基于無線傳感器網絡的糧情監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

孫 鵬，梁寶生

（1.太原理工大學 信息工程學院，山西 太原 030024；2.山西省公安廳科技處 山西 太原 030024）

在糧情監(jiān)測領域，數(shù)據(jù)采集大多是由分布在廣闊領域里的傳感器網絡進行的，一般來說數(shù)據(jù)源是離糧情監(jiān)測系統(tǒng)的終端相對較遠的。基于這個原因，傳統(tǒng)的糧情監(jiān)測系統(tǒng)大多是有線系統(tǒng)，這大大增加了工作人員進行施工的難度。而且有線系統(tǒng)還有著布線困難、易遭雷擊等特點。無線傳感器網絡是由位于底層的傳感器節(jié)點采集信息后通過無線網絡進行向上級節(jié)點傳送信息，最終到達總節(jié)點的自組網絡系統(tǒng)[1-2]。無線傳感器網絡以其低成本、低功耗、系統(tǒng)易于安裝等優(yōu)點，不僅解決了有線糧情監(jiān)測系統(tǒng)所固有的易于被雷擊、安裝成本高等問題，同時更因其較低功耗解決了有線系統(tǒng)隨時通電的要求，符合當前國家提出的節(jié)能減排的口號[3]。目前國內外的糧情監(jiān)測系統(tǒng)大多為有線的糧情系統(tǒng)，在應用過程中經常會出現(xiàn)雷擊、線路人為破壞等問題，而且布線非常的困難，造成人力資源的浪費?，F(xiàn)有的無線糧情系統(tǒng)也普遍具有傳輸距離近，功耗較大，續(xù)航能力差等缺點，需要經常性的更換電池。

文中設計和實現(xiàn)了一個主要針對糧庫的無線糧情監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)采用了Sub-G頻段中的433.33 MHz進行無線通信，通過無線傳感器網絡進行采集信息，并通過CDMA模塊進行遠距離傳輸，具有了低功耗和遠距離監(jiān)控等特點。系統(tǒng)節(jié)點睡眠模式下電流為2～3 μA，兩節(jié)5號電池可保證節(jié)點工作3年以上。

1 系統(tǒng)整體架構

整個系統(tǒng)分為主節(jié)點1003-D，分節(jié)點1003，傳感器節(jié)點（由測量溫濕度的節(jié)點1002和測溫節(jié)點1001組成）3種類型。1002節(jié)點連接著溫濕度傳感器，溫濕度傳感器由測量溫度的熱敏電阻和測量濕度的霍尼韋爾濕度傳感器HIH4000組成。1001節(jié)點連接有數(shù)字溫度傳感器DS18b20。每個糧倉帶有一個分節(jié)點1003。一個分節(jié)點1003下屬一個1002節(jié)點和若干個1001節(jié)點。主節(jié)點1003-D下屬一個1002節(jié)點作為外溫外濕。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)節(jié)點框圖Fig.1 System node diagram

傳感器節(jié)點將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)通過無線通信的方式傳到分節(jié)點1003，每個分節(jié)點1003將收到的信息發(fā)送到主節(jié)點1003-D，1003-D通過串口將數(shù)據(jù)傳送到CDMA模塊，由CDMA網絡將數(shù)據(jù)傳送到遠端的PC機上。底層節(jié)點1001和1002都有自己的專屬ID，以便上位機進行區(qū)分溫度節(jié)點。1003節(jié)點也被賦予了自己的ID，平常所有的節(jié)點大部分時間都在睡眠模式，當上位機對某一個倉發(fā)送采集命令時，命令通過CDMA網絡傳送到1003-D節(jié)點上，然后1003-D節(jié)點向下一層節(jié)點1003發(fā)送喚醒命令，相應的1003被喚醒后開始發(fā)送喚醒其所屬的1001和1002節(jié)點的命令，傳感器節(jié)點1001和1002采集數(shù)據(jù)后然后向上一級節(jié)點傳送，最后通過1003-D經CDMA網絡傳到上位機，由上位機軟件進行分析與處理。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)所使用的MCU是silicon labs公司生產的Si1000芯片，Si1000器件是完全集成的低功耗混合信號片上系統(tǒng)型MCU，它集成了8051單片機內核和射頻芯片為一體，具有4 k的片內RAM和64 k的FLASH。Si1000芯片集上電復位、電壓監(jiān)測器、看門狗定時器和系統(tǒng)時鐘為一體，是真正獨立的片上系統(tǒng)的解決方案[4]。Si1000的頻率使用范圍是240～960 MHz，接收靈敏度最高可達-121 dBm，輸出功率是+20 dBm，它內置了天線多樣性，并且支持跳頻技術。另外，Si1000芯片為了提高性能，對CIP-51核和外圍器件做了關鍵性的增強。在CIP-51核的基礎上，Si1000的擴展中斷源提供了雙中斷源，允許眾多的模擬的和數(shù)字的外部設備去中斷控制器。Si1000包含著包括上電復位、看門狗定時器在內的8個復位源。每個復位源除了用來上電復位、復位輸入引腳和Flash錯誤外，可以通過軟件編程關閉。在供電方面，Si1000的工作電流一般穩(wěn)定在5 mA左右，在睡眠模式下，它的電流為 2 μA。

