基于無線傳感器與射頻SOC nRF9E5的糧情檢測系統(tǒng)

引言

糧食溫度檢測技術是我國糧食儲藏的4 大技術之一，它可以動態(tài)監(jiān)測倉庫糧食溫度變化情況，為糧食的儲藏安全提供了重要保障。由于儲備庫的特殊環(huán)境條件：糧食出入庫時，系統(tǒng)部分模塊（主要是傳感器模塊）要拆卸和重新安裝；倉庫中存在的有毒氣體H3P 容易腐蝕電子元器件，糧堆中損壞的傳感器不容易更換。而目前應用于糧食儲藏的糧情檢測系統(tǒng)大多數(shù)采用模擬溫度傳感器、多路模擬開關、A/D 轉(zhuǎn)換器及單片機等組成的導線傳輸系統(tǒng)。這種溫度采集系統(tǒng)需要在倉庫內(nèi)布置大量的測溫電纜，安裝和拆卸繁雜；同時受到導線電阻和分布電容的影響，測量誤差比較大，易受雷擊。為此提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡的溫度檢測系統(tǒng)的設計方案，該方案不需要任何固定網(wǎng)絡的支持，安裝簡單方便、系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、可維護性好。

2 無線傳感器網(wǎng)絡

無線傳感器網(wǎng)絡是由大量微型、智能、低功耗傳感器以某種網(wǎng)絡協(xié)議構成的無線網(wǎng)絡，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋的地理區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)布給觀察者。它綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、分布式信息處理技術以及無線通信技術，正成為一個新興的技術領域，被認為是21世紀最重要的技術之一。

無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點具有無線通信、數(shù)據(jù)采集和處理、協(xié)同合作等功能，可以隨機或者特定地布置在目標環(huán)境中，能夠獲取周圍環(huán)境的信息并且相互協(xié)同工作完成特定任務。傳感器節(jié)點主要由電源管理模塊、傳感器、微處理器、存儲器以及射頻模塊等功能模塊構成。電源管理模塊為其他功能單元提供正常工作所必需的能源。傳感器用于感知、獲取外界的信息，并通過信號處理電路將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。微處理器部件負責協(xié)調(diào)節(jié)點各部分的工作，如對傳感器獲取的信息進行必要的處理、保存，控制傳感器和電源的工作模式等。射頻模塊負責與其他傳感器或觀察者的通信。

3 系統(tǒng)設計方案

整個系統(tǒng)由若干無線溫度傳感器節(jié)點、測控主機和PC 機組成，其中無線溫度傳感器節(jié)點按一定布點規(guī)則分布于倉庫內(nèi)，執(zhí)行溫度數(shù)據(jù)采集、預處理和傳輸?shù)裙ぷ?。測控主機由無線收發(fā)模塊nRF9E5 及報警裝置組成，通過外接MAX232 轉(zhuǎn)換電路，和PC 機進行串口通信。測控主機通過無線通訊方式與各個節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸、存儲及命令的傳送。PC 機給測控主機發(fā)送功能命令并對采集到每個節(jié)點溫度數(shù)據(jù)進行智能分析、顯示和打印。限于篇幅，本文主要介紹無線溫度傳感器節(jié)點的硬件結(jié)構和軟件設計方法。

3.1 無線溫度傳感器節(jié)點的設計

溫度傳感器節(jié)點是的網(wǎng)絡的基本單元，響應測控主機的指令并發(fā)送數(shù)據(jù)。由于傳感器節(jié)點通常采用電池供電，電池的容量一般不是很大。并且在使用過程中，不能給電池充電或更換電池，一旦電源耗盡，這個節(jié)點就失去了作用。因此在傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的設計過程中，任何技術和協(xié)議的使用都要以節(jié)能為前提。在硬件設計方面，要盡量采用低功耗器件，在沒有通信任務的時候，切斷射頻部分電源；在軟件設計方面，各層通信協(xié)議都應該以節(jié)能為中心。

3.1.1 射頻SOC nRF9E5

nRF9E5 是挪威Nordic 公司去年推出的系統(tǒng)級RF 芯片。該芯片采用+3VDC 供電，面積為5mm×5mm，共有32 個外部引腳，包括UART 和SPI 等功能。內(nèi)部集成了nRF9E5 射頻模塊、8051 微控制器及A/D 轉(zhuǎn)換模塊，具有433/868/915MHz 三波段載波頻率。采用GFSK 調(diào)制，抗干擾能力強；支持多點通訊，數(shù)據(jù)傳輸速率高達0.1Mbps。具有特有的ShockBurst 信號發(fā)射模式和發(fā)射信號載波監(jiān)測功能，可有效降低功耗電流、避免數(shù)據(jù)沖突。內(nèi)部寄存器為用戶測控主機提供了基礎的通訊協(xié)議，便于用戶擴展，縮短了開發(fā)周期，因此很適用于無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設計。

