基于Zigbee的無線糧情監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中測量節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

馮巧玲，鄭新華

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院 電氣信息學(xué)院，河南 鄭州 450002)

糧食儲藏的溫度和濕度是儲糧質(zhì)量的重要因素。特別是在現(xiàn)代糧食綠色保質(zhì)保鮮儲藏中，由于糧食水分的提高，糧堆濕度的準(zhǔn)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(shè)完善是必不可少的[1]。

1 問題分析

傳統(tǒng)的有線糧情監(jiān)控系統(tǒng)存在如下問題：(1)當(dāng)傳感器出現(xiàn)問題時，更換、維修困難[2]；(2)傳感器網(wǎng)絡(luò)一旦鋪設(shè)完畢，不能隨意增加傳感器節(jié)點(diǎn)；(3)有線電纜容易被掛斷。要解決這些問題，首先研究糧倉內(nèi)測量點(diǎn)的分布情況，糧倉中的檢測點(diǎn)一般呈三維矩陣分布，如圖1所示。傳統(tǒng)的有線檢測系統(tǒng)中，所有的沿高度方向分布的測量點(diǎn)之間由導(dǎo)線連接，如果儲糧期間測量點(diǎn)發(fā)生故障時，因無法取出，導(dǎo)致無法更換和維修。沿寬度方向分布的檢測點(diǎn)之間由導(dǎo)線相連，容易被掛斷[3]。由于傳感器節(jié)點(diǎn)是預(yù)埋設(shè)，并且系統(tǒng)的硬件資源所限，因而增加傳感器節(jié)點(diǎn)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(tǒng)有線監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題，并可消除測量點(diǎn)之間的電纜。為了在傳感器發(fā)生故障時，方便地進(jìn)行檢查、替換，傳感器必須具有良好的互換性，便于進(jìn)行故障檢查。同時必須有合適的物理屏障保護(hù)測量點(diǎn)，使其可以方便地插入并取出糧堆。因而設(shè)計(jì)思路制定為平面分離、上下貫通。即同一平面內(nèi)分布的各測量點(diǎn)之間互相獨(dú)立，互不相連。對于糧倉內(nèi)沿高度方向分布的測量點(diǎn)可使用空心硬桿(稱為測量桿)，在測量點(diǎn)的高度位置開孔，放置傳感器，檢測導(dǎo)線從測量桿內(nèi)穿過，匯聚到同一個控制器，該控制器可通過無線方式收發(fā)數(shù)據(jù)。在插入糧堆時，該控制器所在位置露出糧面上方，以實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的順利收發(fā)。在確定某測量桿上某高度位置的傳感器出現(xiàn)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(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的總體方案

在堆糧線6 m高的大平房倉庫，如果將測量點(diǎn)間距設(shè)置1.8 m，則每個測量桿上設(shè)置4個測量點(diǎn)就可滿足要求，這是傳感器節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)的依據(jù)之一。

無線通信采用Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)槠渚哂蟹桨负唵巍⒌凸?、低成本等特點(diǎn)。測量點(diǎn)陣列基本采用三維矩陣分布，為便于增設(shè)測量點(diǎn)，無線傳感器應(yīng)具有無線定位功能，該功能便于系統(tǒng)確定新增節(jié)點(diǎn)的位置。設(shè)計(jì)中選用TI公司的帶定位引擎CC2431 Zigbee片上系統(tǒng)，該芯片具有豐富的片上資源、超強(qiáng)的性能。它采用了基于接收信號強(qiáng)度定位算法，無線定位分辨率高達(dá)0.25 m，可構(gòu)成最大區(qū)域?yàn)?4 m×64 m的無線定位網(wǎng)[4]，并且芯片具有低功耗模式，便于系統(tǒng)節(jié)能。

溫濕度傳感器系統(tǒng)旨在對糧堆內(nèi)的溫度和濕度進(jìn)行檢測，而資料顯示，糧食在糧倉內(nèi)的儲藏時間一般是2年左右，因而選擇傳感器時，其長期穩(wěn)定性是必須要考慮的因素。另外，在無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)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(tài)功耗，測量狀態(tài)功耗僅3 mW，處于休眠狀態(tài)時，其功耗僅為 2 μW(供電電壓3.3 V)[5]。

3.1 節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案

測量桿內(nèi)的Zigbee芯片具有無線通信功能，對應(yīng)于無線通信網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點(diǎn)(稱為測量節(jié)點(diǎn))。為使測量桿具有良好的移動性，則測量節(jié)點(diǎn)必須使用電池供電，因而必須考慮系統(tǒng)的節(jié)能。但所有的無線數(shù)據(jù)的順利傳送必須要有確定的路由，普通的測量節(jié)點(diǎn)不適合承擔(dān)這樣的任務(wù)。系統(tǒng)中的無線節(jié)點(diǎn)分為兩類：(1)測量節(jié)點(diǎn)，只定時采集溫濕度數(shù)據(jù)并向監(jiān)控中心無線發(fā)送，不為其他的傳感器節(jié)點(diǎn)提供路由，可最大限度節(jié)約能量。(2)路由節(jié)點(diǎn)，為傳感器節(jié)點(diǎn)提供路由服務(wù)，并采集糧倉內(nèi)環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)。根據(jù)路由節(jié)點(diǎn)的任務(wù)分配，該類節(jié)點(diǎn)必須一直處于工作狀態(tài)，因而由統(tǒng)一的直流電源供電。

