我國糧情測控系統的應用與發展

李文強

(甘肅財貿職業學院，甘肅 蘭州 730207)

引言

糧食事關國運民生,糧食安全是國家安全的重要基礎。糧食安全主要是糧食生產安全和糧食儲藏安全2 個方面。糧食在儲藏過程中,糧堆的溫度、濕度、水分、害蟲等參數會影響儲糧安全,導致糧食品質下降。我國的糧食儲備主要集中在中央儲備和地方儲備,其中中央儲備由中國儲備糧管理集團有限公司直屬庫承擔,地方儲備由各省糧食與物資儲備局直屬庫承擔。根據國家糧食行業標準的定義,糧情是指糧油在儲藏過程中所處的狀態以及影響其品質和數量變化的各種因素,如溫度、濕度、水分、氧氣、二氧化碳、磷化氫、儲糧害蟲及螨類等。從20 世紀70 年代開始,糧倉管理人員就已經使用電子傳感器對糧情進行人工檢測。根據國家糧食行業標準的定義,糧情測控系統是利用現代計算機和電子技術對糧情進行檢測、數據存儲與分析,對儲糧技術設施進行適時控制的系統。這種現代化的糧情測控系統出現在20 世紀80 年代后期,并且隨著傳感器技術、計算機技術和通信技術的發展逐步得以完善,形成了一套行業標準。隨著無線傳感網絡和物聯網技術的發展,糧情測控系統面臨著新技術的應用發展。

1 基于有線通信技術的糧情測控系統

我國起步階段的糧情測控系統接線復雜,系統結構一般采用上位機、測控主機、測控分機、分線器多級結構,熱敏電阻被電纜連接到分線器,多個分線器再連接到一個測控分機上,一個倉庫的所有測控分機將模擬信號匯聚到測控主機上,測控主機將模擬信號轉化成數字信號后傳送給上位機,由上位機進行數據處理。這種結構布線復雜,抗干擾能力差,可靠性低。20 世紀90 年代以后專業的糧情測控系統廠家多使用單片機為控制芯片,通信方式以RS485 總線為主,但是溫度傳感器還是以熱敏電阻測溫電纜為主。進入21 世紀以來,測控分機開始應用ARM 嵌入式芯片,傳感器也以數字傳感器為主,如廣泛使用的測溫電纜數字溫度傳感器DSl8B20 等。系統的通信方式也逐漸使用無線通信技術如Zigbee 等,這種糧情測控系統雖然布線簡單,但是性能不夠穩定,抗干擾能力差,價格也比較昂貴,對于儲糧企業的成本有較大壓力。根據甘肅省121 家儲糧企業隨機抽樣調查結果,有50%以上企業現階段使用的糧情測控系統仍然以RS485 總線為主。

1.1 基于RS485 總線的糧情測控系統

現階段糧情測控系統的通信方式可以分為有線通信和無線通信。有線通信系統包括基于RS485 總線的通信方式和基于工業現場總線的通信方式兩種。RS485 總線的總線型拓撲結構在同一總線上可以連接32 個節點,采用屏蔽雙絞線或者鎧裝型雙絞屏蔽電纜進行數據傳輸,不僅接線簡單而且抗干擾,其傳輸的速率在100kbps 以下時其最大傳輸距離可達1200m。如果需要更遠距離的數據傳輸可以在RS485 總線之間使用中繼器,通過中繼器的使用可使連接的節點數達到256 個,通信距離達到10.8km。RS485 總線具有的這種總線結構易于擴展,成本低廉,在國內糧情測控系統中得到了廣泛應用,至今仍有大量的系統還在使用。但是RS485 總線技術的糧情測控系統也有缺點:RS485 總線是總線型拓撲,不支持環形和星形網絡拓撲,總線型拓撲節點容量有限,布線可靠性較差,不適用于中儲糧這一類的大型直屬庫的糧情測控系統；RS485 總線的最大通信距離為1200m,對于北方地區中儲糧現代化的大型大型儲備庫的應用要求不能滿足；RS485 總線需要有效的防止雷擊,布線作業需要在倉庫建設時綜合考慮預先留置地溝,不能適合老庫區的改造。隨著中儲糧現代化的國家大型儲備庫的建立,基于RS485 總線技術的糧情測控系統應用越來越少。

