基于无线传感器网络的粮情监测系统的设计与实现

摘要：粮食安全一直是人民生活重点关注的话题，在粮食的储备过程中，对粮食的温湿度以及虫害等的监测是保持粮食安全的重要措施。文中设计了一个通过采用Sub-G Hz频段和CDMA技术进行融合的粮情监测系统，系统将物联网与互联网联合起来，将采集到的数据通过CDMA网络传输到远端的PC上，然后通过上位机对数据分析后进行相应的处理，从而实现对粮食远程的监测与控制。该系统具有传输距离远、成本低和低功耗等特点，具有良好的应用前景。
关键词：无线传感器网络；粮情监测系统；CDMA；Sub-G

    在粮情监测领域，数据采集大多是由分布在广阔领域里的传感器网络进行的，一般来说数据源是离粮情监测系统的终端相对较远的。基于这个原因，传统的粮情监测系统大多是有线系统，这大大增加了工作人员进行施工的难度。而且有线系统还有着布线困难、易遭雷击等特点。无线传感器网络是由位于底层的传感器节点采集信息后通过无线网络进行向上级节点传送信息，最终到达总节点的自组网络系统。无线传感器网络以其低成本、低功耗、系统易于安装等优点，不仅解决了有线粮情监测系统所固有的易于被雷击、安装成本高等问题，同时更因其较低功耗解决了有线系统随时通电的要求，符合当前国家提出的节能减排的口号。目前国内外的粮情监测系统大多为有线的粮情系统，在应用过程中经常会出现雷击、线路人为破坏等问题，而且布线非常的困难，造成人力资源的浪费。现有的无线粮情系统也普遍具有传输距离近，功耗较大，续航能力差等缺点，需要经常性的更换电池。
    文中设计和实现了一个主要针对粮库的无线粮情监测系统，系统采用了Sub-G频段中的433．33 MHz进行无线通信，通过无线传感器网络进行采集信息，并通过CDMA模块进行远距离传输，具有了低功耗和远距离监控等特点。系统节点睡眠模式下电流为2～3μA，两节5号电池可保证节点工作3年以上。

1 系统整体架构
    整个系统分为主节点1003-D，分节点1003，传感器节点(由测量温湿度的节点1002和测温节点1001组成)3种类型。1002节点连接着温湿度传感器，温湿度传感器由测量温度的热敏电阻和测量湿度的霍尼韦尔湿度传感器HIH4000组成。1001节点连接有数字温度传感器DS18b20。每个粮仓带有一个分节点1003。一个分节点1003下属一个1002节点和若干个1001节点。主节点1003-D下属一个1002节点作为外温外湿。系统框图如图1所示。

    传感器节点将采集到的温湿度数据通过尤线通信的方式传到分节点1003，每个分节点1003将收到的信息发送到主节点1003-D，1003-D通过串口将数据传送到CDMA模块，由CDMA网络将数据传送到远端的PC机上。底层节点1001和1002都有自己的专属ID，以便上位机进行区分温度节点。1003节点也被赋予了自己的ID，平常所有的节点大部分时间都在睡眠模式，当上位机对某一个仓发送采集命令时，命令通过CDMA网络传送到1003-D节点上，然后1003-D节点向下一层节点1003发送唤醒命令，相应的1003被唤醒后开始发送唤醒其所属的1001和1002节点的命令，传感器节点1001和1002采集数据后然后向上一级节点传送，最后通过1003-D经CDMA网络传到上位机，由上位机软件进行分析与处理。

2 系统硬件设计
    系统所使用的MCU是silicon labs公司生产的Si1000芯片，Si1000器件是完全集成的低功耗混合信号片上系统型MCU，它集成了8051单片机内核和射频芯片为一体，具有4 k的片内RAM和64 k的FLASH。Si1000芯片集上电复位、电压监测器、看门狗定时器和系统时钟为一体，是真正独立的片上系统的解决方案。Si1000的频率使用范围是240～960 MHz，接收灵敏度最高可达-121 dBm，输出功率是+20 dBm，它内置了天线多样性，并且支持跳频技术。另外，Si1000芯片为了提高性能，对CIP-51核和外围器件做了关键性的增强。在CIP-51核的基础上，Si1000的扩展中断源提供了双中断源，允许众多的模拟的和数字的外部设备去中断控制器。Si1000包含着包括上电复位、看门狗定时器在内的8个复位源。每个复位源除了用来上电复位、复位输入引脚和Flash错误外，可以通过软件编程关闭。在供电方面，Si1000的工作电流一般稳定在5 mA左右，在睡眠模式下，它的电流为2μA。
    MCU与外部设备的连接图如图2所示。

