超低功耗糧倉無線實時監測系統設計

摘要：針對在糧庫溫度智能監測領域，采用電線電纜傳輸數據的不便以及目前無線傳感網絡節點壽命短的問題，利用MSP430超低功耗單片機設計了超低功耗無線溫度監測系統。基于超低功耗設計了系統的整體框架以及各模塊硬件，其中包括節點、溫度傳感器模塊、無線通信模塊、通信協議、桌面實時顯示程序，通信協議解決了多個節點同時介入時的碰撞問題并設計了節能算法。最后對整個系統的可靠性以及節點的使用壽命進行了實驗驗證，經過試驗的檢驗本系統具有超低功耗的特點，基本滿足超低功耗糧倉無線實時監測系統的設計需求。
關鍵詞：超低功耗；MSP430；硬件；節能；試驗驗證

0 引言
溫度對糧食的存放起著至關重要的作用，國家糧食法規定，必須定期抽樣檢查糧庫各點的溫度，以便及時采取相應的措施保證糧食的安全。但我國大部分糧庫采用人工的方式進行糧庫溫度測量，這樣不但費時費力，而且不能做到對糧食溫度的實時監測，導致我國每年都會有大面積糧食變質現象的發生。
近年來，我國的科研人員開發了一些無線傳感網絡檢測系統，它們有的采用ARM+ZigBee，還有的采用Atmega128L+ZigBee。但是從功耗和成本以及糧倉環境的復雜程度多方面考慮，本文利用MSP430+nRF905設計了基于改進的TDMA通信協議的超低功耗無線傳感網絡。此系統具有成本低、超低功耗的特點，實現了對糧庫溫度的實時監控。

1 系統整體結構設計
為了實現超低功耗的設計應從硬件和軟件兩方面同時進行，硬件電路的設計盡量采用低功耗器件，減少電路設計的復雜程度；軟件方面讓不工作的節點進入休眠狀態，程序設計簡練、減少循環。
1．1 系統整體結構
本系統由傳感節點、匯聚節點、管理平臺三部分構成。系統組成框圖如圖1所示，傳感節點負責完成糧庫現場溫度的采集和處理，并通過無線傳感器與匯聚節點進行數據交換。匯聚節點負責實現兩個通信網絡之間數據的交換，實現兩種協議之間的通信協議轉換，它發布管理節點的檢測任務，并把收集到的數據轉發到管理平臺上。管理平臺主要是實現對整個網絡的檢測、管理及采集溫度的實時顯示，以及對歷史采集數據的查看。

1．2 節點硬件的設計
傳感節點主要由處理器模塊、傳感器模塊、無線通信模塊、電源模塊組成。圖2為傳感節點組成框圖。

處理器模塊是傳感節點核心模塊，負責完成數據處理、數據存儲、執行通信協議和節點調度管理工作等。傳感器模塊負責感知數據。無線通信模塊負責完成無線通信任務，是傳感器節點中最主要的耗能模塊。電源模塊是所有電子系統的基礎，考慮到節點使用的壽命、成本、體積和設計復雜程度，電源模塊的設計采用原電池。
1．2．1 處理器的選擇
基于本系統只需進行低速數據處理且硬件設計以簡單為宜，所以不需使用功能強大價位較高的ARM處理器，處理器模塊選用價位較低的TI公司的16 b超低功耗MSP430F149，該芯片具有5種低功耗工作模式，休眠時電流為只有0．1μA。片內集成60KB+256 B的FLASH，2 KB的RAM，完全可以勝任無線溫度檢測系統溫度。