基于WSN微波检测仓储粮食含水率的多粮仓监控系统

基于wsn微波检测仓储粮食含水率的多粮仓监控系统
技术领域
1.本发明涉及微波应用技术领域，特别涉及一种基于wsn微波检测仓储粮食含水率的多粮仓监控系统。


背景技术：

2.在保证民生需求的前提下，我们将多余的粮食储存在大型粮仓，以备不时之需。在储存过程中，粮食内部含水率的变化导致了粮食损失。因此，对粮仓内粮食含水率的准确检测对于粮食的储存有重大意义。现有的粮食含水率的检测方法有直接法、电容法和电阻法，但上述方法对粮食含水量的检测结果并不准确。储粮仓由于其特殊储存条件需要对粮食进行熏蒸，因此粮仓内要尽量减少有线设备的布置，以免造成损失破坏。传统的有线监测控制系统采用包裹法对线路进行保护，虽然有线监控系统具有相对较大的系统可控范围，但是增加了沿程阻抗，信号在传送过程中会有衰减，造成一定误差，从而影响粮食含水率的检测准确性。


技术实现要素：

3.基于此，有必要提供一种基于wsn微波检测仓储粮食含水率的多粮仓监控系统，以解决现有技术中对粮食含水率检测结果不准确的技术问题。
4.本发明提供的一种基于wsn微波检测仓储粮食含水率的多粮仓监控系统，包括：
5.微波发射装置，所述微波发射装置用于对所述粮食发射微波信号，所述微波信号经过所述粮食后并反射；
6.微波接收装置，所述微波接收装置用于接收所述粮食反射的微波信号；
7.无线传输装置，所述无线传输装置与所述微波接收装置信号连接，所述无线传输装置用于将所述微波接收装置的所述微波信号转换为数据信号，所述无线传输装置还用于输出数据信号；及
8.检测控制装置，所述检测控制装置与所述无线传输装置信号连接，所述检测控制装置用于接收所述无线传输装置输出的数据信号，并对所述数据信号进行检测分析。
9.进一步地，所述微波发射装置包括微波源和微波发射天线，所述微波源与所述微波发射天线信号连接，所述微波源用于产生微波信号，所述微波发射天线用于将所述微波源产生的微波信号发射至所述粮食。
10.进一步地，所述微波发射装置还包括隔离器，所述隔离器与所述微波源信号连接，所述隔离器用于将所述微波源产生的所述微波信号进行单向传播。
11.进一步地，所述微波发射装置还包括衰弱器，所述衰弱器与所述微波源信号连接，所述衰弱器用于调整所述微波源产生的所述微波信号的发射频率。
12.进一步地，所述多粮仓监控系统还包括温度数据采集终端，所述温度数据采集终端与所述无线传输装置信号连接，所述温度数据采集终端用于采集所述粮食的温度数据，并将所述温度数据传输至所述无线传输装置，所述无线传输装置还用于接收所述温度数
据，并将所述温度数据输出至所述检测控制装置。
13.进一步地，所述无线传输装置包括选频放大器和单片机，所述选频放大器分别与所述微波接收装置和所述单片机信号连接，所述单片机与所述检测控制装置信号连接，所述选频放大器用于接收所述粮食反射的微波信号，并将所述微波信号转换为电压信号，且将所述电压信号传输至所述单片机，所述单片机用于接收所述电压信号，并将所述电压信号转换为数据信号。
14.进一步地，所述选频放大器包括微波检波单元和调零放大电路，所述微波检波单元分别与微波接收装置和调零放大电路信号连接，所述调零放大电路与所述单片机信号连接，所述微波检波单元用于对微波接收装置的所述微波信号进行解调，以降低所述微波信号的频率，所述调零放大电路将微波检波单元输出的微波信号转换为电压信号。
15.进一步地，所述无线传输装置还包括zigbee模块和zigbee-gprs网关，所述zigbee模块分别与所述单片机和所述zigbee-gprs网关信号连接，所述zigbee-gprs网关与所述检测控制装置信号连接。
16.进一步地，所述微波发射装置、所述微波接收装置、所述单片机和所述zigbee模块设置为多个，多个所述微波发射装置、所述微波接收装置、所述单片机和所述zigbee模块一一对应设置。
17.进一步地，检测控制装置包括数据控制中心和pc显示终端，所述数据控制中心分别与所述无线传输装置和所述pc显示终端信号连接，所述数据控制中心用于接收所述无线传输装置输出的数据信号，并对所述数据信号进行检测分析，所述pc显示终端用于显示所述数据信号中心检测分析的数据信号。
18.本发明提供的一种基于wsn微波检测仓储粮食含水率的多粮仓监控系统，包括微波发射装置、微波接收装置、无线传输装置和检测控制装置，微波发射装置对粮食发射微波信号，微波接收装置接收粮食反射的微波信号，无线传输装置将微波接收装置的微波信号转换为数据信号，检测控制装置对无线传输装置输出的数据信号进行检测分析。粮食中的水分子在微波的作用下会产生极化现象，含水率越多与粮食接触的微波的能量损耗就会越多。含水率与微波能量损耗之间的关系能够用一定的函数关系来表示。所以可以将微波与粮仓粮食接触产生的电压信号，经过信号转换再通过函数关系转化为粮食的含水率数值，从而可以精确检测出粮食的含水率。该多粮仓监控系统依托wsn对信号进行传输，从而避免现有技术中有线监测控制系统采用包裹法对线路进行保护，增加了沿程阻抗，造成误差的问题。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
