超低功耗粮仓无线实时监测系统设计

摘要：针对在粮库温度智能监测领域，采用电线电缆传输数据的不便以及目前无线传感网络节点寿命短的问题，利用MSP430超低功耗单片机设计了超低功耗无线温度监测系统。基于超低功耗设计了系统的整体框架以及各模块硬件，其中包括节点、温度传感器模块、无线通信模块、通信协议、桌面实时显示程序，通信协议解决了多个节点同时介入时的碰撞问题并设计了节能算法。最后对整个系统的可靠性以及节点的使用寿命进行了实验验证，经过试验的检验本系统具有超低功耗的特点，基本满足超低功耗粮仓无线实时监测系统的设计需求。
关键词：超低功耗；MSP430；硬件；节能；试验验证

0 引言
    温度对粮食的存放起着至关重要的作用，国家粮食法规定，必须定期抽样检查粮库各点的温度，以便及时采取相应的措施保证粮食的安全。但我国大部分粮库采用人工的方式进行粮库温度测量，这样不但费时费力，而且不能做到对粮食温度的实时监测，导致我国每年都会有大面积粮食变质现象的发生。
    近年来，我国的科研人员开发了一些无线传感网络检测系统，它们有的采用ARM+ZigBee，还有的采用Atmega128L+ZigBee。但是从功耗和成本以及粮仓环境的复杂程度多方面考虑，本文利用MSP430+nRF905设计了基于改进的TDMA通信协议的超低功耗无线传感网络。此系统具有成本低、超低功耗的特点，实现了对粮库温度的实时监控。

1 系统整体结构设计
    为了实现超低功耗的设计应从硬件和软件两方面同时进行，硬件电路的设计尽量采用低功耗器件，减少电路设计的复杂程度；软件方面让不工作的节点进入休眠状态，程序设计简练、减少循环。
1．1 系统整体结构
    本系统由传感节点、汇聚节点、管理平台三部分构成。系统组成框图如图1所示，传感节点负责完成粮库现场温度的采集和处理，并通过无线传感器与汇聚节点进行数据交换。汇聚节点负责实现两个通信网络之间数据的交换，实现两种协议之间的通信协议转换，它发布管理节点的检测任务，并把收集到的数据转发到管理平台上。管理平台主要是实现对整个网络的检测、管理及采集温度的实时显示，以及对历史采集数据的查看。

1．2 节点硬件的设计
    传感节点主要由处理器模块、传感器模块、无线通信模块、电源模块组成。图2为传感节点组成框图。

    处理器模块是传感节点核心模块，负责完成数据处理、数据存储、执行通信协议和节点调度管理工作等。传感器模块负责感知数据。无线通信模块负责完成无线通信任务，是传感器节点中最主要的耗能模块。电源模块是所有电子系统的基础，考虑到节点使用的寿命、成本、体积和设计复杂程度，电源模块的设计采用原电池。
1．2．1 处理器的选择
    基于本系统只需进行低速数据处理且硬件设计以简单为宜，所以不需使用功能强大价位较高的ARM处理器，处理器模块选用价位较低的TI公司的16 b超低功耗MSP430F149，该芯片具有5种低功耗工作模式，休眠时电流为只有0．1μA。片内集成60KB+256 B的FLASH，2 KB的RAM，完全可以胜任无线温度检测系统温度。
1．2．2 无线通信模块的设计
    无线通信模块采用挪威Nordic VLSI公司推出的单片射频收发器nRF905。工作电压为1．9～3．6 V，32引脚QFN封装(5 mm×5 mm)，工作于433／868／915 MHz三个ISM(工业、科学和医学)频道，频道之间的转换时间小于650μs。nRF905由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，不需外加声表滤波器，ShockBurstTM工作模式，自动处理字头和CRC(循环冗余码校验)，使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便。此外，其功耗非常低，以-10 dBm的输出功率发射时电流只有11 mA，工作于接收模式时的电流为12．5 mA，内建空闲模式与关机模式，易于实现节能。电路图设计如图3所示。

