基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的糧情監測系統的設計與實(shí)現

摘要：糧食安全一直是人民生活重點(diǎn)關(guān)注的話(huà)題，在糧食的儲備過(guò)程中，對糧食的溫濕度以及蟲(chóng)害等的監測是保持糧食安全的重要措施。文中設計了一個(gè)通過(guò)采用Sub-G Hz頻段和CDMA技術(shù)進(jìn)行融合的糧情監測系統，系統將物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)合起來(lái)，將采集到的數據通過(guò)CDMA網(wǎng)絡(luò )傳輸到遠端的PC上，然后通過(guò)上位機對數據分析后進(jìn)行相應的處理，從而實(shí)現對糧食遠程的監測與控制。該系統具有傳輸距離遠、成本低和低功耗等特點(diǎn)，具有良好的應用前景。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )；糧情監測系統；CDMA；Sub-G

在糧情監測領(lǐng)域，數據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(lái)說(shuō)數據源是離糧情監測系統的終端相對較遠的。基于這個(gè)原因，傳統的糧情監測系統大多是有線(xiàn)系統，這大大增加了工作人員進(jìn)行施工的難度。而且有線(xiàn)系統還有著(zhù)布線(xiàn)困難、易遭雷擊等特點(diǎn)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是由位于底層的傳感器節點(diǎn)采集信息后通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行向上級節點(diǎn)傳送信息，最終到達總節點(diǎn)的自組網(wǎng)絡(luò )系統。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )以其低成本、低功耗、系統易于安裝等優(yōu)點(diǎn)，不僅解決了有線(xiàn)糧情監測系統所固有的易于被雷擊、安裝成本高等問(wèn)題，同時(shí)更因其較低功耗解決了有線(xiàn)系統隨時(shí)通電的要求，符合當前國家提出的節能減排的口號。目前國內外的糧情監測系統大多為有線(xiàn)的糧情系統，在應用過(guò)程中經(jīng)常會(huì )出現雷擊、線(xiàn)路人為破壞等問(wèn)題，而且布線(xiàn)非常的困難，造成人力資源的浪費?，F有的無(wú)線(xiàn)糧情系統也普遍具有傳輸距離近，功耗較大，續航能力差等缺點(diǎn)，需要經(jīng)常性的更換電池。
文中設計和實(shí)現了一個(gè)主要針對糧庫的無(wú)線(xiàn)糧情監測系統，系統采用了Sub-G頻段中的433．33 MHz進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行采集信息，并通過(guò)CDMA模塊進(jìn)行遠距離傳輸，具有了低功耗和遠距離監控等特點(diǎn)。系統節點(diǎn)睡眠模式下電流為2～3μA，兩節5號電池可保證節點(diǎn)工作3年以上。

1 系統整體架構
整個(gè)系統分為主節點(diǎn)1003-D，分節點(diǎn)1003，傳感器節點(diǎn)(由測量溫濕度的節點(diǎn)1002和測溫節點(diǎn)1001組成)3種類(lèi)型。1002節點(diǎn)連接著(zhù)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節點(diǎn)連接有數字溫度傳感器DS18b20。每個(gè)糧倉帶有一個(gè)分節點(diǎn)1003。一個(gè)分節點(diǎn)1003下屬一個(gè)1002節點(diǎn)和若干個(gè)1001節點(diǎn)。主節點(diǎn)1003-D下屬一個(gè)1002節點(diǎn)作為外溫外濕。系統框圖如圖1所示。

傳感器節點(diǎn)將采集到的溫濕度數據通過(guò)尤線(xiàn)通信的方式傳到分節點(diǎn)1003，每個(gè)分節點(diǎn)1003將收到的信息發(fā)送到主節點(diǎn)1003-D，1003-D通過(guò)串口將數據傳送到CDMA模塊，由CDMA網(wǎng)絡(luò )將數據傳送到遠端的PC機上。底層節點(diǎn)1001和1002都有自己的專(zhuān)屬I(mǎi)D，以便上位機進(jìn)行區分溫度節點(diǎn)。1003節點(diǎn)也被賦予了自己的ID，平常所有的節點(diǎn)大部分時(shí)間都在睡眠模式，當上位機對某一個(gè)倉發(fā)送采集命令時(shí)，命令通過(guò)CDMA網(wǎng)絡(luò )傳送到1003-D節點(diǎn)上，然后1003-D節點(diǎn)向下一層節點(diǎn)1003發(fā)送喚醒命令，相應的1003被喚醒后開(kāi)始發(fā)送喚醒其所屬的1001和1002節點(diǎn)的命令，傳感器節點(diǎn)1001和1002采集數據后然后向上一級節點(diǎn)傳送，最后通過(guò)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 系統硬件設計
系統所使用的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型MCU，它集成了8051單片機內核和射頻芯片為一體，具有4 k的片內RAM和64 k的FLASH。Si1000芯片集上電復位、電壓監測器、看門(mén)狗定時(shí)器和系統時(shí)鐘為一體，是真正獨立的片上系統的解決方案。Si1000的頻率使用范圍是240～960 MHz，接收靈敏度最高可達-121 dBm，輸出功率是+20 dBm，它內置了天線(xiàn)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字的外部設備去中斷控制器。Si1000包含著(zhù)包括上電復位、看門(mén)狗定時(shí)器在內的8個(gè)復位源。每個(gè)復位源除了用來(lái)上電復位、復位輸入引腳和Flash錯誤外，可以通過(guò)軟件編程關(guān)閉。在供電方面，Si1000的工作電流一般穩定在5 mA左右，在睡眠模式下，它的電流為2μA。
MCU與外部設備的連接圖如圖2所示。