基于無線傳感器網絡的糧情監測系統的設計與實現

摘要：糧食安全一直是人民生活重點關注的話題，在糧食的儲備過程中，對糧食的溫濕度以及蟲害等的監測是保持糧食安全的重要措施。文中設計了一個通過采用Sub-G Hz頻段和CDMA技術進行融合的糧情監測系統，系統將物聯網與互聯網聯合起來，將采集到的數據通過CDMA網絡傳輸到遠端的PC上，然后通過上位機對數據分析后進行相應的處理，從而實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，具有良好的應用前景。
關鍵詞：無線傳感器網絡；糧情監測系統；CDMA；Sub-G

在糧情監測領域，數據采集大多是由分布在廣闊領域里的傳感器網絡進行的，一般來說數據源是離糧情監測系統的終端相對較遠的。基于這個原因，傳統的糧情監測系統大多是有線系統，這大大增加了工作人員進行施工的難度。而且有線系統還有著布線困難、易遭雷擊等特點。無線傳感器網絡是由位于底層的傳感器節點采集信息后通過無線網絡進行向上級節點傳送信息，最終到達總節點的自組網絡系統。無線傳感器網絡以其低成本、低功耗、系統易于安裝等優點，不僅解決了有線糧情監測系統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隨時通電的要求，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的糧情系統，在應用過程中經常會出現雷擊、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。現有的無線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，需要經常性的更換電池。
文中設計和實現了一個主要針對糧庫的無線糧情監測系統，系統采用了Sub-G頻段中的433．33 MHz進行無線通信，通過無線傳感器網絡進行采集信息，并通過CDMA模塊進行遠距離傳輸，具有了低功耗和遠距離監控等特點。系統節點睡眠模式下電流為2～3μA，兩節5號電池可保證節點工作3年以上。

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

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

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、看門狗定時器和系統時鐘為一體，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，它內置了天線多樣性，并且支持跳頻技術。另外，Si1000芯片為了提高性能，對CIP-51核和外圍器件做了關鍵性的增強。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包含著包括上電復位、看門狗定時器在內的8個復位源。每個復位源除了用來上電復位、復位輸入引腳和Flash錯誤外，可以通過軟件編程關閉。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。