基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的糧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：糧食安全一直是人民生活重點(diǎn)關(guān)注的話題，在糧食的儲(chǔ)備過程中，對(duì)糧食的溫濕度以及蟲害等的監(jiān)測(cè)是保持糧食安全的重要措施。文中設(shè)計(jì)了一個(gè)通過采用Sub-G Hz頻段和CDMA技術(shù)進(jìn)行融合的糧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)合起來，將采集到的數(shù)據(jù)通過CDMA網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的PC上，然后通過上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)分析后進(jìn)行相應(yīng)的處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)糧食遠(yuǎn)程的監(jiān)測(cè)與控制。該系統(tǒng)具有傳輸距離遠(yuǎn)、成本低和低功耗等特點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；糧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；CDMA；Sub-G

    在糧情監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，數(shù)據(jù)采集大多是由分布在廣闊領(lǐng)域里的傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的，一般來說數(shù)據(jù)源是離糧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的終端相對(duì)較遠(yuǎn)的?；谶@個(gè)原因，傳統(tǒng)的糧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多是有線系統(tǒng)，這大大增加了工作人員進(jìn)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(diǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由位于底層的傳感器節(jié)點(diǎn)采集信息后通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行向上級(jí)節(jié)點(diǎn)傳送信息，最終到達(dá)總節(jié)點(diǎn)的自組網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以其低成本、低功耗、系統(tǒng)易于安裝等優(yōu)點(diǎn)，不僅解決了有線糧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所固有的易于被雷擊、安裝成本高等問題，同時(shí)更因其較低功耗解決了有線系統(tǒng)隨時(shí)通電的要求，符合當(dāng)前國家提出的節(jié)能減排的口號(hào)。目前國內(nèi)外的糧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多為有線的糧情系統(tǒng)，在應(yīng)用過程中經(jīng)常會(huì)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(fèi)?，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(diǎn)，需要經(jīng)常性的更換電池。
    文中設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一個(gè)主要針對(duì)糧庫的無線糧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)采用了Sub-G頻段中的433．33 MHz進(jìn)行無線通信，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行采集信息，并通過CDMA模塊進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，具有了低功耗和遠(yuǎn)距離監(jiān)控等特點(diǎn)。系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)睡眠模式下電流為2～3μA，兩節(jié)5號(hào)電池可保證節(jié)點(diǎn)工作3年以上。

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

    傳感器節(jié)點(diǎn)將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)通過尤線通信的方式傳到分節(jié)點(diǎn)1003，每個(gè)分節(jié)點(diǎn)1003將收到的信息發(fā)送到主節(jié)點(diǎn)1003-D，1003-D通過串口將數(shù)據(jù)傳送到CDMA模塊，由CDMA網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)端的PC機(jī)上。底層節(jié)點(diǎn)1001和1002都有自己的專屬ID，以便上位機(jī)進(jìn)行區(qū)分溫度節(jié)點(diǎn)。1003節(jié)點(diǎn)也被賦予了自己的ID，平常所有的節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間都在睡眠模式，當(dāng)上位機(jī)對(duì)某一個(gè)倉發(fā)送采集命令時(shí)，命令通過CDMA網(wǎng)絡(luò)傳送到1003-D節(jié)點(diǎn)上，然后1003-D節(jié)點(diǎn)向下一層節(jié)點(diǎn)1003發(fā)送喚醒命令，相應(yīng)的1003被喚醒后開始發(fā)送喚醒其所屬的1001和1002節(jié)點(diǎn)的命令，傳感器節(jié)點(diǎn)1001和1002采集數(shù)據(jù)后然后向上一級(jí)節(jié)點(diǎn)傳送，最后通過1003-D經(jīng)CDMA網(wǎng)絡(luò)傳到上位機(jī)，由上位機(jī)軟件進(jìn)行分析與處理。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)所使用的MCU是silicon labs公司生產(chǎn)的Si1000芯片，Si1000器件是完全集成的低功耗混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU，它集成了8051單片機(jī)內(nèi)核和射頻芯片為一體，具有4 k的片內(nèi)RAM和64 k的FLASH。Si1000芯片集上電復(fù)位、電壓監(jiān)測(cè)器、看門狗定時(shí)器和系統(tǒng)時(shí)鐘為一體，是真正獨(dú)立的片上系統(tǒng)的解決方案。Si1000的頻率使用范圍是240～960 MHz，接收靈敏度最高可達(dá)-121 dBm，輸出功率是+20 dBm，它內(nèi)置了天線多樣性，并且支持跳頻技術(shù)。另外，Si1000芯片為了提高性能，對(duì)CIP-51核和外圍器件做了關(guān)鍵性的增強(qiáng)。在CIP-51核的基礎(chǔ)上，Si1000的擴(kuò)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(shè)備去中斷控制器。Si1000包含著包括上電復(fù)位、看門狗定時(shí)器在內(nèi)的8個(gè)復(fù)位源。每個(gè)復(fù)位源除了用來上電復(fù)位、復(fù)位輸入引腳和Flash錯(cuò)誤外，可以通過軟件編程關(guān)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2μA。
    MCU與外部設(shè)備的連接圖如圖2所示。

