基于射頻SOC nRF9E5的糧情檢測設(shè)計(jì)

1 引言

糧食溫度檢測技術(shù)是我國糧食儲藏的4 大技術(shù)之一，它可以動(dòng)態(tài)監(jiān)測倉庫糧食溫度變化情況，為糧食的儲藏安全提供了重要保障。由于儲備庫的特殊環(huán)境條件：糧食出入庫時(shí)，系統(tǒng)部分模塊（主要是傳感器模塊）要拆卸和重新安裝；倉庫中存在的有毒氣體H3P 容易腐蝕電子元器件，糧堆中損壞的傳感器不容易更換。而目前應(yīng)用于糧食儲藏的糧情檢測系統(tǒng)大多數(shù)采用模擬溫度傳感器、多路模擬開關(guān)、A/D 轉(zhuǎn)換器及單片機(jī)等組成的導(dǎo)線傳輸系統(tǒng)。這種溫度采集系統(tǒng)需要在倉庫內(nèi)布置大量的測溫電纜，安裝和拆卸繁雜；同時(shí)受到導(dǎo)線電阻和分布電容的影響，測量誤差比較大，易受雷擊。為此提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫度檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該方案不需要任何固定網(wǎng)絡(luò)的支持，安裝簡單方便、系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、可維護(hù)性好。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量微型、智能、低功耗傳感器以某種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)布給觀察者。它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)以及無線通信技術(shù)，正成為一個(gè)新興的技術(shù)領(lǐng)域，被認(rèn)為是21世紀(jì)最重要的技術(shù)之一。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有無線通信、數(shù)據(jù)采集和處理、協(xié)同合作等功能，可以隨機(jī)或者特定地布置在目標(biāo)環(huán)境中，能夠獲取周圍環(huán)境的信息并且相互協(xié)同工作完成特定任務(wù)。傳感器節(jié)點(diǎn)主要由電源管理模塊、傳感器、微處理器、存儲器以及射頻模塊等功能模塊構(gòu)成。電源管理模塊為其他功能單元提供正常工作所必需的能源。傳感器用于感知、獲取外界的信息，并通過信號處理電路將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。微處理器部件負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)各部分的工作，如對傳感器獲取的信息進(jìn)行必要的處理、保存，控制傳感器和電源的工作模式等。射頻模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器或觀察者的通信。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

整個(gè)系統(tǒng)由若干無線溫度傳感器節(jié)點(diǎn)、測控主機(jī)和PC 機(jī)組成，其中無線溫度傳感器節(jié)點(diǎn)按一定布點(diǎn)規(guī)則分布于倉庫內(nèi)，執(zhí)行溫度數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理和傳輸?shù)裙ぷ?。測控主機(jī)由無線收發(fā)模塊nRF9E5 及報(bào)警裝置組成，通過外接MAX232 轉(zhuǎn)換電路，和PC 機(jī)進(jìn)行串口通信。測控主機(jī)通過無線通訊方式與各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、存儲及命令的傳送。PC 機(jī)給測控主機(jī)發(fā)送功能命令并對采集到每個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析、顯示和打印。限于篇幅，本文主要介紹無線溫度傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)方法。

3.1 無線溫度傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

溫度傳感器節(jié)點(diǎn)是的網(wǎng)絡(luò)的基本單元，響應(yīng)測控主機(jī)的指令并發(fā)送數(shù)據(jù)。由于傳感器節(jié)點(diǎn)通常采用電池供電，電池的容量一般不是很大。并且在使用過程中，不能給電池充電或更換電池，一旦電源耗盡，這個(gè)節(jié)點(diǎn)就失去了作用。因此在傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)過程中，任何技術(shù)和協(xié)議的使用都要以節(jié)能為前提。在硬件設(shè)計(jì)方面，要盡量采用低功耗器件，在沒有通信任務(wù)的時(shí)候，切斷射頻部分電源；在軟件設(shè)計(jì)方面，各層通信協(xié)議都應(yīng)該以節(jié)能為中心。