所有的路由節(jié)點(diǎn)在糧線以上沿糧倉長度方向安裝，根據(jù)糧倉長度，路由節(jié)點(diǎn)數(shù)量可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)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(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)保持在大約同等高度。

3.2 系統(tǒng)整體構(gòu)成方案

系統(tǒng)工作時，所有的測量節(jié)點(diǎn)可讀取傳感器數(shù)據(jù)，通過路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器通過RS-232串口將數(shù)據(jù)送到PC機(jī)進(jìn)行分析、處理和顯示。各糧倉PC機(jī)收集的數(shù)據(jù)通過CAN總線匯總到監(jiān)控主機(jī)，如圖2所示。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

4 測量節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

4.1 傳感器接口設(shè)計(jì)

測量節(jié)點(diǎn)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(tǒng)一采用3.3 V電源供電。傳感器SHT11采用二線制數(shù)字接口，其中DATA端為數(shù)據(jù)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(jìn)行區(qū)分。在傳感器出現(xiàn)故障時，可以方便地對出現(xiàn)故障的傳感器進(jìn)行定位。

圖3 CC2431與傳感器SHT11的接口設(shè)計(jì)

4.2 主程序工作流程圖

測量節(jié)點(diǎn)工作的主程序流程如圖4所示。當(dāng)測量節(jié)點(diǎn)上電后，首先完成系統(tǒng)的初始化，并檢查無線網(wǎng)絡(luò)是否存在，如果網(wǎng)絡(luò)存在就進(jìn)入正常的工作流程。當(dāng)超過一定時間仍檢查不到無線網(wǎng)絡(luò)時，就進(jìn)入節(jié)能模式，以最大限度地節(jié)約系統(tǒng)電能。只有當(dāng)按鍵按下，給CPU提供外部中斷，CPU才被喚醒，程序從斷點(diǎn)開始重新檢查無線網(wǎng)絡(luò)是否準(zhǔn)備好。當(dāng)測量節(jié)點(diǎn)完成網(wǎng)絡(luò)初始化，得到節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的編號之后，可進(jìn)入正常的測量周期。由于糧堆內(nèi)溫濕度變化緩慢，不需要進(jìn)行連續(xù)檢測，因此測量完成之后，系統(tǒng)進(jìn)入節(jié)能模式。只有當(dāng)間隔時間到時，由內(nèi)部時鐘喚醒CPU，再進(jìn)入下一輪的測量周期。

圖4 檢測節(jié)點(diǎn)主程序工作流程圖

4.3 數(shù)據(jù)平滑處理

由于各種干擾因素的存在，可能會使單次檢測數(shù)據(jù)出現(xiàn)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(shù)據(jù)讀取5次，按數(shù)值大小進(jìn)行排序后，取中間的3個數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均，并將其結(jié)果作為最終的檢測數(shù)據(jù)向監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行無線發(fā)送。

4.4 節(jié)點(diǎn)定位

CC2431采用了基于接收信號強(qiáng)度定位算法。其原理為：假設(shè)已知某節(jié)點(diǎn)位置信息(Xi，Yi)和無線發(fā)射的信號強(qiáng)度RSSIi，則接收節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)其接收到的該節(jié)點(diǎn)的信號強(qiáng)度RSSIi計(jì)算出信號的傳播損耗，然后根據(jù)信號傳播理論和信道經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算出節(jié)點(diǎn)之間的距離。通過測量接收節(jié)點(diǎn)與3個已知節(jié)點(diǎn)之間的距離，可以利用三邊測量法或者三角測量法計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置。該節(jié)點(diǎn)定位算法需要多(3～16)個參考節(jié)點(diǎn)，參考節(jié)點(diǎn)越多，定位越準(zhǔn)確。從CC2431的測量原理可以看出，對節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)全部處于同一平面內(nèi)，當(dāng)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(shí)際使用中各測量節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)應(yīng)布置在同一平面內(nèi)，以減小測量誤差。

本設(shè)計(jì)主要對測量節(jié)點(diǎn)的電路功能進(jìn)行了設(shè)計(jì)，使用中必須要結(jié)合實(shí)際對測量桿的外形進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，使得測量桿容易打開，以便發(fā)生故障時對其內(nèi)部進(jìn)行維修和元件更換。測量桿必須有足夠的強(qiáng)度并且可以變形，以方便實(shí)現(xiàn)在糧堆上的插拔操作，實(shí)現(xiàn)對內(nèi)部電路的保護(hù)。

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

[2]李海煌，于麗偉.現(xiàn)代糧情檢測技術(shù)簡析與建議[J].哈爾濱市經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院學(xué)報(bào)，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(yīng)用中存在的問題[J].倉儲技術(shù)，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.