1 引言

糧食溫度檢測技術是我國糧食儲藏的4 大技術之一，它可以動態監測倉庫糧食溫度變化情況，為糧食的儲藏安全提供了重要保障。由于儲備庫的特殊環境條件：糧食出入庫時，系統部分模塊（主要是傳感器模塊）要拆卸和重新安裝；倉庫中存在的有毒氣體H3P 容易腐蝕電子元器件，糧堆中損壞的傳感器不容易更換。而目前應用于糧食儲藏的糧情檢測系統大多數采用模擬溫度傳感器、多路模擬開關、A/D 轉換器及單片機等組成的導線傳輸系統。這種溫度采集系統需要在倉庫內布置大量的測溫電纜，安裝和拆卸繁雜；同時受到導線電阻和分布電容的影響，測量誤差比較大，易受雷擊。為此提出了一種基于無線傳感器網絡的溫度檢測系統的設計方案，該方案不需要任何固定網絡的支持，安裝簡單方便、系統穩定可靠、可維護性好。

2 無線傳感器網絡

無線傳感器網絡是由大量微型、智能、低功耗傳感器以某種網絡協議構成的無線網絡，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋的地理區域中感知對象的信息，并發布給觀察者。它綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、分布式信息處理技術以及無線通信技術，正成為一個新興的技術領域，被認為是21世紀最重要的技術之一。

無線傳感器網絡節點具有無線通信、數據采集和處理、協同合作等功能，可以隨機或者特定地布置在目標環境中，能夠獲取周圍環境的信息并且相互協同工作完成特定任務。傳感器節點主要由電源管理模塊、傳感器、微處理器、存儲器以及射頻模塊等功能模塊構成。電源管理模塊為其他功能單元提供正常工作所必需的能源。傳感器用于感知、獲取外界的信息，并通過信號處理電路將其轉換為數字信號。微處理器部件負責協調節點各部分的工作，如對傳感器獲取的信息進行必要的處理、保存，控制傳感器和電源的工作模式等。射頻模塊負責與其他傳感器或觀察者的通信。

3 系統設計方案

整個系統由若干無線溫度傳感器節點、測控主機和PC 機組成，其中無線溫度傳感器節點按一定布點規則分布于倉庫內，執行溫度數據采集、預處理和傳輸等工作。測控主機由無線收發模塊nRF9E5 及報警裝置組成，通過外接MAX232 轉換電路，和PC 機進行串口通信。測控主機通過無線通訊方式與各個節點進行數據傳輸、存儲及命令的傳送。PC 機給測控主機發送功能命令并對采集到每個節點溫度數據進行智能分析、顯示和打印。限于篇幅，本文主要介紹無線溫度傳感器節點的硬件結構和軟件設計方法。

3.1 無線溫度傳感器節點的設計

溫度傳感器節點是的網絡的基本單元，響應測控主機的指令并發送數據。由于傳感器節點通常采用電池供電，電池的容量一般不是很大。并且在使用過程中，不能給電池充電或更換電池，一旦電源耗盡，這個節點就失去了作用。因此在傳感器網絡節點的設計過程中，任何技術和協議的使用都要以節能為前提。在硬件設計方面，要盡量采用低功耗器件，在沒有通信任務的時候，切斷射頻部分電源；在軟件設計方面，各層通信協議都應該以節能為中心。

3.1.1 射頻SOC nRF9E5

nRF9E5 是挪威Nordic 公司去年推出的系統級RF 芯片。該芯片采用+3VDC 供電，面積為5mm×5mm，共有32 個外部引腳，包括UART 和SPI 等功能。內部集成了nRF9E5 射頻模塊、8051 微控制器及A/D 轉換模塊，具有433/868/915MHz 三波段載波頻率。采用GFSK 調制，抗干擾能力強；支持多點通訊，數據傳輸速率高達0.1Mbps。具有特有的ShockBurst 信號發射模式和發射信號載波監測功能，可有效降低功耗電流、避免數據沖突。內部寄存器為用戶測控主機提供了基礎的通訊協議，便于用戶擴展，縮短了開發周期，因此很適用于無線數據傳輸系統的設計。

nRF9E5 使用SPI 接口進行單片機與無線模塊間的數據傳輸。這部分在nRF9E5 片內的8051內核與nRF905 射頻收發器之間完成。nRF9E5 的收發器有三種工作方式，ShockBurst 接收（RX）方式，ShockBurst 發送（TX）方式和空閑方式。nRF9E5 收發器的工作方式由特殊功能寄存器TRX_CE 和TX_EN 決定，ShockBurst 接收方式下，當收到一個有效地址的射頻數據包時，地址匹配寄存器位（AM）和數據準備好寄存器位（DR）通知片內MCU 把數據讀出。在ShockBurst 發送方式下，nRF905 自動給要發送的數據加上前綴和CRC 校驗。當數據發送完后，數據準備好寄存器位（DR）會通知MCU 數據已經處理完畢。當系統沒有發送和接收任務時，其進入空閑方式。nRF905 在空閑方式下，