3.1.1 射頻SOC nRF9E5

nRF9E5 是挪威Nordic 公司去年推出的系統(tǒng)級RF 芯片。該芯片采用+3VDC 供電，面積為5mm×5mm，共有32 個(gè)外部引腳，包括UART 和SPI 等功能。內(nèi)部集成了nRF9E5 射頻模塊、8051 微控制器及A/D 轉(zhuǎn)換模塊，具有433/868/915MHz 三波段載波頻率。采用GFSK 調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)；支持多點(diǎn)通訊，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)0.1Mbps。具有特有的ShockBurst 信號發(fā)射模式和發(fā)射信號載波監(jiān)測功能，可有效降低功耗電流、避免數(shù)據(jù)沖突。內(nèi)部寄存器為用戶測控主機(jī)提供了基礎(chǔ)的通訊協(xié)議，便于用戶擴(kuò)展，縮短了開發(fā)周期，因此很適用于無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

nRF9E5 使用SPI 接口進(jìn)行單片機(jī)與無線模塊間的數(shù)據(jù)傳輸。這部分在nRF9E5 片內(nèi)的8051內(nèi)核與nRF905 射頻收發(fā)器之間完成。nRF9E5 的收發(fā)器有三種工作方式，ShockBurst 接收（RX）方式，ShockBurst 發(fā)送（TX）方式和空閑方式。nRF9E5 收發(fā)器的工作方式由特殊功能寄存器TRX_CE 和TX_EN 決定，ShockBurst 接收方式下，當(dāng)收到一個(gè)有效地址的射頻數(shù)據(jù)包時(shí)，地址匹配寄存器位（AM）和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好寄存器位（DR）通知片內(nèi)MCU 把數(shù)據(jù)讀出。在ShockBurst 發(fā)送方式下，nRF905 自動(dòng)給要發(fā)送的數(shù)據(jù)加上前綴和CRC 校驗(yàn)。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完后，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好寄存器位（DR）會通知MCU 數(shù)據(jù)已經(jīng)處理完畢。當(dāng)系統(tǒng)沒有發(fā)送和接收任務(wù)時(shí)，其進(jìn)入空閑方式。nRF905 在空閑方式下，

一旦有任務(wù)要處理時(shí)，其能夠在很短的時(shí)間內(nèi)就進(jìn)入ShockBurst 接收方式和ShockBurst 發(fā)送方式?？臻e方式下，晶體振蕩器依然工作，配置字中的內(nèi)容不至于丟失。系統(tǒng)通訊時(shí)，各模塊處于正常接收狀態(tài)：收發(fā)使能位TRX_CE=1 且方式選擇位TX_EN=0。在運(yùn)行過程中，可由用戶編程修改TX_EN=1 使各其工作于發(fā)射狀態(tài)。

3.1.2 數(shù)字溫度字傳感器

DS18B20 是Dallas 公司開發(fā)的微型化、低功耗的可編程單總線數(shù)字溫度傳感器，可直接將測得溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出。并具有以下主要功能特點(diǎn)：（1）獨(dú)有的單總線通信技術(shù)，只需一根信號線與單片機(jī)連接即可實(shí)現(xiàn)雙向通信。（2）電源電壓范圍3.3-5V，可通過信號線寄生供電或由外電源直接供電。（3）測溫范圍為-55-125℃，在-10-85℃內(nèi)可保持±0.5℃的精確度。（4）通過編程可實(shí)現(xiàn)9-12 位的數(shù)字讀數(shù)方式，即在溫度轉(zhuǎn)化時(shí)可選擇0.5℃、0.25℃、0.125℃、0.0625℃四種不同的分辨率。（5）可設(shè)定非易失性溫度報(bào)警上下限值TH 和TL，通過報(bào)警搜索命令可獲取報(bào)警信息。

DS18B20 的工作遵循嚴(yán)格的單總線協(xié)議。即先初始化，然后發(fā)送ROM 命令，最后發(fā)送功能命令。初始化包括主機(jī)發(fā)出復(fù)位脈沖（通過將總線拉低至少480μs 來實(shí)現(xiàn)）隨即主機(jī)等待DS18B20 發(fā)回的存在脈沖。DS18B20 則從檢測到復(fù)位脈沖的上升沿開始等待15-16μs 后通過將單總線拉低60-240μs 實(shí)現(xiàn)存在脈沖的發(fā)送。DS18B20 的讀寫操作是通過讀寫時(shí)序來實(shí)現(xiàn)的。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是一個(gè)簡單的點(diǎn)對多點(diǎn)通信，所以通信協(xié)議分為三層即可。第一層為物理層，由nRF9E5 模塊硬件實(shí)現(xiàn)；第二層為數(shù)據(jù)鏈路層；第三層為應(yīng)用層。

