劉 帥 ，王 紅 ，2，吳舒辭

(1. 中南林業(yè)科技大學，湖南 長沙 410004；2. 湖南省科學技術廳，湖南 長沙 410013)

基于無線傳感器網絡的木材干燥監(jiān)測系統(tǒng)設計

劉 帥1，王 紅1，2，吳舒辭1

(1. 中南林業(yè)科技大學，湖南 長沙 410004；2. 湖南省科學技術廳，湖南 長沙 410013)

本文對無線傳感器網絡在木材干燥中的應用進行了探索性研究，提出基于無線傳感器網絡的木材干燥監(jiān)測系統(tǒng)，初步介紹了系統(tǒng)總體結構、傳感器節(jié)點的硬件和軟件資源。該系統(tǒng)由干燥窯無線監(jiān)測網絡和監(jiān)控中心兩個部分組成，可實時、在線、精確獲取干燥窯各類環(huán)境參數(shù)，具有部署靈活、維護方便、成本低廉、擴展性好等優(yōu)點。

木材干燥監(jiān)測系統(tǒng)；無線傳感器網絡；系統(tǒng)設計

木材干燥是一個復雜的過程，一般要經過升溫預熱、干燥、調濕、冷卻等處理階段。目前，木材干燥大多采用半自動或全自動控制系統(tǒng)，以干燥窯內干燥介質的溫度、濕度、熱風循環(huán)速度及木材含水率等參數(shù)作為干燥過程的控制依據(jù)。同時，窯內各參數(shù)的測量值還直接反映了木材干燥質量的好壞、干燥周期的長短和干燥能耗的高低。因此，對干燥窯內環(huán)境參數(shù)進行連續(xù)、實時、精確地監(jiān)測在木材干燥相關研究中具有重要意義[1-2]。

近年來，有不少關于木材干燥監(jiān)測和控制方面的研究報道：例如，采用雙CPU為主控制器的智能化木材干燥窯數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[3]；基于DSP的木材干燥窯多路參數(shù)測試系統(tǒng)[4]；LK型木材干燥過程電子智能控制系統(tǒng)[5]；木材干燥窯遠程控制系統(tǒng)[6]等。上述系統(tǒng)多采用串行通信或現(xiàn)場總線等有線通信技術。然而，由于干燥窯內溫、濕度分布不均勻，實際應用中往往需要在窯內不同的位置部署眾多數(shù)據(jù)采集器件，這樣必然導致窯內線纜縱橫交錯，增大了監(jiān)測系統(tǒng)安裝、調試及維護的成本和難度；且干燥室內環(huán)境惡劣，濕熱空氣中含有大量由木材中溢出的酸性物質（如醋酸、蟻酸等），極易導致通信電纜受腐蝕損壞；再者，過長的通信線路還會造成信號失真，從而大大降低了監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。由此可見，基于有線方式的數(shù)據(jù)采集難以滿足干燥生產的實際要求，不利于木材干燥過程的實時監(jiān)控。文獻[15]提出木材干燥含水率監(jiān)測系統(tǒng)WPS（Wireless Probe System），采用電測法測試干燥窯內木材含水率，通過無線傳輸方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控室，解決了有線方式所引起的問題。但是，該方案并未合理考慮無線信道爭用問題，若有兩個以上發(fā)射機同時發(fā)送數(shù)據(jù)，則會造成發(fā)送沖突。當干燥窯規(guī)模較大，窯內采集點較多時，會頻繁發(fā)生以上“碰撞”，白白消耗發(fā)射機有限的電池能量，并造成監(jiān)控室丟失該部分數(shù)據(jù)。

