喬飛鵬， 計春雷， 張繼勇

(1.上海電機學(xué)院 電子信息學(xué)院，上海 200120；2.上海達(dá)聯(lián)電子科技有限公司，上海 200333)

0 引 言

害蟲是糧食儲存的大敵。據(jù)統(tǒng)計，全球每年有8%～14%的糧食因蟲害而損失。合理有效滅蟲方案的制訂，需要建立在害蟲種類、數(shù)量與發(fā)生區(qū)域等數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)檢測基礎(chǔ)之上。從全國來看，大多數(shù)糧庫的糧情監(jiān)控管理水平有了巨幅提高，特別是在谷物的溫濕度的檢測中，智能化儀器儀表的使用已基本普及[1-2]，但在糧庫的害蟲檢測方面，先進自動化技術(shù)的使用并不普遍，主流框架依然是有線連接。

與無線相比，有線方式存在諸多缺陷，包括布線困難、成本高、易遭雷擊、不耐熏蒸和故障率高等，致使糧庫的害蟲檢測在可用性、實時性與精確性等方面效率低下。隨著信息通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，運用互聯(lián)網(wǎng)與無線網(wǎng)相結(jié)合的監(jiān)測儀器，是當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)的熱點趨勢[3]，同時也是本文的設(shè)計初衷。

本文設(shè)計開發(fā)的無線測蟲器，主要功能是實現(xiàn)害蟲種類和數(shù)量的精準(zhǔn)測量，通過無線通信將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦鳈C，以便后續(xù)的數(shù)據(jù)分析及相應(yīng)滅蟲措施的制訂。在實現(xiàn)害蟲監(jiān)測實時、精準(zhǔn)的同時，通過全封閉外觀設(shè)計和元件低功耗調(diào)試，使測蟲器擁有較強的惡劣環(huán)境耐受性和較長的使用壽命等，達(dá)到良好的市場競爭力，可供各規(guī)模的糧庫投放使用。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

基于STM32的無線糧庫測蟲器的總體系統(tǒng)方案采用分塊化設(shè)計，每個模塊對應(yīng)相應(yīng)的功能，通過軟件編程實現(xiàn)系統(tǒng)對相關(guān)數(shù)據(jù)的獲取、計算和無線發(fā)送等功能。通過對不同模塊詳細(xì)的設(shè)計和制作，構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

2 硬件設(shè)計

2.1 STM32F103C8T6最小系統(tǒng)

STM32F103單片機是ST(意法半導(dǎo)體)公司生產(chǎn)的低功耗、高性能和低成本的32位單片機，該芯片的應(yīng)用范圍極廣，涉及電力電子系統(tǒng)、電機驅(qū)動、醫(yī)療和手持設(shè)備等方面。

根據(jù)實際需要，本文設(shè)計選用STM32F103C8T6最小系統(tǒng)板作為核心控制器。該最小系統(tǒng)集成了STM32單片機、電源電路、下載電路、復(fù)位電路和時鐘電路等部件，構(gòu)成了一個功能豐富的微型系統(tǒng)，在工控領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛[4]。

2.2 監(jiān)測模塊

本模塊由AD7151電容轉(zhuǎn)換芯片、控制器和測蟲電容組成。AD7151芯片是美國模擬器件(ADI)公司研制的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，擁有高輸入靈敏度和功耗較低等特點。AD7151芯片可以通過串行接口直連單片機，芯片內(nèi)部寄存器可根據(jù)電容介值的不同而生成不同大小的數(shù)值，供控制器讀取[5]。

根據(jù)芯片數(shù)據(jù)手冊的說明，在AD7151芯片與單片機連接之前，需在AD7151芯片的VDD引腳和GND引腳處并聯(lián)一個0.1μF的電容，在SCL引腳和SDA引腳處各接入一個10 k的上拉電阻。電路連接圖如圖2所示[6-7]。

