超低功耗糧倉(cāng)無線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)在糧庫(kù)溫度智能監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，采用電線電纜傳輸數(shù)據(jù)的不便以及目前無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)壽命短的問題，利用MSP430超低功耗單片機(jī)設(shè)計(jì)了超低功耗無線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)?；诔凸脑O(shè)計(jì)了系統(tǒng)的整體框架以及各模塊硬件，其中包括節(jié)點(diǎn)、溫度傳感器模塊、無線通信模塊、通信協(xié)議、桌面實(shí)時(shí)顯示程序，通信協(xié)議解決了多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)介入時(shí)的碰撞問題并設(shè)計(jì)了節(jié)能算法。最后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性以及節(jié)點(diǎn)的使用壽命進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，經(jīng)過試驗(yàn)的檢驗(yàn)本系統(tǒng)具有超低功耗的特點(diǎn)，基本滿足超低功耗糧倉(cāng)無線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。
關(guān)鍵詞：超低功耗；MSP430；硬件；節(jié)能；試驗(yàn)驗(yàn)證

0 引言
    溫度對(duì)糧食的存放起著至關(guān)重要的作用，國(guó)家糧食法規(guī)定，必須定期抽樣檢查糧庫(kù)各點(diǎn)的溫度，以便及時(shí)采取相應(yīng)的措施保證糧食的安全。但我國(guó)大部分糧庫(kù)采用人工的方式進(jìn)行糧庫(kù)溫度測(cè)量，這樣不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且不能做到對(duì)糧食溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，導(dǎo)致我國(guó)每年都會(huì)有大面積糧食變質(zhì)現(xiàn)象的發(fā)生。
    近年來，我國(guó)的科研人員開發(fā)了一些無線傳感網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)系統(tǒng)，它們有的采用ARM+ZigBee，還有的采用Atmega128L+ZigBee。但是從功耗和成本以及糧倉(cāng)環(huán)境的復(fù)雜程度多方面考慮，本文利用MSP430+nRF905設(shè)計(jì)了基于改進(jìn)的TDMA通信協(xié)議的超低功耗無線傳感網(wǎng)絡(luò)。此系統(tǒng)具有成本低、超低功耗的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)糧庫(kù)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    為了實(shí)現(xiàn)超低功耗的設(shè)計(jì)應(yīng)從硬件和軟件兩方面同時(shí)進(jìn)行，硬件電路的設(shè)計(jì)盡量采用低功耗器件，減少電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度；軟件方面讓不工作的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)，程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)練、減少循環(huán)。
1．1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
    本系統(tǒng)由傳感節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、管理平臺(tái)三部分構(gòu)成。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示，傳感節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)完成糧庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)溫度的采集和處理，并通過無線傳感器與匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)之間數(shù)據(jù)的交換，實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，它發(fā)布管理節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)任務(wù)，并把收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到管理平臺(tái)上。管理平臺(tái)主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)、管理及采集溫度的實(shí)時(shí)顯示，以及對(duì)歷史采集數(shù)據(jù)的查看。

1．2 節(jié)點(diǎn)硬件的設(shè)計(jì)
    傳感節(jié)點(diǎn)主要由處理器模塊、傳感器模塊、無線通信模塊、電源模塊組成。圖2為傳感節(jié)點(diǎn)組成框圖。

