齊仁龍，張慶輝，金廣鋒

（1.鄭州科技學院 電氣工程學院，河南 鄭州 450064；2.河南工業(yè)大學 信息科學與工程學院，河南 鄭州 450001）

基于聲表面波技術的糧食倉儲環(huán)境無源測溫系統(tǒng)

齊仁龍1，張慶輝2，金廣鋒2

（1.鄭州科技學院 電氣工程學院，河南 鄭州 450064；2.河南工業(yè)大學 信息科學與工程學院，河南 鄭州 450001）

糧食的安全儲存需要對糧食的溫度、濕度、壓力、黏度、密度等變化情況進行實時的信息采集。本系統(tǒng)通過采用無線無源聲表面波溫度檢測技術實現(xiàn)了倉儲環(huán)境溫度信息數(shù)據(jù)的采集。系統(tǒng)采用無線無源聲表面波溫度傳感器作為對糧倉溫度采集的終端，通過自身聲波頻率的變化，獲得輸出信號頻率或幅度上的差異，實現(xiàn)糧食倉儲環(huán)境溫度變化的監(jiān)測并實現(xiàn)無線無源方式頻率信號的傳輸，即通過溫度變化時引起的頻率變化及溫度信息處理的算法的優(yōu)化，進而實現(xiàn)對實時溫度數(shù)據(jù)的數(shù)字化。該技術有效提高了對糧倉溫度信息的采集，快速獲取倉儲環(huán)境的溫度監(jiān)測點信息，對解決因糧倉環(huán)境變化造成的糧食發(fā)霉、腐爛等現(xiàn)象造成的損失大有幫助。

聲表面波技術；糧食倉儲環(huán)境；無線無源測溫；傳輸效率

0 引言

我國是糧食生產大國，也是糧食消費大國。在糧食儲存中，往往需要對糧倉中糧食溫度、濕度、含水率、糧倉密度超標等現(xiàn)象進行有效監(jiān)測和對倉儲環(huán)境的突變進行及時有效的處理，防止糧食因環(huán)境問題帶來的霉變，造成品質劣化[1-2]。糧食的安全存儲需要對糧食儲存中溫度、濕度、壓力、黏度、密度等變化情況實時地進行信息采集，溫度變化則是其他因素變化的核心，故對倉儲環(huán)境溫度的監(jiān)測就顯得尤為重要，以往主要采用DS18B20或者溫度采集儀等，該傳感器對溫度信號采集后需要借助網(wǎng)絡將溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)的后端，自身不具備無線傳輸功能，且需要供電電源，不利于大面積的推廣應用。

本系統(tǒng)采用無線無源聲表面波溫度檢測技術實現(xiàn)了倉儲環(huán)境的溫度信息數(shù)據(jù)的采集，采用無線無源聲表面波溫度傳感器作為對糧倉溫度采集的終端，經由自身聲波頻率的變化，獲得輸出信號頻率和幅度上的差異，實現(xiàn)糧食倉儲環(huán)境溫度變化的監(jiān)測和無線無源方式頻率信號的傳輸，進而實現(xiàn)實時變化溫度數(shù)據(jù)的數(shù)字化。該技術可有效提高對糧倉溫度信息的采集和快速獲取倉儲環(huán)境的溫度監(jiān)測點的信息，對解決因糧倉環(huán)境的變化造成的糧食發(fā)霉、腐爛等現(xiàn)象造成的損失大有幫助，為分析糧食倉儲環(huán)境提供有力的數(shù)據(jù)。

1 無線無源聲表面波溫度檢測原理

1.1 聲表面波溫度檢測的特點

聲表面波溫度傳感器在工作中優(yōu)于其他傳感器，可以在沒有電源供電的情況下實現(xiàn)傳感端的無源化，簡化了繁瑣的維護；由于聲表面波傳感器信號的發(fā)射與接收間沒有電線，也適用于移動或旋轉部件溫度參數(shù)的測量。該聲表面波傳感器作為測量工具，工作環(huán)境適應性強，在潮濕、骯臟以及電磁干擾、強光照、人員等不易到達的環(huán)境條件下具有獨特的優(yōu)勢[3]，表1為各測溫系統(tǒng)特性的比較。

1.2 聲表面波溫度檢測的原理

聲表面波技術在無線通信領域得到了廣泛的應用，主要原因是其具有非常小的信息傳播速度。根據(jù)其應用領域的不同，可以分為頻率選擇及控制器件、信號處理器件等，在生物醫(yī)療、工業(yè)、商業(yè)生產中廣泛應用于氣體、溫度、濕度等的檢測。通過在糧食倉儲環(huán)境溫度監(jiān)測中應用，可有效監(jiān)測倉儲環(huán)境溫度的實時變化，且效果良好。對于該傳感器對溫度信號的測量與信號的傳輸可歸結為如圖1所示的工作原理。

表1 各測溫系統(tǒng)特性比較Table 1 Characteristics comparison of temperature measurement systems