20.图1为本发明实施例中多粮仓监控系统的结构示意图；
21.图2为本发明实施例中微波发射天线、微波接收天线和无线传输装置的结构示意图。
22.主要元件：
23.100、微波发射装置；110、微波源；120、微波发射天线；130、隔离器；140、衰弱器；200、微波接收天线；300、无线传输装置；310、选频放大器；320、单片机；330、zigbee模块；340、zigbee-gprs网关；400、检测控制装置；410、数据控制中心；420、pc显示终端；500、粮食含水率数据采集终端；510、温度数据采集终端。600、微波收发喇叭；610、混频器；700、粮食。
24.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
25.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
27.另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中的“和/或”包括三个方案，以a和/或b为例，包括a技术方案、b技术方案，以及a和b同时满足的技术方案；另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
28.如图1和图2所示，一种基于wsn微波检测仓储粮食含水率的多粮仓监控系统，包括微波发射装置100、微波接收装置、无线传输装置300和检测控制装置400，微波发射装置100在使用时放置于粮食700内，微波发射装置100用于对粮食700发射微波信号，微波信号经过粮食700后并反射，微波接收装置在使用时放置于粮食700内，微波接收装置用于接收粮食700反射的微波信号，无线传输装置300与微波接收装置信号连接，无线传输装置300用于将微波接收装置的微波信号转换为数据信号，无线传输装置300还用于输出数据信号，检测控制装置400与无线传输装置300信号连接，检测控制装置400用于接收无线传输装置300输出的数据信号，并对数据信号进行检测分析。具体地，微波发射装置100和微波接收装置均由12v电源供电。更具体地，粮食可以为大米、小麦等。
29.进一步地，wsn(wireless sensor networks,无线传感器网络)是一种分布式传感网络，它的末梢是可以感知和检查外部世界的传感器。wsn中的传感器通过无线方式通信，因此网络设置灵活，设备位置可以随时更改，还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接。通过无线通信方式形成的一个多跳自组织的网络。
30.工作时，粮食中的水分子在微波的作用下会产生极化现象，含水率越多与粮食接触的微波的能量损耗就会越多。含水率与微波能量损耗之间的关系能够用一定的函数关系来表示。所以可以将微波与粮仓粮食接触产生的电压信号，经过信号转换再通过函数关系转化为粮食的含水率数值，从而可以精确检测出粮食的含水率。为了降低损耗，精确得到粮
仓内粮食含水率的具体数值，依托无线传感器网络对信号进行传输，以解决当前粮仓内布线困难及实时监测复杂的问题。
31.具体地，微波发射装置100包括微波源110和微波发射天线120，微波源110与微波发射天线120信号连接，微波源110用于产生微波信号，微波发射天线120用于将微波源110产生的微波信号发射至粮食700。微波源110可以采用半导体器件耿氏二极管作为微波振荡源，产生10ghz的微波信号。
32.进一步地，微波发射装置100还包括隔离器130，隔离器130与微波源110信号连接，隔离器130用于将微波源110产生的微波信号进行单向传播。
33.更进一步地，微波发射装置100还包括衰弱器140，衰弱器140与微波源110信号连接，衰弱器140用于调整微波源110产生的微波信号的发射频率。
34.优选地，微波接收装置可以为微波接收天线200。微波发射装置100和微波接收装置可以看成粮食含水率数据采集终端500。
35.在一些实施例中，多粮仓监控系统还包括温度数据采集终端510，温度数据采集终端510设置于粮仓内，温度数据采集终端510与无线传输装置300信号连接，温度数据采集终端510用于采集粮食700的温度数据，并将温度数据传输至无线传输装置300，无线传输装置300还用于接收温度数据，并将温度数据输出至检测控制装置400。由于温度会对水分子的介电特性产生一定影响，对含水率的测量配备温度补偿系统。含水率采集终端和温度补偿采集终端为配套使用，即一个含水率采集终端具有相对应的温度补偿采集终端。为了更好地测量粮食的含水率情况，将含水率采集终端和温度补偿采集终端分上、中、下三个部分布置在粮仓内部，以测量粮食表面、粮堆中间和粮堆底部的含水率实时情况。同时水平方向根据粮仓大小对含水率采集终端和温度补偿采集终端进行布置，一般相邻的含水率采集终端和温度补偿采集终端在水平方向上的距离为5m。
