基于Zigbee的無線糧情監控網絡中測量節點的設計

馮巧玲，鄭新華

(鄭州輕工業學院 電氣信息學院，河南 鄭州 450002)

糧食儲藏的溫度和濕度是儲糧質量的重要因素。特別是在現代糧食綠色保質保鮮儲藏中，由于糧食水分的提高，糧堆濕度的準確檢測將與糧堆溫度檢測同樣重要，因此糧堆各部位濕度檢測的增設完善是必不可少的[1]。

1 問題分析

傳統的有線糧情監控系統存在如下問題：(1)當傳感器出現問題時，更換、維修困難[2]；(2)傳感器網絡一旦鋪設完畢，不能隨意增加傳感器節點；(3)有線電纜容易被掛斷。要解決這些問題，首先研究糧倉內測量點的分布情況，糧倉中的檢測點一般呈三維矩陣分布，如圖1所示。傳統的有線檢測系統中，所有的沿高度方向分布的測量點之間由導線連接，如果儲糧期間測量點發生故障時，因無法取出，導致無法更換和維修。沿寬度方向分布的檢測點之間由導線相連，容易被掛斷[3]。由于傳感器節點是預埋設，并且系統的硬件資源所限，因而增加傳感器節點非常困難。

2 解決問題的思路

使用無線通信方式可以很好地解決上述傳統有線監控系統存在的問題，并可消除測量點之間的電纜。為了在傳感器發生故障時，方便地進行檢查、替換，傳感器必須具有良好的互換性，便于進行故障檢查。同時必須有合適的物理屏障保護測量點，使其可以方便地插入并取出糧堆。因而設計思路制定為平面分離、上下貫通。即同一平面內分布的各測量點之間互相獨立，互不相連。對于糧倉內沿高度方向分布的測量點可使用空心硬桿(稱為測量桿)，在測量點的高度位置開孔，放置傳感器，檢測導線從測量桿內穿過，匯聚到同一個控制器，該控制器可通過無線方式收發數據。在插入糧堆時，該控制器所在位置露出糧面上方，以實現無線數據的順利收發。在確定某測量桿上某高度位置的傳感器出現故障時，可以方便地將其抽出，用無故障測量桿將其取代，然后將故障測量桿打開檢查、維修。

3 無線監控網絡的總體方案

在堆糧線6 m高的大平房倉庫，如果將測量點間距設置1.8 m，則每個測量桿上設置4個測量點就可滿足要求，這是傳感器節點電路設計的依據之一。

無線通信采用Zigbee無線網絡，因為其具有方案簡單、低功耗、低成本等特點。測量點陣列基本采用三維矩陣分布，為便于增設測量點，無線傳感器應具有無線定位功能，該功能便于系統確定新增節點的位置。設計中選用TI公司的帶定位引擎CC2431 Zigbee片上系統，該芯片具有豐富的片上資源、超強的性能。它采用了基于接收信號強度定位算法，無線定位分辨率高達0.25 m，可構成最大區域為64 m×64 m的無線定位網[4]，并且芯片具有低功耗模式，便于系統節能。

溫濕度傳感器系統旨在對糧堆內的溫度和濕度進行檢測，而資料顯示，糧食在糧倉內的儲藏時間一般是2年左右，因而選擇傳感器時，其長期穩定性是必須要考慮的因素。另外，在無線傳感器節點設計中，系統功耗也是必須考慮的重要因素。SHT11是Sensirion公司的溫濕度傳感器，具有極低的靜態功耗，測量狀態功耗僅3 mW，處于休眠狀態時，其功耗僅為 2 μW(供電電壓3.3 V)[5]。

3.1 節點的設計方案

測量桿內的Zigbee芯片具有無線通信功能，對應于無線通信網絡中的一個節點(稱為測量節點)。為使測量桿具有良好的移動性，則測量節點必須使用電池供電，因而必須考慮系統的節能。但所有的無線數據的順利傳送必須要有確定的路由，普通的測量節點不適合承擔這樣的任務。系統中的無線節點分為兩類：(1)測量節點，只定時采集溫濕度數據并向監控中心無線發送，不為其他的傳感器節點提供路由，可最大限度節約能量。(2)路由節點，為傳感器節點提供路由服務，并采集糧倉內環境的溫濕度數據。根據路由節點的任務分配，該類節點必須一直處于工作狀態，因而由統一的直流電源供電。