    處理器模塊是傳感節(jié)點(diǎn)核心模塊，負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、執(zhí)行通信協(xié)議和節(jié)點(diǎn)調(diào)度管理工作等。傳感器模塊負(fù)責(zé)感知數(shù)據(jù)。無線通信模塊負(fù)責(zé)完成無線通信任務(wù)，是傳感器節(jié)點(diǎn)中最主要的耗能模塊。電源模塊是所有電子系統(tǒng)的基礎(chǔ)，考慮到節(jié)點(diǎn)使用的壽命、成本、體積和設(shè)計(jì)復(fù)雜程度，電源模塊的設(shè)計(jì)采用原電池。
1．2．1 處理器的選擇
    基于本系統(tǒng)只需進(jìn)行低速數(shù)據(jù)處理且硬件設(shè)計(jì)以簡(jiǎn)單為宜，所以不需使用功能強(qiáng)大價(jià)位較高的ARM處理器，處理器模塊選用價(jià)位較低的TI公司的16 b超低功耗MSP430F149，該芯片具有5種低功耗工作模式，休眠時(shí)電流為只有0．1μA。片內(nèi)集成60KB+256 B的FLASH，2 KB的RAM，完全可以勝任無線溫度檢測(cè)系統(tǒng)溫度。
1．2．2 無線通信模塊的設(shè)計(jì)
    無線通信模塊采用挪威Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發(fā)器nRF905。工作電壓為1．9～3．6 V，32引腳QFN封裝(5 mm×5 mm)，工作于433／868／915 MHz三個(gè)ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué))頻道，頻道之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于650μs。nRF905由頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器組成，不需外加聲表濾波器，ShockBurstTM工作模式，自動(dòng)處理字頭和CRC(循環(huán)冗余碼校驗(yàn))，使用SPI接口與微控制器通信，配置非常方便。此外，其功耗非常低，以-10 dBm的輸出功率發(fā)射時(shí)電流只有11 mA，工作于接收模式時(shí)的電流為12．5 mA，內(nèi)建空閑模式與關(guān)機(jī)模式，易于實(shí)現(xiàn)節(jié)能。電路圖設(shè)計(jì)如圖3所示。

1．2．3 傳感器模塊的設(shè)計(jì)
    傳感器模塊采用美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器芯片封裝而成，具有耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域。它的工作電源為3～5 V DC，測(cè)溫范圍為-55～+125℃，固有測(cè)溫分辨率0．5℃。采用獨(dú)特的單線接口方式，在與微處理器連接時(shí)僅需要一條接口線即可實(shí)現(xiàn)與DS18B20的雙向通信。支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫。在使用中不需要任何外圍元件。
1．3 通信協(xié)議的設(shè)計(jì)
    通信協(xié)議的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到節(jié)點(diǎn)壽命，它決定節(jié)點(diǎn)工作與休眠時(shí)間的長(zhǎng)短。雖然改進(jìn)的ESRP方案網(wǎng)絡(luò)的生存周期較長(zhǎng)，但是考慮到糧倉(cāng)中分布的傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)目相對(duì)較少，以及并不需要頻繁進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信。文獻(xiàn)針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議進(jìn)行了詳細(xì)研究得出結(jié)論，單路徑路由協(xié)議簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)通信量少，有利于節(jié)省節(jié)點(diǎn)能量，但是其容錯(cuò)性差和健壯性差。所以放棄以上方案。
    本文系統(tǒng)對(duì)單路徑路由協(xié)議在TDMA的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，克服了容錯(cuò)性差的缺點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)設(shè)定為1 h進(jìn)行一次溫度采集及數(shù)據(jù)傳輸，把時(shí)間分成60個(gè)離散時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)度為1 min，這樣每個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于每個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信時(shí)間，不同節(jié)點(diǎn)設(shè)定在不同時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)，在程序設(shè)計(jì)時(shí)人為設(shè)定好節(jié)點(diǎn)的休眠時(shí)間，等到它的工作時(shí)隙時(shí)喚醒，其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠，1 min后進(jìn)入休眠，另一個(gè)節(jié)點(diǎn)被喚醒。這樣充分避開了同一時(shí)隙多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)的發(fā)生。
    該通信協(xié)議解決了數(shù)據(jù)傳送過程中出現(xiàn)多個(gè)節(jié)點(diǎn)響應(yīng)的問題。在系統(tǒng)開始工作前，匯聚節(jié)點(diǎn)先發(fā)送一個(gè)同步信號(hào)，使所有的節(jié)點(diǎn)時(shí)隙同步，在節(jié)點(diǎn)不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)，解決了接收不必要的數(shù)據(jù)過度監(jiān)聽造成能量過度消耗的問題，充分避免沖突，提高了信道的利用率以及節(jié)點(diǎn)的使用壽命，通信協(xié)議在一個(gè)節(jié)點(diǎn)中的實(shí)現(xiàn)程序如下：
   