1.2 基于工業現場總線的糧情測控系統

在糧情測控系統中運用比較廣泛的工業現場總線技術有LonWorks 總線技術和CAN 總線技術2 種。LonWorks 總線最高通信速率為1.25Mb·s-1,最遠通信距離為2700m,節點總數可達3200 個,網絡的傳輸介質可以是雙絞線、同軸電纜、光纖等。基于Lon-Works 總線的糧情測控系統一般由上位管理機、網絡接口及多個LonWorks 節點模塊連接測溫電纜組成。上位機通過網絡接口模塊與LonWorks 總線相連,負責整個系統的數據管理與分析,LonWorks 網絡接口模塊負責接收上位機下達的采集指令和上傳本節點的實時檢測數據。技術的糧情測控系統優點是系統具有開放性,符合ISO 的OSI 標準,具有互聯性和互操作性,擴容十分方便；還有LonWorks 網絡屬于點對點的對等式網絡,各個節點網絡地位平等,每個節點都能完成控制和通訊功能,單個節點的故障不會造成系統癱瘓,有很高的系統的穩定性和可靠性。LonWorks總線技術的糧情測控系統成本低,易維護。由于采用分布式結構,LonWorks 技術的糧情測控系統布線簡單,增加庫區時可以方便擴充系統容量,節省企業的維護費用。無論是在檢測速度、傳輸距離還是系統容量方面,LonWorks 總線技術都比RS485 總線技術有優勢。

相對而言,工業總線CAN 總線技術在糧情測控系統中得到了廣泛應用。CAN 總線是一種ISO 國際標準化的串行通信協議,支持分布式控制和實時控制的串行通信網絡。基于CAN 總線的糧情測控系統有明顯的優越性。CAN 網絡中的節點都可以根據總線訪問優先權,采用逐位仲裁的方式競爭總線發送數據,這些特點使得基于CAN 總線的糧情測控系統數據通信實時性強,并且提供冗余設計以提高系統的可靠性和系統的靈活性。CAN 總線不會出現類似RS-485 網絡中的短路現象,CAN 網絡節點在錯誤嚴重的情況下具有自動關閉輸出功能,可以避免個別測溫點故障使得總線處于“死鎖” 狀態。CAN 總線的通信協議可由CAN 控制器芯片及其接口芯片來實現,從而大大降低系統開發難度,縮短了開發周期。另外,與LonWorks總線相比,CAN 總線通信速率高、容易實現、性價比高,這些也是CAN 總線應用于糧情測控系統的重要原因。從糧庫實際應用結果來看,基于CAN 總線的糧情測控系統實時性高,出錯率低,運行效果普遍較好。同時,基于CAN 總線技術的糧情測控系統性價比高,安裝維護方便。無論是基于RS485 總線還是現場總線技術的糧情測控系統都屬于有線通信介質網絡范疇,與基于無線傳輸介質的糧情測控系統相比,有線糧情測控系統具有數據傳輸穩定可靠、抗干擾能力強等優點。但是有線糧情測控系統在實際應用中有其自身無法克服的缺點:由于網絡傳輸使用有線介質,系統易受雷電和施工條件的影響,復雜的線纜導致安裝維護極不方便,具有較高的使用成本。

2 基于無線通信技術的糧情測控系統

有線傳輸介質的糧情測控系統的固有缺點,無線糧情測控系統都能夠有效克服。隨著無線傳感器網絡技術的快速發展,基于無線傳輸網絡的糧情測控系統將逐步取代有線糧情測控系統。當前無線糧情測控系統主要有2 大類,基于電信網絡傳輸的糧情測控系統；基于物聯網無線接入技術的無線糧情測控系統。

