基于射頻SOC nRF9E5的糧情檢測設計

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。

由于在整個(gè)系統中無(wú)線(xiàn)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)系統的通信必須采用分時(shí)技術(shù)將測控主機與多節點(diǎn)之間的通信變成為測控主機與一節點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)通信的多條鏈路的組合。也就是說(shuō)測控主機必須采用掃描的方式逐點(diǎn)采集數據。節點(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，若與本機地址相符則執行命令。首先，由測控主機向系統中某一節點(diǎn)發(fā)出溫度轉換命令包。接著(zhù)當節點(diǎn)收到主機發(fā)來(lái)的命令包時(shí)啟動(dòng)DS18B20 進(jìn)行溫度轉換，然后上傳給主機。最后，當主機收到節點(diǎn)的數據包并校驗之后，主機將發(fā)送一個(gè)確認數據包給節點(diǎn)，以確認節點(diǎn)數據包的正確性。如果數據在傳輸的過(guò)程中有數據丟失，主機將要求節點(diǎn)重新發(fā)送數據，直到數據全部正確為止。

圖3 和圖4 分別為主機和節點(diǎn)的程序流程圖
4 試驗結果
現將按上述方案設計的溫度檢測系統與某儲備庫使用的傳統檢測系統進(jìn)行了現場(chǎng)對比試驗。其中本系統數字溫度傳感器DS18B20采用11位的數字讀數方式，原系統采用MF-53-1型熱敏電阻，水銀溫度計刻度為0.1℃，讀數可到0.05℃ 。測量結果如表2所示。

從實(shí)際測量數據可以看出，所設計的系統的測量誤差較小，主要是由于傳感器本身存在誤差，網(wǎng)絡(luò )傳輸過(guò)程中幾乎不會(huì )引入誤差。

5 結論

傳感器網(wǎng)絡(luò )被認為是影響人類(lèi)未來(lái)生活的重要技術(shù)之一，這一新興技術(shù)結合了現有的多種先進(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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的糧情檢測系統克服了傳統系統存在的不足，試驗結果表明系統具有良好的工作穩定性和測量的準確性，系統抗干擾能力強，避免了雷擊；網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)體積小，安裝和拆卸方便靈活，而且容易通過(guò)其表面涂上防腐材料以達到抗腐蝕能力，延長(cháng)器件壽命；節點(diǎn)功能擴展性強，通過(guò)增加相關(guān)的傳感器和轉換電路，即可實(shí)現糧食濕度和蟲(chóng)害密度的檢測。同時(shí)由于傳感器網(wǎng)絡(luò )本身的特點(diǎn)，使得它與現有的傳統網(wǎng)絡(luò )技術(shù)之間存在較大的區別，給人們提出了很多新的挑戰，特別是傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的能量供給及成本問(wèn)題，限制了它的應用范圍。隨著(zhù)科技的進(jìn)步和成本的降低，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)在糧食儲藏中的應用將產(chǎn)生重大的經(jīng)濟和社會(huì )效益。