無線傳感器網絡（wireless sensor network，WSN）是一種剛剛興起的網絡技術，通常是由大量部署在監(jiān)測區(qū)域的微型傳感器節(jié)點以無線通信方式所組成的一個全分布式網絡系統(tǒng)，具有部署靈活、成本低廉、維護方便等優(yōu)點，目前廣泛應用于軍事、醫(yī)療、自然災害監(jiān)測、設施農業(yè)等領域[7-9]。筆者在文獻[15]研究成果的基礎上，試圖將無線傳感器網絡技術應用于木材常規(guī)干燥過程中，提出具有分布式數(shù)據(jù)采集、無線傳輸、智能分析與控制等功能的木材干燥實時監(jiān)測系統(tǒng)，并初步介紹了系統(tǒng)的總體架構、硬件及軟件平臺。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 需求分析

綜合分析木材干燥過程的需求和特點，對監(jiān)測系統(tǒng)提出如下設計要求[10]：

（1）實現(xiàn)干燥窯內設施環(huán)境的監(jiān)測，即在遠離干燥現(xiàn)場的場合，對干燥窯內的溫度、濕度、木材含水率等參數(shù)進行實時、在線監(jiān)測。

（2）能夠精準控制窯內設施，如加熱閥、噴蒸管、進排氣執(zhí)行器、風機方向及轉速等，以調節(jié)窯內環(huán)境，保證干燥質量，節(jié)能降耗。

（3）木材常規(guī)干燥處理以濕熱空氣作為干燥介質，強制對流作為主要傳熱方式，使得窯內的溫濕度分布不均勻，材堆各處的木材含水率也各不相同。為全面衡量木材的干燥狀況，需進行分布式數(shù)據(jù)采集。

（4）能夠適應干燥窯在數(shù)量上的擴展，實現(xiàn)對干燥窯的群控管理。

（5）發(fā)生異常情況需向監(jiān)控中心報警，比如因調控失靈引起的窯內環(huán)境異常。

結合木材干燥需求分析及無線傳感器網絡技術特點，本文后續(xù)部分將提出系統(tǒng)總體設計思路并介紹系統(tǒng)軟硬件資源。

1.2 體系結構及工作原理

監(jiān)測系統(tǒng)主要由無線傳感監(jiān)測網絡和監(jiān)控中心兩部分組成，以實現(xiàn)木材干燥過程的實時監(jiān)測和精準控制，其體系結構和工作原理如圖1所示?？紤]到干燥窯的集群管理，需進行多個窯的分布式控制。監(jiān)測網絡一般采用分簇的網絡結構[11]，將同一個干燥窯內所有傳感器節(jié)點劃分為一個簇。為降低系統(tǒng)復雜性，簇內節(jié)點采用相對簡單的星型網絡拓撲結構，即簇內節(jié)點彼此互不通信，但以單跳無線方式與本簇網關節(jié)點進行通信。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)的體系結構Fig.1 Monitoring system architecture

傳感器節(jié)點作為無線傳感器網絡的基本組成單位，具備數(shù)據(jù)處理和無線通信能力。為區(qū)分不同功能的無線傳感器節(jié)點，筆者定義了兩類節(jié)點：采集節(jié)點和網關節(jié)點。采集節(jié)點負責將采集到的溫濕度、木材含水率等數(shù)據(jù)發(fā)送至網關節(jié)點，網關節(jié)點再通過傳送網（如GSM）將收集的原始數(shù)據(jù)上傳給基站。網關節(jié)點作為連接干燥窯和外界的橋梁，負責轉發(fā)所有進出干燥窯的數(shù)據(jù)和信號。

基站匯總各個網關傳送來的數(shù)據(jù)，存檔于數(shù)據(jù)庫服務器中。與此同時，監(jiān)控中心的中央計算機實時讀取數(shù)據(jù)庫服務器中的數(shù)據(jù)，分析各干燥窯情況并作出控制決策，將產生的控制信號經基站轉發(fā)出去。

監(jiān)測系統(tǒng)還應提供Internet遠程數(shù)據(jù)訪問功能，用戶可以通過遠程客戶端調取數(shù)據(jù)庫服務器中的存檔數(shù)據(jù)，使身處異地的木材干燥專家能夠及時了解干燥進度，在線會診木材干燥過程中所出現(xiàn)的問題。