MCU與外部設備的連接圖如圖2所示。

圖2 MCU與外部設備連接圖Fig.2 Connection diagram of mcu and peripheral devices

Si1000中集成了射頻收發(fā)模塊，這大大地節(jié)省了系統(tǒng)所耗費的資源。它的可使用的頻率范圍為240～960 MHz，輸出功率已達+20 dBm，接收靈敏度達到-121 dBm，自帶了發(fā)送和接收FIFO。

芯片內置發(fā)送，接收，待機，睡眠4種模式，其中睡眠模式在文中系統(tǒng)中的低功耗設計中占據(jù)非常大的作用。

在發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)信息是以包結構發(fā)送的，每發(fā)送一個包或接收到一個包的數(shù)據(jù)時，芯片會以中斷信號的方式通知MCU進行處理，通過在軟件中對射頻模塊的的各個參數(shù)進行配置，可以使系統(tǒng)達到一個理想的通信效果。在實際通信中，經過實驗，視距效果下可以達到2.5公里的通信距離，而且保證不丟失數(shù)據(jù)包。

圖3 系統(tǒng)射頻部分原理圖Fig.3 Schematic diagram of RF part of system

系統(tǒng)CDMA模塊選用的是Anydata公司生產的DTM518C。該模塊支持CDMA 800頻段EVDO Rev A；超低的功耗電流（待機<1.5 mA/關機<10 μA/最大工作電流<580 mA）；工作溫度范圍為-35～+75℃；電源電壓范圍為3.3～4.2 V。單片機選用的是PIC18F14j11單片機，它是一種引腳低功耗，高性能的單片機，最大容許輸出電壓為5.5 V，工作電壓范圍是2.0～3.6 V。

圖4 CDMA模塊原理圖Fig.4 Schematic diagram of CDMA module

3 系統(tǒng)軟件設計

為了節(jié)省電池能量，必須降低常態(tài)模式下節(jié)點的電流消耗。對于簇頭路由節(jié)點來說，其主要任務就是喚醒感測器節(jié)點并把感測器節(jié)點采集的有效數(shù)據(jù)發(fā)送到管理節(jié)點上。因此在絕大多數(shù)時間按內，將節(jié)點的射頻通信模塊（RF）和微控制器模塊（MCU）置于最低能耗的休眠模式是非常必要的[5]；對于傳感器節(jié)點來說，除了射頻通信模塊和微控制器模塊，還帶有傳感器裝置，以及為傳感器裝置提供能量的電源調理模塊。在RF與MCU模塊處于極低能耗的休眠狀態(tài)時，還應該將傳感器相關的模塊完全關斷，只有在感測器節(jié)點真正工作時，才把這些設備上電、初始化[6]。

簇頭路由節(jié)點本身處于低能耗 “Listen—Sleep--Listen”機制時要被管理節(jié)點喚醒，因此采用的是4.8 kbps的波特率進行通信。經過試驗證明，當前導碼為5個字節(jié)、有效載荷為3個字節(jié)時，發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀所耗時間約為21 ms。同理，只有使1003節(jié)點的偵測窗口開至50 ms時，才能保證兩個數(shù)據(jù)包的完整覆蓋。