    Si1000中集成了射频收发模块，这大大地节省了系统所耗费的资源。它的可使用的频率范围为240～960 MHz，输出功率已达+20 dBm，接收灵敏度达到-121 dBm，自带了发送和接收FIFO。
    芯片内置发送，接收，待机，睡眠4种模式，其中睡眠模式在文中系统中的低功耗设计中占据非常大的作用。
    在发送数据时，数据信息是以包结构发送的，每发送一个包或接收到一个包的数据时，芯片会以中断信号的方式通知MCU进行处理，通过在软件中对射频模块的的各个参数进行配置，可以使系统达到一个理想的通信效果。在实际通信中，经过实验，视距效果下可以达到2．5公里的通信距离，而且保证不丢失数据包。

    系统CDMA模块选用的是Anydata公司生产的DTM518C。该模块支持CDMA 800频段EVDO Rev A；超低的功耗电流(待机<1．5 mA／关机<10μA ／最大工作电流<580 mA)；工作温度范围为-35～+75℃；电源电压范围为3．3～4．2 V。单片机选用的是PIC18F14j11单片机，它是一种引脚低功耗，高性能的单片机，最大容许输出电压为5．5 V，工作电压范同是2．0～3．6 V。

3 系统软件设计
    为了节省电池能量，必须降低常态模式下节点的电流消耗。对于簇头路由节点来说，其主要仟务就是唤醒感测器节点并把感测器节点采集的有效数据发送到管理节点上。因此在绝大多数时间按内，将节点的射频通信模块(RF)和微控制器模块(MCU)置于最低能耗的休眠模式是非常必要的；对于传感器节点来说，除了射频通信模块和微控制器模块，还带有传感器装置，以及为传感器装置提供能量的电源调理模块。在RF与MCU模块处于极低能耗的休眠状态时，还应该将传感器相关的模块完全关断，只有在感测器节点真正工作时，才把这些设备上电、初始化。
    簇头路由节点本身处于低能耗“Listen-Sleep-Listen”机制时要被管理节点唤醒，因此采用的是4．8 kbps的波特率进行通信。经过试验证明，当前导码为5个字节、有效载荷为3个字节时，发送一个数据帧所耗时间约为21 ms。同理，只有使1003节点的侦测窗口开至50 ms时，才能保证两个数据包的完整覆盖。
    簇头节点的低能耗模式流程图如图5所示。

    传感器节点的工作周期设定为5 s，5 s中的4．995 s处于低能耗的休眠状态，剩余的5 ms侦听信道0，如果有自己的唤醒命令，就不再休眠，如果没有，就继续休眠。传感器节点(1001节点)与簇头路由节点的通信波特率是115．2 kbps，即传感器节点每秒可以发送115 200个二进制位。经过试验检测，当前导码为5个字节、有效载荷为26个字节时，发送一个数据帧所耗时间约为1．83 ms。当侦听窗口为5 ms时，至少可以保证有两个唤醒命令帧被传感器节点捕获的到，系统中作此设计，正是增强通信鲁棒性的考虑。节点低功耗代码如下：
   

    传感器节点的低能耗模式流程图如图6所示。

4 实验应用
    系统完成后进行了大规模的测试，采集数据完整率在95％以上，满足目前粮库对粮情系统的要求。用上位机软件点击测温，系统就会按照设置以各仓位进行上传数据，经过上位机软件进行处理。收到的粮食温度如图7所示。

5 结论
    文中设计的系统依靠电池供电，具有低功耗，成本低，使用时间长等特点，能够及时的回传采集到的粮食温湿度信息，具有较好地通信距离。由于系统采用了低功耗设计，系统电池使用时间可达到3～5年，底层节点封装在密封盒中，可以有效的防止熏蒸和虫害的影响。相对于传统的有线粮情监测系统来说，这也为系统的易于施工提供了极大的方便。对于现有的无线粮情系统，本系统拥有更远的传输距离和系统使用寿命。系统可通过CDMA模块将采集到的信息进行远距离传输，这使工作人员进行超远距离的进行粮情监测成为现实。