圖1 聲表面波器件結構及測溫原理示意圖Fig.1 Structure of surface acoustic wave device and diagram of temperature measurement principle

該倉儲無源溫測系統(tǒng)采用的傳感器為諧振型、單端口性能的傳感器，當IDT上有聲表面波傳感器的天線接收的倉儲溫度變化的無線電信號時，通過逆壓電效應，壓電基片將接收到的倉儲溫度電信號轉換成聲信號，即形成聲表面波信號，聲表面波信號借助壓電基片的表面進行傳播，由于該器件左右對稱，反射柵周期性地變化，該聲表面波信號被快速形成諧振，帶有固有諧振頻率的信號返回到天線IDT，該信號便為主頻衰減振蕩的響應信號，即轉化為可測量的主頻信號，進而推導被測量的變化，即可得到倉儲環(huán)境某點溫度監(jiān)測信號的變化。

該諧振器諧振頻率的計算公式為:

f0=v/2d，

式中：f0代表諧振固有頻率，d代表反射柵的柵片之間的距離，v代表聲表面波傳播的聲速。

糧倉溫度信號的變化引起聲波信號的變化，聲表面波信號在壓電基片上傳輸?shù)穆曀賤就會變化，進而引起諧振頻率的變化。經由優(yōu)化設計后，便可以實現(xiàn)糧倉監(jiān)測點溫度信號的線性變化和諧振頻率線性變化的一致性，線性變化的諧振信號返回到天線IDT后，經具有壓電效應的基片轉換為無線聲表面波信號，后通過天線進行發(fā)射，進而將糧倉溫度監(jiān)測點的溫度信號的變化轉化為頻率信號的變化，通過測量頻率信號的頻率，即可得出糧倉監(jiān)測點的溫度信號。聲表面波測溫器件具有體積小、靈敏度高、性能穩(wěn)定、可靠性高、無線傳輸距離遠等優(yōu)點，在測溫系統(tǒng)中得到應用[4]。

2 聲表面波溫度監(jiān)測系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)的構成

該系統(tǒng)對糧倉溫度的采集采用無源溫度傳感器為終端，對糧倉監(jiān)測點的溫度信號的采集采用無線無源方式進行信號的傳輸，當糧倉的監(jiān)測點溫度發(fā)生變化時，接收裝置將實時捕捉到信息的變化，有效預警倉儲環(huán)境中監(jiān)測點溫度變化情況，有效解決因糧倉環(huán)境的變化造成的糧食發(fā)霉、腐爛等現(xiàn)象造成的損失[5-7]。

該糧倉無源測溫系統(tǒng)由控制終端、傳輸網(wǎng)絡、監(jiān)測點溫度采集終端等組成，控制終端主要由服務器和人機控制界面組成，傳輸網(wǎng)絡由無線局域網(wǎng)組建而成，監(jiān)測點的溫度采集終端主要由聲表面波溫度傳感器、溫度采集器與測溫主控終端3部分組成，如圖2所示。

根據(jù)糧倉分布情況，設置糧倉測溫控制網(wǎng)絡，每個網(wǎng)絡可以根據(jù)情況控制多個糧倉，在每個糧倉安裝測溫主控終端，并且每個測溫主控終端可以連接控制溫度采集器達30個，每個溫度采集器可以采集處理18個聲表面波長及其監(jiān)測的溫度特征，可以有效滿足不同糧倉對關鍵部位溫度監(jiān)測點的設置。

圖2 糧倉溫度測控系統(tǒng)的構成Fig.2 Composition of granary temperature measurement and control system

2.2 聲表面波溫度監(jiān)測算法

本系統(tǒng)通過測量終端采集的回波信號相位的變化來實現(xiàn)對糧食倉儲環(huán)境監(jiān)測點溫升變化的測量，通過以下算法的推理，進而得出監(jiān)測點溫度和相位的關系。

聲表面波溫度傳感器接收到的監(jiān)測的糧倉溫度射頻信號，可由下列公式推導：

式中：ω0代表接收到的回波信號的原始角頻率，μ為調制2π倍的頻率，t為信號傳輸過程時間。

經由聲表面波傳感器將電信號經由反射回來的帶有頻率變化的回波信號S1（t）和S2（t）與發(fā)射的糧倉監(jiān)測點溫度信號S（t）相似，不同之處就是在延遲時間t1與t2及振幅上，具體公式如下：

式中：A1、A2分別為回波信號S1（t）、S2（t）的振幅；d1、d2分別代表IDT和兩個反射柵之間的距離；v為聲表面波溫度傳感器的信號采集傳播速度；子e代表基片上糧倉溫度電信號傳播和電磁信號轉換在空間傳播上的時延。

這個時延是固有存在的，故對兩個不同回波信號產生相同的影響，經由頻率混合后及濾出低頻信號后，進而推得角頻率、振幅均不同的兩個回波信號如下：

式中：B1、B2分別代表回波信號 E1（t）、E2（t）的振幅；φ1、φ2對應著E1（t）、E2（t）的相位。

聲表面波溫度傳感器的工作原理，以及數(shù)學模型的建立，是分析糧倉監(jiān)測點溫度變化所造成的采集分析信號相位的變化的主要理論依據(jù)。由公式（6）和（7）的相位差，可得到：

