基于無(wú)線(xiàn)傳感器與射頻SOC nRF9E5的糧情檢測系統

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。而目前應用于糧食儲藏的糧情檢測系統大多數采用模擬溫度傳感器、多路模擬開(kāi)關(guān)、A/D 轉換器及單片機等組成的導線(xiàn)傳輸系統。這種溫度采集系統需要在倉庫內布置大量的測溫電纜，安裝和拆卸繁雜；同時(shí)受到導線(xiàn)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的溫度檢測系統的設計方案，該方案不需要任何固定網(wǎng)絡(luò )的支持，安裝簡(jiǎn)單方便、系統穩定可靠、可維護性好。

2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )

無(wú)線(xiàn)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)議構成的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò )覆蓋的地理區域中感知對象的信息，并發(fā)布給觀(guān)察者。它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)以及無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，正成為一個(gè)新興的技術(shù)領(lǐng)域，被認為是21世紀最重要的技術(shù)之一。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)具有無(wú)線(xiàn)通信、數據采集和處理、協(xié)同合作等功能，可以隨機或者特定地布置在目標環(huán)境中，能夠獲取周?chē)h(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(guò)信號處理電路將其轉換為數字信號。微處理器部件負責協(xié)調節點(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。射頻模塊負責與其他傳感器或觀(guān)察者的通信。

3 系統設計方案

整個(gè)系統由若干無(wú)線(xiàn)溫度傳感器節點(diǎn)、測控主機和PC 機組成，其中無(wú)線(xiàn)溫度傳感器節點(diǎn)按一定布點(diǎn)規則分布于倉庫內，執行溫度數據采集、預處理和傳輸等工作。測控主機由無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊nRF9E5 及報警裝置組成，通過(guò)外接MAX232 轉換電路，和PC 機進(jìn)行串口通信。測控主機通過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊方式與各個(gè)節點(diǎn)進(jìn)行數據傳輸、存儲及命令的傳送。PC 機給測控主機發(fā)送功能命令并對采集到每個(gè)節點(diǎn)溫度數據進(jìn)行智能分析、顯示和打印。限于篇幅，本文主要介紹無(wú)線(xiàn)溫度傳感器節點(diǎn)的硬件結構和軟件設計方法。

3.1 無(wú)線(xiàn)溫度傳感器節點(diǎn)的設計

溫度傳感器節點(diǎn)是的網(wǎng)絡(luò )的基本單元，響應測控主機的指令并發(fā)送數據。由于傳感器節點(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(guò)程中，不能給電池充電或更換電池，一旦電源耗盡，這個(gè)節點(diǎn)就失去了作用。因此在傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的設計過(guò)程中，任何技術(shù)和協(xié)議的使用都要以節能為前提。在硬件設計方面，要盡量采用低功耗器件，在沒(méi)有通信任務(wù)的時(shí)候，切斷射頻部分電源；在軟件設計方面，各層通信協(xié)議都應該以節能為中心。

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。內部集成了nRF9E5 射頻模塊、8051 微控制器及A/D 轉換模塊，具有433/868/915MHz 三波段載波頻率。采用GFSK 調制，抗干擾能力強；支持多點(diǎn)通訊，數據傳輸速率高達0.1Mbps。具有特有的ShockBurst 信號發(fā)射模式和發(fā)射信號載波監測功能，可有效降低功耗電流、避免數據沖突。內部寄存器為用戶(hù)測控主機提供了基礎的通訊協(xié)議，便于用戶(hù)擴展，縮短了開(kāi)發(fā)周期，因此很適用于無(wú)線(xiàn)數據傳輸系統的設計。

nRF9E5 使用SPI 接口進(jìn)行單片機與無(wú)線(xiàn)模塊間的數據傳輸。這部分在nRF9E5 片內的8051內核與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，當收到一個(gè)有效地址的射頻數據包時(shí)，地址匹配寄存器位（AM）和數據準備好寄存器位（DR）通知片內MCU 把數據讀出。在ShockBurst 發(fā)送方式下，nRF905 自動(dòng)給要發(fā)送的數據加上前綴和CRC 校驗。當數據發(fā)送完后，數據準備好寄存器位（DR）會(huì )通知MCU 數據已經(jīng)處理完畢。當系統沒(méi)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，配置字中的內容不至于丟失。系統通訊時(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。在運行過(guò)程中，可由用戶(hù)編程修改TX_EN=1 使各其工作于發(fā)射狀態(tài)。

3.1.2 數字溫度字傳感器

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

DS18B20 的工作遵循嚴格的單總線(xiàn)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。初始化包括主機發(fā)出復位脈沖（通過(guò)將總線(xiàn)拉低至少480μs 來(lái)實(shí)現）隨即主機等待DS18B20 發(fā)回的存在脈沖。DS18B20 則從檢測到復位脈沖的上升沿開(kāi)始等待15-16μs 后通過(guò)將單總線(xiàn)拉低60-240μs 實(shí)現存在脈沖的發(fā)送。DS18B20 的讀寫(xiě)操作是通過(guò)讀寫(xiě)時(shí)序來(lái)實(shí)現的。

3.2 軟件設計

本系統是一個(gè)簡(jiǎn)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；第二層為數據鏈路層；第三層為應用層。

數據鏈路層的功能是提供可靠的無(wú)線(xiàn)數據傳輸。發(fā)送數據時(shí)，將應用層發(fā)來(lái)的比較長(cháng)的數據幀拆分為短的數據幀，并加上包頭和校驗和，重新打包后發(fā)送出去。接收數據時(shí)，將接收到的數據解包并重新組合成完整的長(cháng)數據，移交給應用層。數據鏈路層的數據幀格式為：每幀包括兩個(gè)字節的起始幀0xFFH和0xAAH，幾個(gè)字節的地址（字節大小由系統節點(diǎn)數量決定），一個(gè)字節的幀類(lèi)型，一個(gè)字節的有效數據長(cháng)度，兩個(gè)字節的數據和兩個(gè)字節的校驗和，一個(gè)字節的幀停止位0x00H。