nRF9E5 使用SPI 接口進行單片機與無線模塊間的數(shù)據(jù)傳輸。這部分在nRF9E5 片內(nèi)的8051內(nèi)核與nRF905 射頻收發(fā)器之間完成。nRF9E5 的收發(fā)器有三種工作方式，ShockBurst 接收（RX）方式，ShockBurst 發(fā)送（TX）方式和空閑方式。nRF9E5 收發(fā)器的工作方式由特殊功能寄存器TRX_CE 和TX_EN 決定，ShockBurst 接收方式下，當收到一個有效地址的射頻數(shù)據(jù)包時，地址匹配寄存器位（AM）和數(shù)據(jù)準備好寄存器位（DR）通知片內(nèi)MCU 把數(shù)據(jù)讀出。在ShockBurst 發(fā)送方式下，nRF905 自動給要發(fā)送的數(shù)據(jù)加上前綴和CRC 校驗。當數(shù)據(jù)發(fā)送完后，數(shù)據(jù)準備好寄存器位（DR）會通知MCU 數(shù)據(jù)已經(jīng)處理完畢。當系統(tǒng)沒有發(fā)送和接收任務時，其進入空閑方式。nRF905 在空閑方式下，

一旦有任務要處理時，其能夠在很短的時間內(nèi)就進入ShockBurst 接收方式和ShockBurst 發(fā)送方式?？臻e方式下，晶體振蕩器依然工作，配置字中的內(nèi)容不至于丟失。系統(tǒng)通訊時，各模塊處于正常接收狀態(tài)：收發(fā)使能位TRX_CE=1 且方式選擇位TX_EN=0。在運行過程中，可由用戶編程修改TX_EN=1 使各其工作于發(fā)射狀態(tài)。

3.1.2 數(shù)字溫度字傳感器

DS18B20 是Dallas 公司開發(fā)的微型化、低功耗的可編程單總線數(shù)字溫度傳感器，可直接將測得溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出。并具有以下主要功能特點：（1）獨有的單總線通信技術，只需一根信號線與單片機連接即可實現(xiàn)雙向通信。（2）電源電壓范圍3.3-5V，可通過信號線寄生供電或由外電源直接供電。（3）測溫范圍為-55-125℃，在-10-85℃內(nèi)可保持±0.5℃的精確度。（4）通過編程可實現(xiàn)9-12 位的數(shù)字讀數(shù)方式，即在溫度轉(zhuǎn)化時可選擇0.5℃、0.25℃、0.125℃、0.0625℃四種不同的分辨率。（5）可設定非易失性溫度報警上下限值TH 和TL，通過報警搜索命令可獲取報警信息。

DS18B20 的工作遵循嚴格的單總線協(xié)議。即先初始化，然后發(fā)送ROM 命令，最后發(fā)送功能命令。初始化包括主機發(fā)出復位脈沖（通過將總線拉低至少480μs 來實現(xiàn)）隨即主機等待DS18B20 發(fā)回的存在脈沖。DS18B20 則從檢測到復位脈沖的上升沿開始等待15-16μs 后通過將單總線拉低60-240μs 實現(xiàn)存在脈沖的發(fā)送。DS18B20 的讀寫操作是通過讀寫時序來實現(xiàn)的。

3.2 軟件設計

本系統(tǒng)是一個簡單的點對多點通信，所以通信協(xié)議分為三層即可。第一層為物理層，由nRF9E5 模塊硬件實現(xiàn)；第二層為數(shù)據(jù)鏈路層；第三層為應用層。

數(shù)據(jù)鏈路層的功能是提供可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸。發(fā)送數(shù)據(jù)時，將應用層發(fā)來的比較長的數(shù)據(jù)幀拆分為短的數(shù)據(jù)幀，并加上包頭和校驗和，重新打包后發(fā)送出去。接收數(shù)據(jù)時，將接收到的數(shù)據(jù)解包并重新組合成完整的長數(shù)據(jù)，移交給應用層。數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)幀格式為：每幀包括兩個字節(jié)的起始幀0xFFH和0xAAH，幾個字節(jié)的地址（字節(jié)大小由系統(tǒng)節(jié)點數(shù)量決定），一個字節(jié)的幀類型，一個字節(jié)的有效數(shù)據(jù)長度，兩個字節(jié)的數(shù)據(jù)和兩個字節(jié)的校驗和，一個字節(jié)的幀停止位0x00H。

由于在整個系統(tǒng)中無線通信的頻率采用一個頻道433.92MHZ 作為通信載波頻率，所以整個系統(tǒng)的通信必須采用分時技術將測控主機與多節(jié)點之間的通信變成為測控主機與一節(jié)點進行點對點通信的多條鏈路的組合。也就是說測控主機必須采用掃描的方式逐點采集數(shù)據(jù)。節(jié)點則采用中斷方式，對主接收器發(fā)出的地址信息進行處理，若與本機地址相符則執(zhí)行命令。首先，由測控主機向系統(tǒng)中某一節(jié)點發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令包。接著當節(jié)點收到主機發(fā)來的命令包時啟動DS18B20 進行溫度轉(zhuǎn)換，然后上傳給主機。最后，當主機收到節(jié)點的數(shù)據(jù)包并校驗之后，主機將發(fā)送一個確認數(shù)據(jù)包給節(jié)點，以確認節(jié)點數(shù)據(jù)包的正確性。如果數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^程中有數(shù)據(jù)丟失，主機將要求節(jié)點重新發(fā)送數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)全部正確為止。