數(shù)據(jù)鏈路層的功能是提供可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將應(yīng)用層發(fā)來的比較長的數(shù)據(jù)幀拆分為短的數(shù)據(jù)幀，并加上包頭和校驗(yàn)和，重新打包后發(fā)送出去。接收數(shù)據(jù)時(shí)，將接收到的數(shù)據(jù)解包并重新組合成完整的長數(shù)據(jù)，移交給應(yīng)用層。數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)幀格式為：每幀包括兩個(gè)字節(jié)的起始幀0xFFH和0xAAH，幾個(gè)字節(jié)的地址（字節(jié)大小由系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量決定），一個(gè)字節(jié)的幀類型，一個(gè)字節(jié)的有效數(shù)據(jù)長度，兩個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)和兩個(gè)字節(jié)的校驗(yàn)和，一個(gè)字節(jié)的幀停止位0x00H。

由于在整個(gè)系統(tǒng)中無線通信的頻率采用一個(gè)頻道433.92MHZ 作為通信載波頻率，所以整個(gè)系統(tǒng)的通信必須采用分時(shí)技術(shù)將測控主機(jī)與多節(jié)點(diǎn)之間的通信變成為測控主機(jī)與一節(jié)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)通信的多條鏈路的組合。也就是說測控主機(jī)必須采用掃描的方式逐點(diǎn)采集數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)則采用中斷方式，對主接收器發(fā)出的地址信息進(jìn)行處理，若與本機(jī)地址相符則執(zhí)行命令。首先，由測控主機(jī)向系統(tǒng)中某一節(jié)點(diǎn)發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令包。接著當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到主機(jī)發(fā)來的命令包時(shí)啟動(dòng)DS18B20 進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，然后上傳給主機(jī)。最后，當(dāng)主機(jī)收到節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包并校驗(yàn)之后，主機(jī)將發(fā)送一個(gè)確認(rèn)數(shù)據(jù)包給節(jié)點(diǎn)，以確認(rèn)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包的正確性。如果數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^程中有數(shù)據(jù)丟失，主機(jī)將要求節(jié)點(diǎn)重新發(fā)送數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)全部正確為止。

圖3 和圖4 分別為主機(jī)和節(jié)點(diǎn)的程序流程圖
4 試驗(yàn)結(jié)果
現(xiàn)將按上述方案設(shè)計(jì)的溫度檢測系統(tǒng)與某儲備庫使用的傳統(tǒng)檢測系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場對比試驗(yàn)。其中本系統(tǒng)數(shù)字溫度傳感器DS18B20采用11位的數(shù)字讀數(shù)方式，原系統(tǒng)采用MF-53-1型熱敏電阻，水銀溫度計(jì)刻度為0.1℃，讀數(shù)可到0.05℃ 。測量結(jié)果如表2所示。

從實(shí)際測量數(shù)據(jù)可以看出，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的測量誤差較小，主要是由于傳感器本身存在誤差，網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中幾乎不會引入誤差。

5 結(jié)論

傳感器網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是影響人類未來生活的重要技術(shù)之一，這一新興技術(shù)結(jié)合了現(xiàn)有的多種先進(jìn)技術(shù)，為人們提供了一種全新的獲取信息、處理信息的途徑。因此，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的糧情檢測系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的不足，試驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)具有良好的工作穩(wěn)定性和測量的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，避免了雷擊；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)體積小，安裝和拆卸方便靈活，而且容易通過其表面涂上防腐材料以達(dá)到抗腐蝕能力，延長器件壽命；節(jié)點(diǎn)功能擴(kuò)展性強(qiáng)，通過增加相關(guān)的傳感器和轉(zhuǎn)換電路，即可實(shí)現(xiàn)糧食濕度和蟲害密度的檢測。同時(shí)由于傳感器網(wǎng)絡(luò)本身的特點(diǎn)，使得它與現(xiàn)有的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之間存在較大的區(qū)別，給人們提出了很多新的挑戰(zhàn)，特別是傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量供給及成本問題，限制了它的應(yīng)用范圍。隨著科技的進(jìn)步和成本的降低，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在糧食儲藏中的應(yīng)用將產(chǎn)生重大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。