基于WSN的白酒發酵溫度監測系統設計

章 力，徐保國

（江南大學 物聯網工程學院，無錫 214122）

隨著傳感器技術、嵌入式計算機技術和無線通信技術的高速發展，孕育出了無線傳感器網絡WSN，并以距離近、低成本、低功耗、自組織和分布式的特點，使其逐漸從理論研究轉到現實應用。白酒發酵溫度監測就是一個典型的應用。

目前在酒廠信息化方面，對于白酒發酵溫度采集方法的研究很多，但都未從根本上同時解決測量位置、測量時間的精確性以及減少勞動強度的問題。據調查，國內酒廠獲得窖池發酵溫度普遍采用人工操作儀表和有線自動測量兩種方式。這兩種方式存在以下缺點[1]：（1）測量時間和位置精度無法保證，效率低和浪費勞力；（2）布線成本高，易造成工業現場布線混亂；（3）可維護性，可擴展性差。因此，本文提出以無線傳感器網絡為基礎構建白酒發酵溫度監測系統，通過無線傳感器采集發送溫度數據，并對數據分析和處理，實現對窖池發酵溫度的有效監測。

1 系統總體方案設計

如圖1所示，窖池發酵溫度監測系統主要有3層結構[2]：底層為監測層，包含多個測溫節點，測溫節點放置在窖池中，采集并發送溫度信息；中間層是路由節點，實現對本組無線傳感器網絡的管理，并將匯聚的數據傳輸給上位機及接收來自上位機的命令；頂層為上位機，負責存儲、分析溫度數據及發送操作命令。系統上位機和酒廠生物研究中心通過光纖通信以便遠程監控。

圖1 系統結構模型Fig.1 System structure model

2 系統硬件設計

2.1 硬件模塊化設計

系統硬件設計工作主要集中于路由節點和測溫節點。兩類節點采用模塊化設計，主要包括傳感器模塊、微控制器模塊、電源模塊、無線射頻收發模塊和串口通信模塊等。為了保證節點的通用性和降低設計成本，兩類節點相同功能模塊均采用了一致的硬件電路設計。鑒于各個模塊均以主流硬件芯片為主體構成，因此本文將不再重復性介紹各模塊的標準電路。

（1）傳感器模塊：溫度傳感器選用PT100鉑熱電阻作為感溫元件，它的阻值隨著溫度的變化而改變。

（2）微控制器模塊：模塊采用的核心芯片是意法半導體公司（ST）的STM8L152C6T6單片機，它是該公司推出的首個基于STM8內核的超低功耗8位微控制器。具有高達32 KB的閃存，1 KB的數據E2PROM，并有5種低功耗模式，豐富的片內外圍模塊，靈活的時鐘系統等諸多優點[3]。STM8L可在1.8 V～3.6 V低電壓下工作，系統采用3.3 V工作電壓。

（3）無線射頻收發模塊[4]：由 Silicon Labs公司生產的Si4432芯片及其外圍電路組成的。Si4432是一款高級陳度、低功耗、多頻段的EZRadioPRO系列無線收發芯片。其工作電壓為1.9 V～3.6 V，接收靈敏度達到-117 dB，可提供極佳的鏈路質量且工作在240～960 MHz頻段內，不加功率放大器時的最大輸出功率就可達到+20 dBm。系統利用該芯片具有功耗低、可選頻通信和功率可調的優點，內建空閑模式與掉電模式，對該模塊設計實現了4種工作狀態：發送、接收、空閑和休眠。鑒于空閑狀態與接收狀態的功耗同處于較高數量級，因此在設計中采用了動態定時和應答機制，在保證傳輸的前提下，盡量讓芯片處于休眠狀態。根據系統應用環境差異，調整功率實現通信能力（距離）的改變，避免不必要的能量開銷。

（4）串口通信模塊：模塊采用的是SP485核心芯片，是一款低功耗半雙工RS485收發器。選擇RS485總線的方式進行通信，主要考慮到酒廠要求通信距離遠、抗干擾能力強，且可搭載多個路由節點構成DCS系統。

2.2 測溫節點設計

測溫節點硬件結構[5-6]如圖2所示，主要由傳感器模塊、微控制器模塊、無線射頻模塊和電源模塊構成。溫度傳感器PT100輸出的溫度信號經過運放電路后接至STM8L單片機具有A/D轉換功能的引腳上。

圖2 測溫節點結構框圖Fig.2 Structure diagram of temperature measurement node

2.3 路由節點設計

路由節點主要包括串口通信模塊、微控制器模塊、無線射頻模塊和電源模塊。硬件結構如圖3所示。單片機和射頻模塊之間通過SPI接口連接，單片機通過RS485串口與PC機通信。鑒于路由節點射頻收發頻率較高，且位置固定不變，因此采用電源適配器供電。

圖3 路由節點結構框圖Fig.3 Structure diagram of routing node

2.4 GSM通信模塊設計

GSM模塊采用SIM300，是SIMCOM公司推出的GSM/GPRS三頻/四頻模式，集成了完整的射頻電路和GSM基帶處理器，內嵌TCP/IP協議棧，適合開發無線應用產品。系統上位機將相關信息通過RS-232傳送到SIM300模塊，再由SIM300以短信息發送到用戶手機客戶端。