2.3 外觀設(shè)計

害蟲具有趨孔性。基于這一原理將測蟲器設(shè)計為尖長桿狀，硬件模塊自上而下分布，其中，誘捕模塊長度適中，內(nèi)壁光滑，外管壁有數(shù)百個斜向上的開孔，吸引害蟲進入。在誘捕模塊下方是電容監(jiān)測模塊，通路上裝有一個約1 pF的感應(yīng)電容，如圖3所示。

硬除誘捕模塊留孔外，其余模塊使用封閉注塑設(shè)計，將STM32控制器、電源、AD芯片、無線通信模塊與外界隔絕，增加測蟲設(shè)備的抗熏蒸能力，提升使用壽命。

3 軟件設(shè)計

當(dāng)蟲子掉入，通過銅片時，電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，AD7151芯片捕捉到信號變化，喚醒MCU，控制器對AD7151相應(yīng)寄存器的數(shù)值進行讀取，根據(jù)讀取到的數(shù)值的不同來確定害蟲的種類，并將實時數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至控制主機。流程圖如圖4所示。

部分函數(shù)偽代碼如下。

各元件初始化之后，進入待機狀態(tài)：

RCC_Configuration( );GPIO_Configuration( ); USART1_Init( ); IIC_Init( );

AD7151_Init( );

害蟲掉落，引發(fā)監(jiān)測模塊電容信號變化之后，單片機讀取AD芯片相應(yīng)寄存器的值，并將數(shù)據(jù)通過無線通信模塊發(fā)回至控制主機。

if( Monitor module trigger)

{

AD7151_Read(Register address);

SendData;

}

4 系統(tǒng)測試

4.1 害蟲采樣測試

持續(xù)采樣次數(shù)設(shè)置為200，在采樣時間內(nèi)向測蟲器內(nèi)投放害蟲，將從芯片讀取到的十六進制寄存器數(shù)值轉(zhuǎn)換為十進制整數(shù)值，輸出數(shù)值匯總，如圖5、圖6所示。

害蟲在掉入測蟲器時，監(jiān)測模塊可以明顯地捕捉到信號變化，測蟲芯片內(nèi)部寄存器也生成相應(yīng)的數(shù)值。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，寄存器數(shù)值大小與害蟲大小成明顯正比關(guān)系。另外，除了體積之外，含水量等因素會對數(shù)值大小造成影響，因此不同的害蟲掉入

測蟲器時，得到的數(shù)值均有明顯差異，而同種類的害蟲測試數(shù)值差異不大。在測蟲器實際投放使用中，可對使用糧庫的害蟲進行投放測試，并與得到的數(shù)值相匹配，從而可使測蟲器根據(jù)數(shù)值的不同來分別害蟲的種類。

4.2 無線通信測試

為保證無線通信的質(zhì)量，對170 MHz無線串口模塊進行通信測試，結(jié)果如表1所示。

表1 無線通信測試結(jié)果

較低的頻率選擇規(guī)避了現(xiàn)場其他設(shè)備的通信干擾，使得無線通信的穿透能力和繞射能力得到大幅增強，完全滿足糧庫的實際使用要求。

4.3 耗電量測試

為保證測蟲設(shè)備有足夠的使用壽命，對測蟲設(shè)備里各組件進行耗電量測試，結(jié)果如表2所示。

表2 耗電量測試結(jié)果

經(jīng)計算，一塊較小體積的19 Ah鋰電池可供電5年以上，供糧庫在數(shù)個糧食輪轉(zhuǎn)周期內(nèi)持續(xù)使用。

5 結(jié)束語

蟲害監(jiān)測模塊是糧庫管理系統(tǒng)中不可或缺的一環(huán)，對于保障糧庫儲量質(zhì)量有著重要的作用。無線測蟲方案的研究屬于交叉學(xué)科，涉及物理和計算機等多個領(lǐng)域的知識。由于當(dāng)前主流測蟲架構(gòu)在可用性、實時性和準(zhǔn)確性等方面的不足，本文提出了一種無線解決方案，并詳細(xì)闡述其軟硬件設(shè)計思路。試驗結(jié)果證明，該方法能夠有效改善害蟲監(jiān)測效率，滿足大多數(shù)糧庫的實際需求。