1．2．3 传感器模块的设计
    传感器模块采用美国DALLAS公司生产的DS18B20可组网数字温度传感器芯片封装而成，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。它的工作电源为3～5 V DC，测温范围为-55～+125℃，固有测温分辨率0．5℃。采用独特的单线接口方式，在与微处理器连接时仅需要一条接口线即可实现与DS18B20的双向通信。支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。在使用中不需要任何外围元件。
1．3 通信协议的设计
    通信协议的设计直接关系到节点寿命，它决定节点工作与休眠时间的长短。虽然改进的ESRP方案网络的生存周期较长，但是考虑到粮仓中分布的传感节点数目相对较少，以及并不需要频繁进行数据的通信。文献针对无线传感器网络路由协议进行了详细研究得出结论，单路径路由协议简单，数据通信量少，有利于节省节点能量，但是其容错性差和健壮性差。所以放弃以上方案。
    本文系统对单路径路由协议在TDMA的基础上进行了改进，克服了容错性差的缺点。节点设定为1 h进行一次温度采集及数据传输，把时间分成60个离散时隙，每个时隙长度为1 min，这样每个时隙长度远远大于每个节点的通信时间，不同节点设定在不同时隙发送数据，在程序设计时人为设定好节点的休眠时间，等到它的工作时隙时唤醒，其他节点进入休眠，1 min后进入休眠，另一个节点被唤醒。这样充分避开了同一时隙多个节点同时发送数据的发生。
    该通信协议解决了数据传送过程中出现多个节点响应的问题。在系统开始工作前，汇聚节点先发送一个同步信号，使所有的节点时隙同步，在节点不需要进行数据传输时进入休眠状态，解决了接收不必要的数据过度监听造成能量过度消耗的问题，充分避免冲突，提高了信道的利用率以及节点的使用寿命，通信协议在一个节点中的实现程序如下：
   
1．4 桌面管理程序的设计
    在VC++6．0中编写桌面实时显示程序。本程序能够实时的显示节点温度，并且可以切换节点温度显示，以及对温度历史记录的查看。图4为工作在室内环境时显示结果。

2 验证实验
2．1 数据可靠性验证
    实验设备包括5个电子温度计，5个具备无线收发功能的节点，1个具备无线收发功能且具有串口通信功能的汇聚节点以及1台运行有数据采集管理软件的PC机。将5个节点置于室内不同位置，两两之间距离大于10 m，并在每个节点旁边放置1个电子温度计。启动设备并记录实验数据如表1所示。
    因为DS18bB20的测量精度为0．5℃，而且电子温度计本身的测量值与实际的室温有一定偏差，而且在粮仓中只要不出现较大的温度偏差是可以接受的，所以可以认为这个系统测量的数据是可靠的。
2．2 电池续航能力验证
    为验证节点能够正常工作的时间，设计了如下实验。实验设备包括5个具备无线收发功能的传感器节点，一个具备无线收发功能且具有串口通信功能的汇聚节点以及一台运行有数据采集管理软件的PC机。为每个节点提供9 V的电池供电，将三个节点放到室内不同的位置，两两之间距离大于10 m，运行系统，设定传感器节点每分钟进行一次温度测量并进行数据发送。
    系统开始工作后，记录经测量这五个节点温度采集次数如表2所示。

    从表中可以得到虽然节点在电池组电压只有4 V的时候停止工作，但是节点的平均工作时间仍然达到4 564．8次，如果忽略节点处于休眠期间的能量损耗，延长温度采集间隔及每小时进行一次温度采集，平均工作时间将为190．2天。

3 结论
    本文通过分析当前有线网络传输在粮仓温度监测领域存在的问题，设计了用于粮仓温度实时监测的超低功耗无线传感网络系统，其中包括节点、温度传感器模块、无线通信模块以及通信协议的超低功耗设计。最后对传感节点做了验证试验，试验结果表明传感节点符合粮仓实时无线监测系统的设计要求，具有使用采集信息可靠性高、超低功耗工作的特点。
    虽然这个无线传感实时监测系统符合设计的要求，但是还是存在一些问题，只适应于传感器节点个数小于60的粮仓，当节点数目大于60个时，需要改变时隙的长度，并且节点有可能处于通信范围外围或边缘，影响通信质量，当出现上述情况的时候就需要设置中继节点并对通信协议进行适当的修改。