3 系統軟件設計

3.1 基于類ZMac協議的無線通信協議設計

通信協議是通信雙方為實現信息交換而制定的規則，通信協議設計是軟件設計的重點，也是通信可靠性的保證，由于無線收發模塊的特性，通信可能在發射端和接收端受到外界的干擾而使數據發生錯誤，需要可靠的通信協議來保證接收端接收正確的數據。整個無線傳感器網絡基于類ZMac協議的無線收發模式，相比于傳統復雜的Zigbee協議棧，其組網靈活、節能效果顯著，其通信協議格式如圖4所示。

圖4 通信協議格式Fig.4 Communication protocol format

其中，Preamble為前導碼，是一連串的10101010，其作用是用來同步通信節點的時鐘，決定何時進行數據包傳輸。Sync Word為同步字，要用設定好的同步字來作為同步模式的標志碼，作為接收雙方判斷數據幀是否有效的標志，本系統設定同步字為2個字節，同步字內容為0x2DD4，接收端在檢測到同步字后才開始接收數據。Packet Length為包長，Payload為有效數據載荷，由用戶填入的要發送的實際通信數據。CRC為循環冗余校驗碼。Si4432內部集成有調制/解調、編碼/解碼等功能，發送時把數據包格式中的 Preamble、Sync Word、Packet Length和CRC由硬件自動加載到相應的寄存器中，用戶只需設定數據包的組成結構和部分結構的具體內容。

3.2 節點軟件設計

節點軟件程序的開發平臺是IAR Embedded Workbench for STM8，開發語言為C語言。對于整個無線網絡的搭建，路由節點和測溫節點的無線收發程序設計是關鍵。兩類節點程序流程圖如圖5和圖6所示。

圖5 測溫節點程序流程圖Fig.5 Program flow chart of temperature measurement node

圖6 路由節點程序流程圖Fig.6 Program flow chart of routing node

根據組網要求，兩類節點軟件系統啟動后，都將首先進行包括射頻模塊在內的初始化過程，開始測溫節點并未進入休眠狀態，等到第一輪數據采集發送過后，上位機則廣播休眠命令，讓所有測溫節點進入定時休眠狀態，接著上位機開始計時，休眠時間溢出后，測溫節點進入接收狀態，等待上位機的操作命令。路由節點在此過程中不僅要對射頻模塊接收到的數據進行融合處理，還要負責將來自上位機的每個操作命令轉發給測溫節點。

3.3 GSM模塊的軟件設計

本設計借助LabVIEW平臺實現PC機與GSM模塊的通信，采用Text模式進行短信的收發，實現酒廠生物研究中心對車間窖池的實時遠程監護。系統中使用到的短信AT命令簡介如下[7]：AT+CMGF=1，選擇發送方式，1表示選擇TEXT文本方式，設置成功后返回 OK。 AT+CNMI=2，1，，2表示通知TE，在數據線被占用的情況下，先緩沖起來，待數據線空閑，再行通知，1表示存儲到默認的內存位置，并向TE發出通知，設置成功后返回OK。AT+CMGS為發送短信命令，命令格式為AT+CMGS=電話號碼，當GSM模塊返回“>”提示符后，PC機將要發送的內容寫入到數據緩沖區，然后發送到指定的號碼，短信發送成功返回OK。

3.4 上位機軟件設計

上位機軟件采用VC++進行編程，使用SQL2005數據庫存儲、管理數據，并用虛擬儀器LabVIEW2010實現人機交互界面[8]。上位機軟件主要實現以下功能：

（1）向節點發送各種操作指令。

（2）數據存儲和查詢功能。

（3）將路由節點傳輸來的數據進行分析并以圖表曲線等形式實時顯示。

本系統上位機監控界面是用LabVIEW軟件編寫實現。

4 結語

本文設計并實現了一種基于無線傳感器網絡的白酒窖池發酵溫度監控系統，成功應用于甘肅金徽酒廠，該系統極大地減輕了工作人員的工作強度，測溫間隔時間準確，測溫精度高，并且對于推進我國白酒窖池發酵過程信息化的發展存在重要影響。

本設計的特點和優勢體現在：基于無線傳感器網絡技術，采用功耗極低的硬件設備，將采集到的溫度數據準確地傳輸到上位機。系統運用RS485總線協議和VC++編程實現上位機和下位機的通信，并利用LabVIEW SQL Toolkit和SQL語句實現了對SQL Server數據庫的復雜訪問，最后將溫度數據以圖表曲線的形式呈現給用戶。此系統在酒廠生產應用中具有廣闊的發展前景。

[1] 趙殿臣，翟順，王衛紅，等.基于ZigBee的白酒廠無線窖池測溫裝置[J].釀酒科技，2011（7）：60-63.

[2] 馬明，徐保國.基于無線傳感器網絡的多點位物體流量監測系統的應用[J].傳感器與微系統，2012，31（7）：149-152.

[3] STMicroelectronics.STM8L15x microcontroller family reference manual[R].Switzerland：STMicroelectronics，2010.

[4] 郭亮.基于Si4432的無線射頻收發系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2009（11）：38-41.

[5] 宗學軍，宋國庫，陳斌，等.基于無線傳感器網絡的樓宇環境監測系統設計[J].自動化與儀表，2011，26（4）：96-99.

[6] 鄒志勇，周曼.基于ZigBee技術學生宿舍檢測系統設計[J].自動化與儀表，2012，27（10）：25-28.

[7] 董宇，楊強，顏文俊.基于nRF905和GPRS的智能家居用電監測系統[J].電子技術應用，2012，38（9）：78-81.

[8] 阮奇楨.我和LabVIEW：一個NI工程師的十年編程經驗[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.■