹搜索算法的糧倉溫度監(jiān)測系統(tǒng)研究與實現(xiàn)

呂宗旺，邱帥欣，孫福艷，桂崇文，李方偉

1.河南工業(yè)大學 信息科學與工程學院，河南 鄭州 450001 2.河南工業(yè)大學 糧食信息處理與控制教育部重點實驗室，河南 鄭州 450001

糧情監(jiān)測系統(tǒng)是利用當前信息化產(chǎn)業(yè)的最新技術(shù)成果，諸如先進的傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息傳輸技術(shù)、存儲技術(shù)、交互技術(shù)、算法等，結(jié)合糧倉實際情況，能夠?qū)Z情信息及時記錄、反饋和分析[1-5]。目前糧情溫度信息采集方法有多種：無線無源聲表面波技術(shù)在糧食溫度檢測方面的應(yīng)用，實現(xiàn)了倉儲環(huán)境溫度信息數(shù)據(jù)的采集[6-8]；光纖布拉格光柵測量的溫濕度與光柵中心波長之間存在的線性函數(shù)關(guān)系和符合光譜線性頻移原理，測得糧倉內(nèi)各處的溫度與濕度數(shù)據(jù)，從整體上實現(xiàn)了對溫度和濕度的實時監(jiān)測[9]等。糧情信息傳輸技術(shù)分為無線和有線兩種方式，目前糧倉使用較為成熟的糧情檢測系統(tǒng)采用最廣泛的RS-485總線方式[10]，需要在監(jiān)控室與各糧倉之間搭建通信電纜，不利于維護和升級，以至于整個監(jiān)測系統(tǒng)的靈活性極差[11]。而現(xiàn)有的糧倉測溫系統(tǒng)，糧倉分機到中控室主要采用Zigbee無線傳輸和有線光纖傳輸方式，從糧倉到分機均采用有線通信方式，在糧倉入糧、出糧及測溫電纜維護時均會給糧倉工作人員造成極大的不便。根據(jù)Zigbee與RS-485在糧情檢測系統(tǒng)中的特征[12-15]，設(shè)計了兩者混合組網(wǎng)的糧情監(jiān)測系統(tǒng)[10,16-17]。作者著眼于糧情監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀，研究了基于二叉樹搜索算法的DS18B20溫度檢測系統(tǒng)[18-19]，結(jié)合基于NRF24L01的無線通信技術(shù)[20]，提出一種動態(tài)巡檢式的無線傳輸糧情信息的監(jiān)測方法，并對試驗結(jié)果進行分析和討論。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

糧倉溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計如圖1所示，主要分為3個部分：基站、巡檢員接收總站、上位機。基站采用 STC15 系列單片機為主控，單片機采集數(shù)字式溫度傳感器DS18B20的溫度數(shù)據(jù)，每個基站可以連接多個數(shù)字溫度傳感器，而DS18B20是常用的數(shù)字溫度傳感器，其輸出的是數(shù)字信號，具有體積小、硬件成本低、抗干擾能力強、精度高的特點。每只DS18B20都有一個獨一無二的64位只讀存儲器(ROM)碼，被存儲在器件的ROM中，DS18B20與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。因此，通過二叉樹搜索算法就可以用一個微控制器操作所有掛載在該總線上的從屬器件DS18B20。接收總站部分采用 STM32 單片機為主控。上位機軟件的開發(fā)使用C#語言編寫。通信方法是基站將信號發(fā)送給不同的頻段，總站通過搜索不同頻段并接收頻段的數(shù)據(jù)來搜集各個基站的信息。

圖1 糧倉溫度監(jiān)測系統(tǒng)框圖Fig.1 System chart

2 硬件設(shè)計

基站以STC15W408AS為主控，主控外設(shè)包括DS18B20溫度檢測電路和NRF24L01無線傳輸電路[21]，共需要7個I/O口，基站電路原理如圖2所示。