所有的路由節點在糧線以上沿糧倉長度方向安裝，根據糧倉長度，路由節點數量可根據實際情況設置，并保持一定的冗余。所有的測量桿插入糧堆中，頂端露出糧面，測量節點與路由節點保持在大約同等高度。

3.2 系統整體構成方案

系統工作時，所有的測量節點可讀取傳感器數據，通過路由節點發送至協調器節點，協調器通過RS-232串口將數據送到PC機進行分析、處理和顯示。各糧倉PC機收集的數據通過CAN總線匯總到監控主機，如圖2所示。

圖2 監控系統的結構示意圖

4 測量節點的設計

4.1 傳感器接口設計

測量節點中控制器CC2431的供電電壓范圍為2.0 V～3.6 V，溫濕度傳感器SHT11的供電電壓范圍為2.4 V～5.5 V，建議供電電壓為3.3 V，故CC2431和SHT11可統一采用3.3 V電源供電。傳感器SHT11采用二線制數字接口，其中DATA端為數據輸入輸出端口，SCK為串行時鐘輸入端口。CC2431與SHT11之間的接口電路如圖3所示，不同的傳感器連接不同的接口，從而可對傳感器進行區分。在傳感器出現故障時，可以方便地對出現故障的傳感器進行定位。

圖3 CC2431與傳感器SHT11的接口設計

4.2 主程序工作流程圖

測量節點工作的主程序流程如圖4所示。當測量節點上電后，首先完成系統的初始化，并檢查無線網絡是否存在，如果網絡存在就進入正常的工作流程。當超過一定時間仍檢查不到無線網絡時，就進入節能模式，以最大限度地節約系統電能。只有當按鍵按下，給CPU提供外部中斷，CPU才被喚醒，程序從斷點開始重新檢查無線網絡是否準備好。當測量節點完成網絡初始化，得到節點在網絡中的編號之后，可進入正常的測量周期。由于糧堆內溫濕度變化緩慢，不需要進行連續檢測，因此測量完成之后，系統進入節能模式。只有當間隔時間到時，由內部時鐘喚醒CPU，再進入下一輪的測量周期。

圖4 檢測節點主程序工作流程圖

4.3 數據平滑處理

由于各種干擾因素的存在，可能會使單次檢測數據出現誤差。為了消除測量誤差影響，在每個測量周期CPU要對傳感器數據讀取5次，按數值大小進行排序后，取中間的3個數據進行算術平均，并將其結果作為最終的檢測數據向監控計算機進行無線發送。

4.4 節點定位

CC2431采用了基于接收信號強度定位算法。其原理為：假設已知某節點位置信息(Xi，Yi)和無線發射的信號強度RSSIi，則接收節點可以根據其接收到的該節點的信號強度RSSIi計算出信號的傳播損耗，然后根據信號傳播理論和信道經驗模型計算出節點之間的距離。通過測量接收節點與3個已知節點之間的距離，可以利用三邊測量法或者三角測量法計算出節點的位置。該節點定位算法需要多(3～16)個參考節點，參考節點越多，定位越準確。從CC2431的測量原理可以看出，對節點位置的描述只有 2個變量(Xi，Yi)，也就是說 CC2431的定位方法基于一個前提條件，就是各無線節點全部處于同一平面內，當該前提條件不滿足時，必定帶來一定的測量誤差，該測量誤差在距離較近時，影響較大。因而，實際使用中各測量節點與路由節點應布置在同一平面內，以減小測量誤差。

本設計主要對測量節點的電路功能進行了設計，使用中必須要結合實際對測量桿的外形進行合理設計，使得測量桿容易打開，以便發生故障時對其內部進行維修和元件更換。測量桿必須有足夠的強度并且可以變形，以方便實現在糧堆上的插拔操作，實現對內部電路的保護。

[1]李森，吳憲莉，陳彥海，等.加強對糧堆溫度和濕度的檢測控制推行綠色生態儲糧[J].糧食加工，2005(5):52-54.

[2]李海煌，于麗偉.現代糧情檢測技術簡析與建議[J].哈爾濱市經濟管理干部學院學報，2002(2):61-62.

[3]李宏偉，吳捍東，蘭建軍.淺談矩陣布線在高大平房倉應用中存在的問題[J].倉儲技術，2001(4):23-24.

[4]Texas Instruments.CC2431 data sheet(Rev.2.01)SWRS034B[EB/OL].http://www.ti.com，2007，5.

[5]Sensirion.Datasheet SHT1x[EB/OL].http://www.sensirion.com/.2008，9.