    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(fèi)的資源。它的可使用的頻率范圍為240～960 MHz，輸出功率已達(dá)+20 dBm，接收靈敏度達(dá)到-121 dBm，自帶了發(fā)送和接收FIFO。
    芯片內(nèi)置發(fā)送，接收，待機(jī)，睡眠4種模式，其中睡眠模式在文中系統(tǒng)中的低功耗設(shè)計(jì)中占據(jù)非常大的作用。
    在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)信息是以包結(jié)構(gòu)發(fā)送的，每發(fā)送一個(gè)包或接收到一個(gè)包的數(shù)據(jù)時(shí)，芯片會(huì)以中斷信號(hào)的方式通知MCU進(jìn)行處理，通過在軟件中對(duì)射頻模塊的的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行配置，可以使系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)理想的通信效果。在實(shí)際通信中，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，視距效果下可以達(dá)到2．5公里的通信距離，而且保證不丟失數(shù)據(jù)包。

    系統(tǒng)CDMA模塊選用的是Anydata公司生產(chǎn)的DTM518C。該模塊支持CDMA 800頻段EVDO Rev A；超低的功耗電流(待機(jī)<1．5 mA／關(guān)機(jī)<10μA ／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(jī)選用的是PIC18F14j11單片機(jī)，它是一種引腳低功耗，高性能的單片機(jī)，最大容許輸出電壓為5．5 V，工作電壓范同是2．0～3．6 V。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    為了節(jié)省電池能量，必須降低常態(tài)模式下節(jié)點(diǎn)的電流消耗。對(duì)于簇頭路由節(jié)點(diǎn)來說，其主要仟?jiǎng)?wù)就是喚醒感測(cè)器節(jié)點(diǎn)并把感測(cè)器節(jié)點(diǎn)采集的有效數(shù)據(jù)發(fā)送到管理節(jié)點(diǎn)上。因此在絕大多數(shù)時(shí)間按內(nèi)，將節(jié)點(diǎn)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；對(duì)于傳感器節(jié)點(diǎn)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(diào)理模塊。在RF與MCU模塊處于極低能耗的休眠狀態(tài)時(shí)，還應(yīng)該將傳感器相關(guān)的模塊完全關(guān)斷，只有在感測(cè)器節(jié)點(diǎn)真正工作時(shí)，才把這些設(shè)備上電、初始化。
    簇頭路由節(jié)點(diǎn)本身處于低能耗“Listen-Sleep-Listen”機(jī)制時(shí)要被管理節(jié)點(diǎn)喚醒，因此采用的是4．8 kbps的波特率進(jìn)行通信。經(jīng)過試驗(yàn)證明，當(dāng)前導(dǎo)碼為5個(gè)字節(jié)、有效載荷為3個(gè)字節(jié)時(shí)，發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀所耗時(shí)間約為21 ms。同理，只有使1003節(jié)點(diǎn)的偵測(cè)窗口開至50 ms時(shí)，才能保證兩個(gè)數(shù)據(jù)包的完整覆蓋。
    簇頭節(jié)點(diǎn)的低能耗模式流程圖如圖5所示。

    傳感器節(jié)點(diǎn)的工作周期設(shè)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(diǎn)(1001節(jié)點(diǎn))與簇頭路由節(jié)點(diǎn)的通信波特率是115．2 kbps，即傳感器節(jié)點(diǎn)每秒可以發(fā)送115 200個(gè)二進(jìn)制位。經(jīng)過試驗(yàn)檢測(cè)，當(dāng)前導(dǎo)碼為5個(gè)字節(jié)、有效載荷為26個(gè)字節(jié)時(shí)，發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀所耗時(shí)間約為1．83 ms。當(dāng)偵聽窗口為5 ms時(shí)，至少可以保證有兩個(gè)喚醒命令幀被傳感器節(jié)點(diǎn)捕獲的到，系統(tǒng)中作此設(shè)計(jì)，正是增強(qiáng)通信魯棒性的考慮。節(jié)點(diǎn)低功耗代碼如下：
   

    傳感器節(jié)點(diǎn)的低能耗模式流程圖如圖6所示。

4 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用
    系統(tǒng)完成后進(jìn)行了大規(guī)模的測(cè)試，采集數(shù)據(jù)完整率在95％以上，滿足目前糧庫對(duì)糧情系統(tǒng)的要求。用上位機(jī)軟件點(diǎn)擊測(cè)溫，系統(tǒng)就會(huì)按照設(shè)置以各倉位進(jìn)行上傳數(shù)據(jù)，經(jīng)過上位機(jī)軟件進(jìn)行處理。收到的糧食溫度如圖7所示。

5 結(jié)論
    文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)依靠電池供電，具有低功耗，成本低，使用時(shí)間長等特點(diǎn)，能夠及時(shí)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(shè)計(jì)，系統(tǒng)電池使用時(shí)間可達(dá)到3～5年，底層節(jié)點(diǎn)封裝在密封盒中，可以有效的防止熏蒸和蟲害的影響。相對(duì)于傳統(tǒng)的有線糧情監(jiān)測(cè)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(duì)于現(xiàn)有的無線糧情系統(tǒng)，本系統(tǒng)擁有更遠(yuǎn)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(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，這使工作人員進(jìn)行超遠(yuǎn)距離的進(jìn)行糧情監(jiān)測(cè)成為現(xiàn)實(shí)。