圖2 基站電路原理Fig.2 Circuit principle of base station

NRF24L01是基站的無線傳輸模塊，NRF24L01的操作方法可以簡單概括為兩個過程：初始化過程和工作過程，初始化過程完成模塊的寄存器配置以及相關(guān)的設(shè)置。NRF24L01支持6個通道和125個可選的工作頻段，單個模塊可以在接收模式或者發(fā)送模式工作。該模塊與單片機通過SPI接口通信，模塊引腳接在單片機的P1口和P3口。該模塊采用3.3 V供電，但由于單片機是5 V電源供電，因此需要增加線性穩(wěn)壓電路以提供3.3 V電源。穩(wěn)壓電路采用AMS1117芯片，可以將5 V輸入電源穩(wěn)定輸出為3.3 V。為保證芯片的工作穩(wěn)定性以及輸出電壓的穩(wěn)定性，在芯片的輸入和輸出端均接有濾波電容。DS18B20采用單總線方式[22-23]與主控連接，本文設(shè)計的每個基站的一條總線上可掛載4個DS18B20。總站的硬件主要包括STM32C8T6、NRF24L01無線傳輸模塊以及一個觸摸屏顯示器接口。

3 軟件設(shè)計及算法

3.1 軟件設(shè)計平臺和語言

嵌入式軟件使用Keil，用來開發(fā)STC15單片機和STM32單片機驅(qū)動以及應(yīng)用代碼。上位機軟件的開發(fā)采用Visual Studio 2012平臺，該應(yīng)用軟件用C#語言編寫。

3.2 二叉樹搜索算法

當總線主機發(fā)送Search ROM命令后，總線上的從屬器件響應(yīng)并發(fā)送各自ROM序列碼的最低位，總線主機可以讀到所有器件最低位的邏輯與結(jié)果。然后總線主機發(fā)送啟動讀取下一位操作的指令，所有總線從屬器件將第一位的補碼發(fā)送到總線上，總機便能從總線上收到所有從屬器件的第一位補碼的邏輯與結(jié)果。根據(jù)兩次總線主機讀到的所有器件的第一位的邏輯與和第一位的補碼的邏輯與結(jié)果進行二叉樹節(jié)點的判斷[24]。總線主機收到補碼后，需要向總線發(fā)送一個二進制數(shù)值(0或1)，以此來選中總線上ROM碼與該位碼相同的一些器件。被選中的器件繼續(xù)參與后續(xù)的搜索過程，未被選中的器件則進入等待狀態(tài)。至此，第一位的搜索與選擇決策完成，按照這種方式繼續(xù)重復，直到搜索一位64位ROM碼，然后根據(jù)節(jié)點處的決策原則(0優(yōu)先或1優(yōu)先)繼續(xù)重復以上過程，直到總線上的所有器件都被查到。

3.3 基站控制程序軟件設(shè)計

基站軟件設(shè)計流程如圖3所示，首先進行系統(tǒng)初始化，包括DS18B20的初始化和NRF24L01的配置初始化。然后單片機對總線上的器件進行搜索，如果總線上的器件沒有全部響應(yīng)，則通過無線向總站發(fā)送有器件損壞的信息，再對搜索到的器件啟動溫度轉(zhuǎn)換命令。如果總線上的器件被全部搜索到，則直接進入溫度轉(zhuǎn)換命令。溫度轉(zhuǎn)換完成后從DS18B20的RAM中讀取溫度值并通過無線發(fā)送出去。至此，一個流程結(jié)束，下一個周期重新從搜索器件開始。

圖3 基站軟件設(shè)計流程Fig.3 Flow chart of base station software

3.4 總站控制程序軟件設(shè)計

首先進行系統(tǒng)初始化，包括NRF24L01的初始化和串口的初始化。再通過NRF24L01對負責基站的所有器件的工作頻道進行搜索，如果頻道沒有數(shù)據(jù)便繼續(xù)進行頻道搜索，如果頻道有數(shù)據(jù)便將數(shù)據(jù)接收，然后將接收到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到上位機。至此，一個流程結(jié)束，下個周期重新從搜索頻道開始。

4 動態(tài)無線傳輸方法

在一個無線傳輸系統(tǒng)中，包括若干個發(fā)射基站和一個接收總站，每個基站系統(tǒng)掛載多個傳感器，負責縱向或者該區(qū)域的糧情信息采集并將數(shù)據(jù)發(fā)送到特定的無線頻段。總基站采用動態(tài)巡檢的方式搜集各個基站的數(shù)據(jù)完成信息的一次匯總。