2 硬件設計

2.1 采集節(jié)點

傳感器節(jié)點是一個微型嵌入式系統(tǒng)，負責指定監(jiān)測區(qū)域數(shù)據(jù)的采集和收發(fā)工作，它主要由以下四個部分構成：感知器、微處理器、無線通信模塊、電源。在設計傳感器節(jié)點時，需綜合考慮成本、能耗、通信質量、耐腐蝕性等問題。傳感器節(jié)點的硬件結構框圖如圖2所示。

圖2 傳感器節(jié)點的硬件結構Fig.2 Hardware configuration of sensor nodes

感知器主要負責感知、收集監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境數(shù)據(jù)，并將其轉換為數(shù)字信號，它由工業(yè)用傳感器、A/D轉換及外圍電路組成。傳感器是實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的主要元器件，根據(jù)所采集數(shù)據(jù)的不同，需選用不同的傳感器。例如，窯內干燥介質的溫度采集可選用耐腐蝕的鉑電阻測溫傳感器PT100[12]，其技術參數(shù)如表1所示。

表1 傳感器技術參數(shù)Table 1 Specifications of sensor

微處理器是傳感器節(jié)點的核心部件，負責執(zhí)行組網協(xié)議、信號處理、數(shù)據(jù)暫存、電池能量管理、節(jié)點任務調度等工作。微處理器可選用TI公司推出的MSP430[13]，它具有128 kB閃存、8個10 bit的模數(shù)轉換及2個數(shù)模轉換接口，支持TinyOS嵌入式操作系統(tǒng)，具有良好的計算性能且功耗較低。無線通信模塊負責傳感器節(jié)點與網關通信，收發(fā)感知器所采集的數(shù)據(jù)。考慮成本、能耗、數(shù)據(jù)傳輸率等因素，可選用低功耗低成本CC2420芯片及其配套天線，該芯片工作頻率在2.4 GHz，兼容IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議，自帶8 Mbit的閃存，具備穩(wěn)定的性能。電源主要由單節(jié)鋰電池、電源保護電路、電池監(jiān)測芯片及相關外圍電路組成，為傳感器節(jié)點提供穩(wěn)定的能量供應及電路保護功能?？紤]木材干燥窯高溫高濕及酸性環(huán)境，傳感器節(jié)點直接與空氣接觸的部分需進行耐腐蝕處理，比如可以在外殼涂上SEBF材料[14-17]。

2.2 網關節(jié)點

網關節(jié)點要求處理能力強、運行速度快，且由于轉發(fā)大量數(shù)據(jù)，還需要較大的存儲空間，因此CPU選用具有豐富片上資源的ARM9微處理器S3C2410。為增強系統(tǒng)的可靠性，網關節(jié)點外接不間斷電源UPS。由于干燥窯相對封閉的環(huán)境會屏蔽來自外界的無線信號，可以考慮將網關節(jié)點布置在窯壁中，做到窯內和窯外兩頭連通。因此，需為網關節(jié)點配備兩套無線通信模塊：與窯內節(jié)點通信的CC2420芯片及其配套天線和與基站通信的GSM模塊TC35。