式中：φT代表所采集糧倉監(jiān)測點溫度射頻信號所產生的相位差；K代表與聲表面波信號頻率相關的系數(shù)。

由聲表面波溫度傳感器信號采集的傳播時間及其對附近溫度環(huán)境的敏感性關系子x。

把式（10）代入式（8）得：

假設以角度為單位相移表示為ΔφT，則：

即若測得的頻率信號每相移變化1°，糧倉溫度變化為0.33℃，故采用了通過相位的變化去推導糧倉監(jiān)測環(huán)境溫度變化的大小，進而根據(jù)糧倉監(jiān)測點的初始溫度T0，獲得所測最終溫度T。

2.3 溫度采集界面設計

本系統(tǒng)監(jiān)控查詢界面如圖3所示，可以實現(xiàn)“文件”的保存功能、系統(tǒng)后臺“編輯”功能、“查看”功能、“收藏”功能等一系列功能。點擊“文件”可將系統(tǒng)后臺監(jiān)控數(shù)據(jù)以word文檔的格式打印出來；“編輯”則實現(xiàn)后臺管理對監(jiān)控設備的參數(shù)設置；“查看”可以監(jiān)測當前的工作狀態(tài)；“收藏”則可以實現(xiàn)當前數(shù)據(jù)的搜集，為以后數(shù)據(jù)的參考比對提供依據(jù)。

用戶在查看監(jiān)測數(shù)據(jù)時，如要查看糧倉1，可以查看分布在糧倉內的各個監(jiān)測點，選擇所要查看的監(jiān)測點后就會顯示當前的監(jiān)測溫度，同時可以通過該界面查詢當前信號采集的傳輸強度。

2.4 應用結果分析

通過聲表面波技術在糧倉溫測的應用，在相同環(huán)境條件下聲表面波傳感器監(jiān)測的溫度與普通傳感器監(jiān)測的溫度誤差≤0.01，應用效果明顯。另外，對采集到的信號進行matlab仿真，如圖4所示，所采集的信號比以往溫度采集器采集到的信號幅值和頻率都有所加強。

3 結論與展望

在相同環(huán)境條件下聲表面波傳感器監(jiān)測的溫度誤差更小，所采集的信號比以往溫度采集器采集到的信號幅值和頻率均有所加強，為糧食儲存又提供了一個糧食環(huán)境監(jiān)測手段，是具有低功耗功能的糧倉環(huán)境監(jiān)測設備，具有較好的推廣應用前景，為糧食的儲存提供了有力的保障，也有力地推動了糧食儲存的安全性，該技術將進一步拓展應用新領域，為糧食產業(yè)的存儲提供有力的技術支撐。

圖3 后臺管理監(jiān)控界面Fig.3 Background management monitoring interface

圖4 普通測溫與聲表面波測溫信號強弱比較Fig.4 Comparison of signal strength between common temperature measurement and SAW temperature measurement

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PASSIVE TEMPERATURE MEASUREMENT SYSTEM BASED ON SURFACE ACOUSTIC WAVE（SAW）TECHNOLOGY FOR GRAIN STORAGE ENVIRONMENT

QI Renlong1, ZHANG Qinghui2, JIN Guangfeng2
（1.School of Electrical Engineering，Zhengzhou University of Science&Technology，Zhengzhou 450064，China；2.School of Information Science and Engineering，Henan University of Technology，Zhengzhou 450001，China）

Realtime information acquisition of temperature，humidity，pressure，viscosity，density and so on of granary is necessary for safe storage of grain.The system realized the temperature information acquisition of grain storage environment by adopting wireless passive surface acoustic wave temperature detection technology.As granary temperature acquisition terminal，a wireless passive surface acoustic wave temperature sensor was used to acquire the difference of output signals in frequency or amplitude through the changes of sound wave frequency thereof，thereby to realize temperature monitoring of grain storage environment as well as wireless passive frequency signal transmission，that is to realize digitization of real-time changing temperature data based on the frequency changes caused by temperature changes and optimization of temperature information processing algorithm.The technology is effective in collecting granary temperature information，and quick in acquiring information of temperature monitoring points of grain storage environment，thereby obviating grain loss caused by mildewing and rotting due to environment changes of granary.

SAW technology;grain storage environment；wireless passive temperature measurement;transmission efficiency

TS210.7

：B

1673-2383(2017)04-0091-05

http://kns.cnki.net/kcms/detail/41.1378.N.20170828.0857.034.html

網(wǎng)絡出版時間：2017-8-28 8:57:25

2016-12-26

河南省高?？萍紕?chuàng)新團隊項目（16IRTSTHN026）；河南省科技攻關計劃項目（162102110124）

齊仁龍（1982—），男，河南商丘人，講師，研究方向為電路與系統(tǒng)。