基于無線傳感器網絡的糧情監測系統的設計與實現

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）

在糧情監測領域，數據采集大多是由分布在廣闊領域里的傳感器網絡進行的，一般來說數據源是離糧情監測系統的終端相對較遠的?；谶@個原因，傳統的糧情監測系統大多是有線系統，這大大增加了工作人員進行施工的難度。而且有線系統還有著布線困難、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點采集信息后通過無線網絡進行向上級節點傳送信息，最終到達總節點的自組網絡系統[1-2]。無線傳感器網絡以其低成本、低功耗、系統易于安裝等優點，不僅解決了有線糧情監測系統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隨時通電的要求，符合當前國家提出的節能減排的口號[3]。目前國內外的糧情監測系統大多為有線的糧情系統，在應用過程中經常會出現雷擊、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有的無線糧情系統也普遍具有傳輸距離近，功耗較大，續航能力差等缺點，需要經常性的更換電池。

文中設計和實現了一個主要針對糧庫的無線糧情監測系統，系統采用了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控等特點。系統節點睡眠模式下電流為2～3 μA，兩節5號電池可保證節點工作3年以上。

1 系統整體架構

整個系統分為主節點1003-D，分節點1003，傳感器節點（由測量溫濕度的節點1002和測溫節點1001組成）3種類型。1002節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節點連接有數字溫度傳感器DS18b20。每個糧倉帶有一個分節點1003。一個分節點1003下屬一個1002節點和若干個1001節點。主節點1003-D下屬一個1002節點作為外溫外濕。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統節點框圖Fig.1 System node diagram

傳感器節點將采集到的溫濕度數據通過無線通信的方式傳到分節點1003，每個分節點1003將收到的信息發送到主節點1003-D，1003-D通過串口將數據傳送到CDMA模塊，由CDMA網絡將數據傳送到遠端的PC機上。底層節點1001和1002都有自己的專屬ID，以便上位機進行區分溫度節點。1003節點也被賦予了自己的ID，平常所有的節點大部分時間都在睡眠模式，當上位機對某一個倉發送采集命令時，命令通過CDMA網絡傳送到1003-D節點上，然后1003-D節點向下一層節點1003發送喚醒命令，相應的1003被喚醒后開始發送喚醒其所屬的1001和1002節點的命令，傳感器節點1001和1002采集數據后然后向上一級節點傳送，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 系統硬件設計

系統所使用的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、電壓監測器、看門狗定時器和系統時鐘為一體，是真正獨立的片上系統的解決方案[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中集成了射頻收發模塊，這大大地節省了系統所耗費的資源。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，自帶了發送和接收FIFO。

芯片內置發送，接收，待機，睡眠4種模式，其中睡眠模式在文中系統中的低功耗設計中占據非常大的作用。

在發送數據時，數據信息是以包結構發送的，每發送一個包或接收到一個包的數據時，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進行配置，可以使系統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，而且保證不丟失數據包。

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

系統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 系統軟件設計

為了節省電池能量，必須降低常態模式下節點的電流消耗。對于簇頭路由節點來說，其主要任務就是喚醒感測器節點并把感測器節點采集的有效數據發送到管理節點上。因此在絕大多數時間按內，將節點的射頻通信模塊（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時，還應該將傳感器相關的模塊完全關斷，只有在感測器節點真正工作時，才把這些設備上電、初始化[6]。

簇頭路由節點本身處于低能耗 “Listen—Sleep--Listen”機制時要被管理節點喚醒，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、有效載荷為3個字節時，發送一個數據幀所耗時間約為21 ms。同理，只有使1003節點的偵測窗口開至50 ms時，才能保證兩個數據包的完整覆蓋。

簇頭節點的低能耗模式流程圖如圖5所示[7]。

圖5 簇頭路由節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，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，就繼續休眠。傳感器節點（1001節點）與簇頭路由節點的通信波特率是115.2 kbps，即傳感器節點每秒可以發送115 200個二進制位。經過試驗檢測，當前導碼為5個字節、有效載荷為26個字節時，發送一個數據幀所耗時間約為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點捕獲的到，系統中作此設計，正是增強通信魯棒性的考慮。節點低功耗代碼如下：

傳感器節點的低能耗模式流程圖如圖6所示。

圖6 傳感器節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

系統完成后進行了大規模的測試，采集數據完整率在95%以上，滿足目前糧庫對糧情系統的要求。用上位機軟件點擊測溫，系統就會按照設置以各倉位進行上傳數據，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。由于系統采用了低功耗設計，系統電池使用時間可達到3～5年，底層節點封裝在密封盒中，可以有效的防止熏蒸和蟲害的影響。相對于傳統的有線糧情監測系統來說，這也為系統的易于施工提供了極大的方便。對于現有的無線糧情系統，本系統擁有更遠的傳輸距離和系統使用壽命。系統可通過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測成為現實。

[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控系統中的應用[D].武漢:華中科技大學，2010.

[3]牛宇卿，師衛.基于433 MHz頻段的無線糧情監控系統的設計與實現[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.基于跨層優化的傳感器網絡MAC協議設計[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化[M].北京：電子工業出版社，2010.

[7]劉迪忻.無線傳感器網絡中基于時鐘漂移補償的時間同步技術[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.