基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的糧情監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：糧食安全一直是人民生活重點關(guān)注的話題，在糧食的儲備過程中，對糧食的溫濕度以及蟲害等的監(jiān)測是保持糧食安全的重要措施。文中設(shè)計了一個通過采用Sub-G Hz頻段和CDMA技術(shù)進(jìn)行融合的糧情監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)合起來，將采集到的數(shù)據(jù)通過CDMA網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的PC上，然后通過上位機對數(shù)據(jù)分析后進(jìn)行相應(yīng)的處理，從而實現(xiàn)對糧食遠(yuǎn)程的監(jiān)測與控制。該系統(tǒng)具有傳輸距離遠(yuǎn)、成本低和低功耗等特點，具有良好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；糧情監(jiān)測系統(tǒng)；CDMA；Sub-G

在糧情監(jiān)測領(lǐng)域，數(shù)據(jù)采集大多是由分布在廣闊領(lǐng)域里的傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的，一般來說數(shù)據(jù)源是離糧情監(jiān)測系統(tǒng)的終端相對較遠(yuǎn)的。基于這個原因，傳統(tǒng)的糧情監(jiān)測系統(tǒng)大多是有線系統(tǒng)，這大大增加了工作人員進(jìn)行施工的難度。而且有線系統(tǒng)還有著布線困難、易遭雷擊等特點。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由位于底層的傳感器節(jié)點采集信息后通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行向上級節(jié)點傳送信息，最終到達(dá)總節(jié)點的自組網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以其低成本、低功耗、系統(tǒng)易于安裝等優(yōu)點，不僅解決了有線糧情監(jiān)測系統(tǒng)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(tǒng)隨時通電的要求，符合當(dāng)前國家提出的節(jié)能減排的口號。目前國內(nèi)外的糧情監(jiān)測系統(tǒng)大多為有線的糧情系統(tǒng)，在應(yīng)用過程中經(jīng)常會出現(xiàn)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。現(xiàn)有的無線糧情系統(tǒng)也普遍具有傳輸距離近，功耗較大，續(xù)航能力差等缺點，需要經(jīng)常性的更換電池。
文中設(shè)計和實現(xiàn)了一個主要針對糧庫的無線糧情監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)采用了Sub-G頻段中的433．33 MHz進(jìn)行無線通信，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行采集信息，并通過CDMA模塊進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，具有了低功耗和遠(yuǎn)距離監(jiān)控等特點。系統(tǒng)節(jié)點睡眠模式下電流為2～3μA，兩節(jié)5號電池可保證節(jié)點工作3年以上。

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

傳感器節(jié)點將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)通過尤線通信的方式傳到分節(jié)點1003，每個分節(jié)點1003將收到的信息發(fā)送到主節(jié)點1003-D，1003-D通過串口將數(shù)據(jù)傳送到CDMA模塊，由CDMA網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)端的PC機上。底層節(jié)點1001和1002都有自己的專屬ID，以便上位機進(jìn)行區(qū)分溫度節(jié)點。1003節(jié)點也被賦予了自己的ID，平常所有的節(jié)點大部分時間都在睡眠模式，當(dāng)上位機對某一個倉發(fā)送采集命令時，命令通過CDMA網(wǎng)絡(luò)傳送到1003-D節(jié)點上，然后1003-D節(jié)點向下一層節(jié)點1003發(fā)送喚醒命令，相應(yīng)的1003被喚醒后開始發(fā)送喚醒其所屬的1001和1002節(jié)點的命令，傳感器節(jié)點1001和1002采集數(shù)據(jù)后然后向上一級節(jié)點傳送，最后通過1003-D經(jīng)CDMA網(wǎng)絡(luò)傳到上位機，由上位機軟件進(jìn)行分析與處理。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
系統(tǒng)所使用的MCU是silicon labs公司生產(chǎn)的Si1000芯片，Si1000器件是完全集成的低功耗混合信號片上系統(tǒng)型MCU，它集成了8051單片機內(nèi)核和射頻芯片為一體，具有4 k的片內(nèi)RAM和64 k的FLASH。Si1000芯片集上電復(fù)位、電壓監(jiān)測器、看門狗定時器和系統(tǒng)時鐘為一體，是真正獨立的片上系統(tǒng)的解決方案。Si1000的頻率使用范圍是240～960 MHz，接收靈敏度最高可達(dá)-121 dBm，輸出功率是+20 dBm，它內(nèi)置了天線多樣性，并且支持跳頻技術(shù)。另外，Si1000芯片為了提高性能，對CIP-51核和外圍器件做了關(guān)鍵性的增強。在CIP-51核的基礎(chǔ)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(shù)字的外部設(shè)備去中斷控制器。Si1000包含著包括上電復(fù)位、看門狗定時器在內(nèi)的8個復(fù)位源。每個復(fù)位源除了用來上電復(fù)位、復(fù)位輸入引腳和Flash錯誤外，可以通過軟件編程關(guān)閉。在供電方面，Si1000的工作電流一般穩(wěn)定在5 mA左右，在睡眠模式下，它的電流為2μA。
MCU與外部設(shè)備的連接圖如圖2所示。