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基于WSN的低功耗无线粮情监控系统的实现

2014-6-17 11:59:04      点击:

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  关键词:无线传感器网络 粮情监控 低功耗 
  中图分类号:TP39 文献标识码:A 文章编号:1007-3973(2012)001-081-03 
  1 引言 
  作为关系我国国计民生的基本问题,粮食问题一直受到重视。随着国际信息化技术的提高以及物联网技术的异军突起,现代化技术已经逐步应用到了农业领域,包括粮食安全领域。目前,我国多数的粮情监控系统的传感器网络的节点依旧采用直接电源供电,网络节点之间的通信停留在采用有线通信的方式,如485通信,CAN总线通信等。这种直接电源供电以及有线通信方式的系统的缺陷有:(1)在为整个粮库部署传感器网络节点时消耗大量的电源线和数据线,系统的运行依赖于外部供电电源;(2)某一传感器节点的故障或者通信总线的意外情况的发生可能导致整个系统的瘫痪;(3)系统的运行与维护的成本昂贵。近几年出现了基于GPRS网络等实现的粮情监测系统,但因成本过高,功耗大或者频段受限等原因难以在实际的系统中应用。直到无线传感器网络和专为无线传感器网络指定的IEEE802.15.4国际标准应用在粮情监控系统上,粮食问题才有了有效的解决方法。 
  本文提出了一种以无线传感器网络为核心,辅以上位机监控软件实现实时监控的无线粮情监控系统。无线传感器网络的最基本的特征就是低功耗、低成本、组网灵活。粮情监控系统的传感器节点采集粮库的温度湿度等环境信息,利用小型低功耗的通信协议SimpliciTI搭建的无线传感器网络,将粮库的环境信息以数字信号的方式传送到无线传感器网络的管理节点。管理节点通过串行通信接口,将粮库信息传递到上位机的监控软件,上位机监控软件根据收到的粮库环境信息,处理并实时显示粮库环境情况。当粮库环境发现不良变化时,系统能够在监控软件中准确及时地发出预警信息,粮库管理人员根据预警信息采取相应操作,从而确保粮食储存的安全。 
  2 系统结构 
  整个无线粮情监控系统的结构包括以下三大方面:(1)硬件设计。硬件设计有无线传感器网络节点设计以及上位机与无线传感器网络的连接接口电路设计。(2)软件设计。软件设计分两部分:一部分是无线传感器网络的节点底层硬件的驱动软件,保证硬件的正常工作;另一部分是监控软件(Watcher),实现系统的人机交互。(3)通信系统设计。通信系统是数据传输的载体,提供信息的传送通道,完成数字信息的传递。 
  无线粮情监控系统可划分为三层结构。顶层是监控层,中间是数据通信层,底层是信息采集层。系统结构如图1所示。 
   
  数据通信层和信息采集层构成了整个无线传感器网络层。监控层和无线传感器网络通过串行口进行数据通信。无线传感器网络中采用无线通信的方式,通信频段选用的是433MH z的ISM频段(用于工业,科学研究和微波医疗方面的频段,应用这些频段无需许可证)。在无线传感器网络的中继节点和终端节点,都采用两节普通碱性电池供电即可。当粮库中采集到的信息通过无线传感器网络完成传输过程之后,无线传感器网络的中继节点和终端节点进入睡眠控制,减少了系统正常工作的功耗,从而延长了系统的寿命。 
  3 无线传感器网络节点设计 
  本文提出一种基于无线通信方式的超低功耗的粮库监控系统的设计,包括无线传感器网络节点设计和监控平台实现。无线传感器网络节点设计有WSN节点硬件设计,WSN节点软件设计(管理节点,中继节点和终端节点),通信协议等。本文论述的系统的无线传感器网络节点采用普通电池供电即可。两节普通碱性电池能使系统的节点连续运行2到3年,基本满足各种粮情监测的需求。 
  3.1 硬件设计 
  无线传感器网络(WSN)的节点框图如图2所示。系统包含主控制器模块,射频模块,传感器模块,电源管理模块和串行通信接口等。主控制器模块包括MSP430单片机及其外围电路,射频模块包括CC1101芯片及其外围电路和射频电线;传感器模块包含温湿度传感器及其相应的处理电路,电源管理模块保证整个节点的正常供电。此外,对于管理节点,提供有串口通信接口,负责接收上位机传送的命令以及将无线传感器网络的温湿度信息发送给上位机。 
   