一旦有任務要處理時，其能夠在很短的時間內就進入ShockBurst 接收方式和ShockBurst 發送方式。空閑方式下，晶體振蕩器依然工作，配置字中的內容不至于丟失。系統通訊時，各模塊處于正常接收狀態：收發使能位TRX_CE=1 且方式選擇位TX_EN=0。在運行過程中，可由用戶編程修改TX_EN=1 使各其工作于發射狀態。

3.1.2 數字溫度字傳感器

DS18B20 是Dallas 公司開發的微型化、低功耗的可編程單總線數字溫度傳感器，可直接將測得溫度值轉換為數字信號輸出。并具有以下主要功能特點：（1）獨有的單總線通信技術，只需一根信號線與單片機連接即可實現雙向通信。（2）電源電壓范圍3.3-5V，可通過信號線寄生供電或由外電源直接供電。（3）測溫范圍為-55-125℃，在-10-85℃內可保持±0.5℃的精確度。（4）通過編程可實現9-12 位的數字讀數方式，即在溫度轉化時可選擇0.5℃、0.25℃、0.125℃、0.0625℃四種不同的分辨率。（5）可設定非易失性溫度報警上下限值TH 和TL，通過報警搜索命令可獲取報警信息。

DS18B20 的工作遵循嚴格的單總線協議。即先初始化，然后發送ROM 命令，最后發送功能命令。初始化包括主機發出復位脈沖（通過將總線拉低至少480μs 來實現）隨即主機等待DS18B20 發回的存在脈沖。DS18B20 則從檢測到復位脈沖的上升沿開始等待15-16μs 后通過將單總線拉低60-240μs 實現存在脈沖的發送。DS18B20 的讀寫操作是通過讀寫時序來實現的。

3.2 軟件設計

本系統是一個簡單的點對多點通信，所以通信協議分為三層即可。第一層為物理層，由nRF9E5 模塊硬件實現；第二層為數據鏈路層；第三層為應用層。

數據鏈路層的功能是提供可靠的無線數據傳輸。發送數據時，將應用層發來的比較長的數據幀拆分為短的數據幀，并加上包頭和校驗和，重新打包后發送出去。接收數據時，將接收到的數據解包并重新組合成完整的長數據，移交給應用層。數據鏈路層的數據幀格式為：每幀包括兩個字節的起始幀0xFFH和0xAAH，幾個字節的地址（字節大小由系統節點數量決定），一個字節的幀類型，一個字節的有效數據長度，兩個字節的數據和兩個字節的校驗和，一個字節的幀停止位0x00H。

由于在整個系統中無線通信的頻率采用一個頻道433.92MHZ 作為通信載波頻率，所以整個系統的通信必須采用分時技術將測控主機與多節點之間的通信變成為測控主機與一節點進行點對點通信的多條鏈路的組合。也就是說測控主機必須采用掃描的方式逐點采集數據。節點則采用中斷方式，對主接收器發出的地址信息進行處理，若與本機地址相符則執行命令。首先，由測控主機向系統中某一節點發出溫度轉換命令包。接著當節點收到主機發來的命令包時啟動DS18B20 進行溫度轉換，然后上傳給主機。最后，當主機收到節點的數據包并校驗之后，主機將發送一個確認數據包給節點，以確認節點數據包的正確性。如果數據在傳輸的過程中有數據丟失，主機將要求節點重新發送數據，直到數據全部正確為止。

圖3 和圖4 分別為主機和節點的程序流程圖

4 試驗結果

現將按上述方案設計的溫度檢測系統與某儲備庫使用的傳統檢測系統進行了現場對比試驗。其中本系統數字溫度傳感器DS18B20采用11位的數字讀數方式，原系統采用MF-53-1型熱敏電阻，水銀溫度計刻度為0.1℃，讀數可到0.05℃ 。測量結果如表2所示。

從實際測量數據可以看出，所設計的系統的測量誤差較小，主要是由于傳感器本身存在誤差，網絡傳輸過程中幾乎不會引入誤差。

5 結論

傳感器網絡被認為是影響人類未來生活的重要技術之一，這一新興技術結合了現有的多種先進技術，為人們提供了一種全新的獲取信息、處理信息的途徑。因此，基于無線傳感器網絡的糧情檢測系統克服了傳統系統存在的不足，試驗結果表明系統具有良好的工作穩定性和測量的準確性，系統抗干擾能力強，避免了雷擊；網絡節點體積小，安裝和拆卸方便靈活，而且容易通過其表面涂上防腐材料以達到抗腐蝕能力，延長器件壽命；節點功能擴展性強，通過增加相關的傳感器和轉換電路，即可實現糧食濕度和蟲害密度的檢測。同時由于傳感器網絡本身的特點，使得它與現有的傳統網絡技術之間存在較大的區別，給人們提出了很多新的挑戰，特別是傳感器網絡節點的能量供給及成本問題，限制了它的應用范圍。隨著科技的進步和成本的降低，無線傳感器網絡技術在糧食儲藏中的應用將產生重大的經濟和社會效益。