1．4 桌面管理程序的設(shè)計(jì)
    在VC++6．0中編寫桌面實(shí)時(shí)顯示程序。本程序能夠?qū)崟r(shí)的顯示節(jié)點(diǎn)溫度，并且可以切換節(jié)點(diǎn)溫度顯示，以及對(duì)溫度歷史記錄的查看。圖4為工作在室內(nèi)環(huán)境時(shí)顯示結(jié)果。

2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)
2．1 數(shù)據(jù)可靠性驗(yàn)證
    實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括5個(gè)電子溫度計(jì)，5個(gè)具備無線收發(fā)功能的節(jié)點(diǎn)，1個(gè)具備無線收發(fā)功能且具有串口通信功能的匯聚節(jié)點(diǎn)以及1臺(tái)運(yùn)行有數(shù)據(jù)采集管理軟件的PC機(jī)。將5個(gè)節(jié)點(diǎn)置于室內(nèi)不同位置，兩兩之間距離大于10 m，并在每個(gè)節(jié)點(diǎn)旁邊放置1個(gè)電子溫度計(jì)。啟動(dòng)設(shè)備并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。
    因?yàn)镈S18bB20的測(cè)量精度為0．5℃，而且電子溫度計(jì)本身的測(cè)量值與實(shí)際的室溫有一定偏差，而且在糧倉(cāng)中只要不出現(xiàn)較大的溫度偏差是可以接受的，所以可以認(rèn)為這個(gè)系統(tǒng)測(cè)量的數(shù)據(jù)是可靠的。
2．2 電池續(xù)航能力驗(yàn)證
    為驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)能夠正常工作的時(shí)間，設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括5個(gè)具備無線收發(fā)功能的傳感器節(jié)點(diǎn)，一個(gè)具備無線收發(fā)功能且具有串口通信功能的匯聚節(jié)點(diǎn)以及一臺(tái)運(yùn)行有數(shù)據(jù)采集管理軟件的PC機(jī)。為每個(gè)節(jié)點(diǎn)提供9 V的電池供電，將三個(gè)節(jié)點(diǎn)放到室內(nèi)不同的位置，兩兩之間距離大于10 m，運(yùn)行系統(tǒng)，設(shè)定傳感器節(jié)點(diǎn)每分鐘進(jìn)行一次溫度測(cè)量并進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。
    系統(tǒng)開始工作后，記錄經(jīng)測(cè)量這五個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度采集次數(shù)如表2所示。

    從表中可以得到雖然節(jié)點(diǎn)在電池組電壓只有4 V的時(shí)候停止工作，但是節(jié)點(diǎn)的平均工作時(shí)間仍然達(dá)到4 564．8次，如果忽略節(jié)點(diǎn)處于休眠期間的能量損耗，延長(zhǎng)溫度采集間隔及每小時(shí)進(jìn)行一次溫度采集，平均工作時(shí)間將為190．2天。

3 結(jié)論
    本文通過分析當(dāng)前有線網(wǎng)絡(luò)傳輸在糧倉(cāng)溫度監(jiān)測(cè)領(lǐng)域存在的問題，設(shè)計(jì)了用于糧倉(cāng)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的超低功耗無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其中包括節(jié)點(diǎn)、溫度傳感器模塊、無線通信模塊以及通信協(xié)議的超低功耗設(shè)計(jì)。最后對(duì)傳感節(jié)點(diǎn)做了驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明傳感節(jié)點(diǎn)符合糧倉(cāng)實(shí)時(shí)無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，具有使用采集信息可靠性高、超低功耗工作的特點(diǎn)。
    雖然這個(gè)無線傳感實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)的要求，但是還是存在一些問題，只適應(yīng)于傳感器節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)小于60的糧倉(cāng)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目大于60個(gè)時(shí)，需要改變時(shí)隙的長(zhǎng)度，并且節(jié)點(diǎn)有可能處于通信范圍外圍或邊緣，影響通信質(zhì)量，當(dāng)出現(xiàn)上述情況的時(shí)候就需要設(shè)置中繼節(jié)點(diǎn)并對(duì)通信協(xié)議進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷摹?/p>