2.1 基于電信網絡的糧情測控系統

目前成熟的遠距離無線通信方案當屬4G 電信網絡,基于電信網絡的無線糧情測控系統主要由現場數據采集單元、4G 無線傳輸模塊、上位機3 部分組成。該系統的工作原理是由現場數據采集單元采集糧庫中的溫度、濕度等數據,利用4G 無線傳輸模塊將其發送到電信網絡中,通過上位機接收數據進行處理,上位機也可通過互聯網發出控制命令。基于電信網絡的糧情測控系統優點:電信運營商的信號非常穩定；網絡的覆蓋面積較廣,其信號傳輸距離基本不受限制,因此系統的開發難度小、開發成本低。但是這類系統也存在一些無法克服的缺點:糧庫大多都在偏遠地區,電信網絡覆蓋不到或者信號不穩定,系統所產生的流量費用很高,導致基于電信網絡的糧情測控系統有很大局限性。

2.2 基于ZigBee 技術的無線糧情測控系統

近年來物聯網技術高速發展,ZigBee 技術是符合IEEE802.14.5 標準的物聯網接入技術,在糧情測控系統中得到了較快應用。基于ZigBee 技術的糧情測控系統主要優點如下所示。

2.2.1 低功耗

ZigBee 傳輸速率低,信號的收發時間短,在非工作模式時ZigBee 處于睡眠模式,ZigBee 無線傳感器節點處于休眠模式時整體的耗電量只有1uW,進入工作模式的啟動時間只有15ms,設備搜索時間為30ms,通過電池供電ZigBee 設備可以使用1～2a 左右的時間,特別適合布置在糧倉內進行糧堆溫度檢測。

2.2.2 可靠性和安全性高

ZigBee 的MAC (介質訪問控制子層) 采用了一種碰撞避免機制,提高系統傳輸的可靠性。另外,ZigBee 加密算法采用了128 位的AES 加密,ZigBee 聯盟還開發了安全層,特別適合搭建糧情測控系統和智慧倉儲系統。

2.2.3 擴充性優良

1 個ZigBee 的網絡最多有255 個ZigBee 網絡節點,其中1 個Master 設備,其余254 個Slave 設備。

2.2.4 價格便宜

ZigBee 芯片的價格都在幾美元,而且ZigBee 芯片的體積較小,利用ZigBee 作用無線通信技術的糧情測控系統完全能夠滿足糧情監測技術指標。另外在軟件方面,ZigBee 協議的使用是不需要專利費用的。

2.3 基于LoRa 技術的無線糧情測控系統

LoRa 技術由美國申泰(Semtech) 公司于2013 年8 月發布,是一種新型的長距離低功耗數據傳輸技術芯片,是一種使用擴頻調制技術的低功耗廣域網技術。LoRa 協議中規定了Class A/B/C 3 類終端設備,這3 類設備基本覆蓋了物聯網所有的應用場景。LoRa技術作為糧情測控系統的網絡基礎優勢主要有以下幾點。

2.3.1 傳輸距離遠

在城市郊區通信距離達10km 以上,在電磁環境較復雜的城市范圍也有2km 以上的傳輸距離。與Zig-Bee 技術相比,在相同的發射功率下,LoRa 終端設備與路由器的網絡具有更遠的通信距離。

2.3.2 功耗低

LoRa 采用自適應的低速率通信,芯片接收電流只有10mA,休眠時的電流不足200nA,相對于ZigBee模塊而言電池壽使用時間更長。

2.3.3 LoRa 網絡工作在非授權的ISM 頻段

這一特性決定了那些在偏遠地區的糧庫可以用很低的成本部署基于LoRa 的無線糧情測控系統,可以自由的使用LoRa 網關來擴充系統。LoRa 技術的弊端是工作在非授權頻段可能被國家法律所阻止,但目前來看,工信部2019 年11 月28 日發布的52 號公告并未阻止LoRa 組網。

3 結語

目前我國的糧情測控系統整體上仍然比較落后,早期投入使用的系統已經不能滿足需求。經過調研發現,部分地區儲糧企業新建倉庫已經有基于ZigBee、WiFi 技術的糧情測控系統投入使用。未來隨著物聯網技術的快速發展,基于LoRa 技術和NB-IoT 技術的無線糧情測控系統將是發展的主要方向。