  射频模块中的射频芯片采用德州仪器(TI)的CC1101。CC1101是一个1GHz以下的低成本的RF收发器,它是专为超低功耗的无线应用而设计。它集成了一个高度可配置的基带调制解调器。调制解调器之歌很多种调制格式,并可配置数据速率高达600kps。CC1101为数据包处理,数据缓冲,连续传输,空闲信道检测,链路质量只是,WOR等机制提供了广泛的硬件支持。 
  3.2 软件设计 
  无线传感器网络中共有三种节点,分别是管理(ROOT)节点、中继(RELAY)节点和终端(END)节点。管理节点的作用是协议转换,并作为整个无线传感器拓扑网络的核心节点,管理无线传感器网络的数据传送。它负责将无线传感器网络中传来的数据经过格式转换交给上位机,同时将上位机发送的监控命令等转发到无线传感器网络中。中继节点负责将本地终端节点或其它中继转发来的数据向上一级中继节点或者管理节点转发,起数据路由和中继的作用。终端节点负责将采集粮库的温度等信息转化为数字信号,并利用无线传感器网络将粮库的信息传送到中继节点或者管理节点。 
  无线传感器网络的节点如图 3所示。a)表示ROOT节点的软件流程图。本系统中ROOT节点即是无线传感器网络的管理节点,又承担着无线传感器网络与上位机监控系统的连接节点的功能。因ROOT节点和上位机监控软件所在的计算机系统之间要进行串行通信,故硬件上他们是用串口线连接。因串口线有电源信号线,即ROOT节点直接采用了串口线供电的方式,从而在ROOT的软件控制流程中对功耗的控制没有特殊的要求。 
  b)表示RELAY节点的软件流程图。RELAY节点是无线传感器网络的通信中转站。它既要能将接收到的ROOT节点的命令转发到它的各子END节点,又要能把各子END节点传送来的粮库的环境信息转发给ROOT节点。与此同时,RELAY节点还需要在不工作时进入睡眠模式以降低节点的功耗。系统在进入睡眠模式之前,会设置睡眠时间。进入睡眠模式后MCU和CC1101都会运行在各自的极低功耗状态。 
  c)表示END节点的软件流程图。END节点是获取粮库环境信息的接口,是无线传感器网络的必不可少的节点。END节点在接收到RELAY节点或者ROOT节点的温度采集命令之后, 利用DS18B20温度传感器采集粮库的温度信息,并将粮库的温度信息返还给接收到命令帧的源节点。    
  4 通信协议 
  无线传感器网络使用的通信协议是美国德州仪器(TI)公司推出的针对简单小型无线网络的专有低功耗网络协议SimpliciTI。 SimpliciTI是一种免费的通讯协议SimpliciTI 通讯协议虽然很小,但它包括了网络加入,网络管理,低功耗,无线跳频通讯,网络抗干扰等多种技术。而这些技术,正是无线传感器网络的核心技术。 
  SimpliciTI协议框架如图 4所示。SimpliciTI协议由应用层,网络层,硬件逻辑层组成,实现的核心是应用层和网络层。应用层包含网络应用层和用户应用层。网络层负责发送和接收消息并将消息帧发送到对应的目的地址。网络层只是负责传递数据帧,不对消息帧进行操作。硬件逻辑层实现无线链路的建立、维护和结束等。

 5 监控平台实现 

  监控平台的作用是用户监控系统运行情况,实现信息的人机交互。本系统的监控平台的特点有:(1)准时实时显示各个粮库的温度;(2)方便查询历史粮情数据,便于管理人员及时掌握粮情的动态趋势;(3)操作步骤简单,操作界面美观。系统的监控平台主界面如Figure 5所示。 
   
  监控软件采用C++语言编写。系统的主界面实时显示粮库的特定节点的温度曲线。温度曲线的横坐标以小时为单位,纵坐标以摄氏度为单位。系统每隔一个周期就会从无线传感器网络的ROOT节点接收到的粮库环境信息保存到数据库中,并把温度信息在主界面以曲线的形式直观的显示。数据显示选项显示粮库以及节点信息。在节点编号选项中确定需要在主界面中显示的节点号,从而可以观察到不同节点的温度变化情况。粮库管理人员可以根据温度曲线的变化提前预判粮库环境的变化,从而确保粮库的粮食安全。系统控制界面控制系统的运行和结束,无线传感器网络的信息采集周期以及系统提示信息等。 
  6 总结与展望 
  本文通过对已有的粮情监控系统的研究,提出了一种基于IEEE802.25.4的低功耗无线粮情监控系统。粮库中无线传感器网络采集粮库的环境信息。传感器网络的管理节点接收无线传感器网络的环境信息并将信息进一步传递到监控平台。用户利用监控平台的数据以及报警信号监测当前粮库的环境。