簇頭節(jié)點的低能耗模式流程圖如圖5所示[7]。

圖5 簇頭路由節(jié)點的低功耗模式流程圖Fig.5 Power saved flow chart of a cluster head node

傳感器節(jié)點的工作周期設定為5 s，5 s中的4.995 s處于低能耗的休眠狀態(tài)，剩余的5 ms偵聽信道0，如果有自己的喚醒命令，就不再休眠，如果沒有，就繼續(xù)休眠。傳感器節(jié)點（1001節(jié)點）與簇頭路由節(jié)點的通信波特率是115.2 kbps，即傳感器節(jié)點每秒可以發(fā)送115 200個二進制位。經過試驗檢測，當前導碼為5個字節(jié)、有效載荷為26個字節(jié)時，發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀所耗時間約為1.83 ms。當偵聽窗口為5 ms時，至少可以保證有兩個喚醒命令幀被傳感器節(jié)點捕獲的到，系統(tǒng)中作此設計，正是增強通信魯棒性的考慮。節(jié)點低功耗代碼如下：

傳感器節(jié)點的低能耗模式流程圖如圖6所示。

圖6 傳感器節(jié)點的低功耗模式流程圖Fig.6 Power saved flow chart of a sensor node

4 實驗應用

系統(tǒng)完成后進行了大規(guī)模的測試，采集數(shù)據(jù)完整率在95%以上，滿足目前糧庫對糧情系統(tǒng)的要求。用上位機軟件點擊測溫，系統(tǒng)就會按照設置以各倉位進行上傳數(shù)據(jù)，經過上位機軟件進行處理。收到的糧食溫度如圖7所示。

圖7 采集溫度Fig.7 Collected temperature

5 結 論

文中設計的系統(tǒng)依靠電池供電，具有低功耗，成本低，使用時間長等特點，能夠及時的回傳采集到的糧食溫濕度信息，具有較好地通信距離。由于系統(tǒng)采用了低功耗設計，系統(tǒng)電池使用時間可達到3～5年，底層節(jié)點封裝在密封盒中，可以有效的防止熏蒸和蟲害的影響。相對于傳統(tǒng)的有線糧情監(jiān)測系統(tǒng)來說，這也為系統(tǒng)的易于施工提供了極大的方便。對于現(xiàn)有的無線糧情系統(tǒng)，本系統(tǒng)擁有更遠的傳輸距離和系統(tǒng)使用壽命。系統(tǒng)可通過CDMA模塊將采集到的信息進行遠距離傳輸，這使工作人員進行超遠距離的進行糧情監(jiān)測成為現(xiàn)實。

[1]孫利民.無線傳感器網絡[M].北京：清華大學出版社，2005.

[2]張煉東，王秉文.無線傳感器網絡在糧情監(jiān)控系統(tǒng)中的應用[D].武漢:華中科技大學，2010.

[3]牛宇卿，師衛(wèi).基于433 MHz頻段的無線糧情監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].中國科技論文在線，2011（2）：12-16.NIU Yu-qing，SHI Wei.The design and implementation of wireless granary monitoring system based on 433 MHz band[J].Sciencepaper Online，2011（2）：12-16.

[4]Silicon Labs.Si1000datasheet（2011）.http://www.silabs.com/products/wireless/wirelessmcu/Pages/Si1000.aspx.

[5]劉斌，梁鳳梅.基于跨層優(yōu)化的傳感器網絡MAC協(xié)議設計[J].機械工程與自動化，2011（5）:9-11.LIU Bin，LIANG Feng-mei.Design of A MAC protocol in wireless sensor network based on cross layer optimizition[J].Mechanical Engineering and Automation，2011（5）:9-11.

[6]許力.無線傳感器網絡的安全和優(yōu)化[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[7]劉迪忻.無線傳感器網絡中基于時鐘漂移補償?shù)臅r間同步技術[J].時間頻率學報，2009，32（2）:121-127.LIU Di-xin.Time synchronization based on clock drift compensation in wireless sensor network[J].Journal of Time and Frequency，2009，32（2）：121-127.