36.具体地，温度数据采集终端510可以但不限于为温度传感器。更具体地，温度传感器为数字温度传感器ds18b20。
37.在一些实施例中，无线传输装置300包括选频放大器310和单片机320，选频放大器310分别与微波接收装置和单片机320信号连接，单片机320与检测控制装置400信号连接，选频放大器310用于接收粮食700反射的微波信号，并将微波信号转换为电压信号，且将电压信号传输至单片机320，单片机320用于接收电压信号，并将电压信号转换为数据信号。具体地，单片机320可以但不限于为stm32l031f6p6单片机。
38.进一步地，选频放大器310包括微波检波单元和调零放大电路，微波检波单元分别与微波接收装置和调零放大电路信号连接，调零放大电路与单片机320信号连接，微波检波单元用于对微波接收装置的微波信号进行解调，以降低微波信号的频率，调零放大电路将微波检波单元输出的微波信号转换为电压信号。
39.更进一步地，多粮仓监控系统还包括微波收发喇叭600和滤波器，由直流电源供电，电路接通后，由微波源110产生微波信号，微波信号经过隔离器130单向传播，后经过衰减器调整发射信号频率，微波信号从微波收发喇叭600经过微波发射天线120中发射，与粮食700接触后产生一定能量损失，发射出的是高频的微波信号，反射的是低频微波信号，可以设置混频器610将高频微波信号和低频微波信号混合，产生中低频稳定信号，再由微波接收装置接收微波信号，滤波器过滤其他的微波信号，将所选频率范围内的微波信号在传输
至微波检波单元，微波检波单元把微波信号进行解调，降低微波信号的频率，利用包络检波的方式输出检测信号，经过调零放大电路处理输出电压信号。电路中所检测的含水率信号一般为电压信号，电压数值大小与粮食700内含水率大小负相关。单片机320将电压信号进行a/d转换后处理为数字信号。
40.优选地，无线传输装置300还包括zigbee模块330和zigbee-gprs网关340，zigbee模块330分别与单片机320和zigbee-gprs网关340信号连接，zigbee-gprs网关340与检测控制装置400信号连接。zigbee模块330基于zigbee通信与zigbee gprs网关相连，进行数据交互传输，具有短距离、低功耗、低成本、简单的数据传输特点。数据在无线传输系统中进行tcp/ip转换后，由zigbee gprs网关中的gprs模块基于gprs网络传递给数据控制中心410。具体地，zigbee模块330可以但不限于为cc2430芯片。
41.工作时，单片机320将粮食含水率数据和温度数据均依次通过zigbee模块330和zigbee-gprs网关340传输至检测控制装置400，zigbee模块330汇总采集数据，传递给zigbee-gprs网关340，zigbee-gprs网关340由zigbee协调器、嵌入式服务器和gprs模块组成，为zigbee与监测控制系统数据交换的中转站。
42.在一些实施例中，微波发射装置100、微波接收装置、单片机320和zigbee模块330设置为多个，多个微波发射装置100、微波接收装置、单片机320和zigbee模块330一一对应设置，每个粮仓都设置有微波发射装置100、微波接收装置、单片机320和zigbee模块330，最终将数据汇总至检测控制装置400，从而实现多粮仓实时监控。
43.具体地，检测控制装置400包括数据控制中心410和pc显示终端420，数据控制中心410分别与无线传输装置300和pc显示终端420信号连接，数据控制中心410用于接收无线传输装置300输出的数据信号，并对数据信号进行检测分析，pc显示终端420用于显示数据信号中心检测分析的数据信号。
44.更具体地，zigbee-gprs网关340中gprs模块基于gprs网络与数据控制中心410通信；数据控制中心410通过gprs网络获取所采集到的与粮食700含水率有关的数据信息，实现对仓储粮食700现场的控制和管理。pc显示终端420基于以太网访问数据控制中心410，并将获取的粮食700粮情实时数据显示在屏幕上，且呈现出与标准值的比对，方便监测管理。
45.进一步地，数据控制中心410借助gprs网络实现数据的汇总，并将数据进行存储，借助以太网络与用户端进行数据联网，简化多粮仓含水率数据管理，实现对粮食700仓储现场的控制和管理。
46.优选地，pc显示终端420即用户端，可借助以太网来实时监控粮仓内含水率数据情况，zigbee模块330还具有定位功能，用户端还可以通过终端输入具体查询命令，数据控制中心410通过gprs网络和zigbee通信对命令进行识别，定位至具体粮仓，实现多个粮仓体系中某粮仓含水率数值的精准查询。
47.更优选地，pc显示终端420还能够对数据信号进行存储，同时还可以将获得的数据信号与粮食含水率的标准要求进行比对，分析目前各粮仓内粮食粮情，若出现含水率与标准要求不符的情况可以及时警报，保证粮仓内粮食的优良存储。
48.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。