發(fā)射基站上包括主控、若干個溫度傳感器和一個射頻模塊，其簡易結(jié)構(gòu)如圖4所示。在測溫電纜內(nèi)部間隔一定距離設(shè)有一個DS18B20溫度傳感器，最上端為無線模塊的傳輸天線。

圖4 基站結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of base station

圖5為基站在糧倉(以平方倉為例)的應(yīng)用示意圖，將適當數(shù)量的基站按照糧油儲藏糧情測控通用技術(shù)要求(LS/T 1809—2017，平方倉水平方向測溫電纜行列間距不大于5 m,垂直方向糧溫傳感器間距不大于2 m，距離糧面、倉底、倉壁0.3～0.5 m)進行布點，各基站工作時將各個檢測點的數(shù)據(jù)記錄并發(fā)送到特定工作頻道。考慮到平房倉的占地面積廣，總站以固定方式難以獲取穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，因此以動態(tài)巡檢的方式搜集數(shù)據(jù)，總站在糧倉長中線上進行巡檢，將獲取的信息發(fā)送給服務(wù)器處理。

圖5 基站在糧倉的應(yīng)用示意圖Fig.5 Application diagram

5 試驗測試

5.1 搜索算法測試

測試方法為單片機對單總線上的所有器件進行ROM碼搜索并保存，最后將單總線上所有器件的ROM碼通過串口打印顯示出來。對單總線上掛載4個DS18B20進行測試，結(jié)果如圖6所示。

圖6 ROM碼搜索結(jié)果Fig.6 ROM search results

本文使用CRC校驗碼計算器對接收到的ROM碼進行了重新計算驗證。比如將第一個接收到的ROM碼序列的信息碼進行計算，將得到的CRC校驗碼結(jié)果與接收到的結(jié)果比較，它們均為41H，表明該ROM碼無誤，結(jié)果如圖7所示。同樣的方式，對其他3位也進行了驗證，均表明ROM碼正確。

圖7 CRC計算驗證結(jié)果Fig.7 CRC calculation verification results

5.2 綜合測試

目前本系統(tǒng)最大可以檢測750根測溫電纜，測試條件為室溫約26.4 ℃，綜合測試選取任意兩個基站進行測試。每個基站搭載4個DS18B20溫度傳感器，將測量得到的數(shù)據(jù)發(fā)送到特定頻道。總站以動態(tài)掃頻的方式對糧倉基站的頻道數(shù)據(jù)進行搜索分時接收。

接收到的綜合測試數(shù)據(jù)如圖8所示。基站1的頻道為F5(2.405 GHz)，它掛載的1到4號溫度傳感器溫度分別為26.56、26.50、26.46、26.40 ℃；基站2的頻道為F15(2.415 GHz)，它掛載的1到4號傳感器溫度分別為26.26、26.37、26.44、26.51 ℃。

圖8 綜合測試數(shù)據(jù)Fig.8 Comprehensive test data

5.3 結(jié)果分析

經(jīng)過實測12組48個糧倉測溫點，獲得糧倉測溫點的溫度，對比糧倉實際溫度26.40 ℃，由圖9可以看出，實測溫度接近糧倉實際溫度，平均誤差率為0.28%，滿足LS/T 1813—2017中誤差不超過0.5%的基本要求，達到可以在糧情監(jiān)測系統(tǒng)方面應(yīng)用的預期目的。

圖9 糧倉實測溫度與糧倉實際溫度對比Fig.9 Comparison curve of actual test and actual temperature in grain warehouse

6 結(jié)論

本文結(jié)合平房倉的特點，完成了一種基于動態(tài)無線傳輸?shù)募Z情監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計，驗證了一種適用于糧情監(jiān)測的無線傳輸方法。基于二叉樹算法的糧情監(jiān)測系統(tǒng)測試和利用CRC校驗碼計算器對接收到的ROM碼進行計算驗證的結(jié)果表明，該系統(tǒng)性能優(yōu)良、誤碼率低、誤差率低，能夠?qū)崿F(xiàn)對各個基站的節(jié)點溫度及時采集、傳輸?shù)龋炞C了動態(tài)無線傳輸方法在糧情檢測系統(tǒng)方面應(yīng)用的可行性和優(yōu)勢，有效地降低了后期維護及升級成本。