基于无线传感器网络的粮情监测系统的设计与实现

摘要：粮食安全一直是人民生活重点关注的话题，在粮食的储备过程中，对粮食的温湿度以及虫害等的监测是保持粮食安全的重要措施。文中设计了一个通过采用Sub-G Hz频段和CDMA技术进行融合的粮情监测系统，系统将物联网与互联网联合起来，将采集到的数据通过CDMA网络传输到远端的PC上，然后通过上位机对数据分析后进行相应的处理，从而实现对粮食远程的监测与控制。该系统具有传输距离远、成本低和低功耗等特点，具有良好的应用前景。
关键词：无线传感器网络；粮情监测系统；CDMA；Sub-G

在粮情监测领域，数据采集大多是由分布在广阔领域里的传感器网络进行的，一般来说数据源是离粮情监测系统的终端相对较远的。基于这个原因，传统的粮情监测系统大多是有线系统，这大大增加了工作人员进行施工的难度。而且有线系统还有着布线困难、易遭雷击等特点。无线传感器网络是由位于底层的传感器节点采集信息后通过无线网络进行向上级节点传送信息，最终到达总节点的自组网络系统。无线传感器网络以其低成本、低功耗、系统易于安装等优点，不仅解决了有线粮情监测系统所固有的易于被雷击、安装成本高等问题，同时更因其较低功耗解决了有线系统随时通电的要求，符合当前国家提出的节能减排的口号。目前国内外的粮情监测系统大多为有线的粮情系统，在应用过程中经常会出现雷击、线路人为破坏等问题，而且布线非常的困难，造成人力资源的浪费。现有的无线粮情系统也普遍具有传输距离近，功耗较大，续航能力差等缺点，需要经常性的更换电池。
文中设计和实现了一个主要针对粮库的无线粮情监测系统，系统采用了Sub-G频段中的433．33 MHz进行无线通信，通过无线传感器网络进行采集信息，并通过CDMA模块进行远距离传输，具有了低功耗和远距离监控等特点。系统节点睡眠模式下电流为2～3μA，两节5号电池可保证节点工作3年以上。

1 系统整体架构
整个系统分为主节点1003-D，分节点1003，传感器节点(由测量温湿度的节点1002和测温节点1001组成)3种类型。1002节点连接着温湿度传感器，温湿度传感器由测量温度的热敏电阻和测量湿度的霍尼韦尔湿度传感器HIH4000组成。1001节点连接有数字温度传感器DS18b20。每个粮仓带有一个分节点1003。一个分节点1003下属一个1002节点和若干个1001节点。主节点1003-D下属一个1002节点作为外温外湿。系统框图如图1所示。

传感器节点将采集到的温湿度数据通过尤线通信的方式传到分节点1003，每个分节点1003将收到的信息发送到主节点1003-D，1003-D通过串口将数据传送到CDMA模块，由CDMA网络将数据传送到远端的PC机上。底层节点1001和1002都有自己的专属ID，以便上位机进行区分温度节点。1003节点也被赋予了自己的ID，平常所有的节点大部分时间都在睡眠模式，当上位机对某一个仓发送采集命令时，命令通过CDMA网络传送到1003-D节点上，然后1003-D节点向下一层节点1003发送唤醒命令，相应的1003被唤醒后开始发送唤醒其所属的1001和1002节点的命令，传感器节点1001和1002采集数据后然后向上一级节点传送，最后通过1003-D经CDMA网络传到上位机，由上位机软件进行分析与处理。

2 系统硬件设计
系统所使用的MCU是silicon labs公司生产的Si1000芯片，Si1000器件是完全集成的低功耗混合信号片上系统型MCU，它集成了8051单片机内核和射频芯片为一体，具有4 k的片内RAM和64 k的FLASH。Si1000芯片集上电复位、电压监测器、看门狗定时器和系统时钟为一体，是真正独立的片上系统的解决方案。Si1000的频率使用范围是240～960 MHz，接收灵敏度最高可达-121 dBm，输出功率是+20 dBm，它内置了天线多样性，并且支持跳频技术。另外，Si1000芯片为了提高性能，对CIP-51核和外围器件做了关键性的增强。在CIP-51核的基础上，Si1000的扩展中断源提供了双中断源，允许众多的模拟的和数字的外部设备去中断控制器。Si1000包含着包括上电复位、看门狗定时器在内的8个复位源。每个复位源除了用来上电复位、复位输入引脚和Flash错误外，可以通过软件编程关闭。在供电方面，Si1000的工作电流一般稳定在5 mA左右，在睡眠模式下，它的电流为2μA。
MCU与外部设备的连接图如图2所示。