3 軟件設計

木材干燥監(jiān)測系統(tǒng)的軟件采用模塊化設計，如圖3所示，包括兩大部分：監(jiān)測中心系統(tǒng)軟件和傳感器節(jié)點軟件。

圖3 系統(tǒng)軟件結構Fig.3 Components of system software

3.1 監(jiān)測中心系統(tǒng)軟件

監(jiān)測中心系統(tǒng)軟件由以下幾個部分組成：系統(tǒng)初始化模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、輸出控制模塊、輔助模塊。系統(tǒng)初始化模塊負責基本的系統(tǒng)設置，如根據(jù)木材種類及厚度等合理設置傳感器節(jié)點的工作模式、節(jié)點采樣時間間隔、干燥基準等。數(shù)據(jù)處理模塊主要負責對所接收的原始數(shù)據(jù)進行智能化處理，包括數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)自動補償、非線性擬合等，從而產生能準確反映干燥窯內環(huán)境的數(shù)據(jù)，以供輸出控制模塊決策。輸出控制模塊通過向窯內干燥設施發(fā)出控制命令，如控制加熱閥、噴蒸管等，實現(xiàn)干燥窯內溫濕度自動調節(jié)。數(shù)據(jù)存儲模塊主體上是一臺數(shù)據(jù)庫服務器，負責保存所有原始采集數(shù)據(jù)，備份系統(tǒng)日志文件，提供系統(tǒng)查詢服務。原始采集數(shù)據(jù)應該包含完整的信息：采集時間、干燥窯編號、節(jié)點編號、參數(shù)值等，并以文件的形式存儲在數(shù)據(jù)庫服務器對應表格中。輔助模塊的功能：實時數(shù)據(jù)的圖形化顯示、報表打印、異常情況報警。

3.2 傳感器節(jié)點軟件

傳感器節(jié)點軟件以TinyOS操作系統(tǒng)為軟件支撐平臺，實現(xiàn)節(jié)點任務調度、網絡配置、終端數(shù)據(jù)采集等基本功能，還涉及時間同步、節(jié)點休眠與喚醒等算法。由于木材干燥周期長，工作量大，監(jiān)測系統(tǒng)需不停機持續(xù)運行較長時間，因此，除了要給傳感器節(jié)點備足電池，還要充分考慮傳感器節(jié)點節(jié)能降耗措施。在系統(tǒng)初始化階段，由網關節(jié)點統(tǒng)一負責為每個節(jié)點制定任務調度方案，不同的傳感器節(jié)點占據(jù)不同的發(fā)送時隙，避免多個節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)。為了節(jié)約能耗，空閑時節(jié)點處于休眠狀態(tài)，有任務時節(jié)點自我喚醒。根據(jù)任務調度情況，節(jié)點可進行工作狀態(tài)的切換，例如，當采樣時刻到來時采集數(shù)據(jù)，當發(fā)送時刻到來則發(fā)送數(shù)據(jù)，具體如圖4傳感器節(jié)點狀態(tài)圖所示。通過控制數(shù)據(jù)采樣間隔和采取休眠低功耗工作方式，單節(jié)鋰電池一次充電，可供傳感器節(jié)點工作半年以上。

4 系統(tǒng)試運行

圖4 傳感器節(jié)點狀態(tài)轉移Fig.4 State transition of sensor node

監(jiān)測系統(tǒng)在長沙縣某木材加工廠的小型磚混結構干燥窯中進行了初步試驗。在干燥窯中部署了4個傳感器節(jié)點，包括1個網關節(jié)點和3個采集節(jié)點。監(jiān)測對象為窯內的溫度和濕度?；臼褂霉P記本電腦替代，其上運行監(jiān)測系統(tǒng)軟件和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)SQL server 2005?；就饨覩SM模塊TC35，接收網關節(jié)點傳回的數(shù)據(jù)，同時在后臺寫入數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)表中保存。監(jiān)測系統(tǒng)軟件用VC++6.0編寫，目前已經實現(xiàn)圖形化顯示、波形處理、數(shù)據(jù)存儲等功能。圖5為溫度數(shù)據(jù)的部分采集結果。

圖5 實時溫度數(shù)據(jù)Fig.5 Real-time temperature data

5 小 結

近年來，隨著木材加工行業(yè)的快速發(fā)展，對木材干燥處理的自動化、智能化要求正逐漸提高。筆者嘗試將無線傳感器網絡技術應用于木材干燥過程的實時監(jiān)測，并提出監(jiān)測系統(tǒng)的設計方案。目前，該系統(tǒng)已初步實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的分布式采集、無線傳輸及實時顯示等功能，系統(tǒng)的其它軟硬件功能正在加緊調試，后續(xù)研究工作主要包括：

（1）完善監(jiān)測中心系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、查詢、打印、報警等功能；

（2）在線檢測木材應力，密切關注木材干燥質量；

（3）設計一種控制用無線傳感器節(jié)點：控制節(jié)點，通過電磁閥驅動窯內干燥設施，如加熱器、噴蒸管等，以調節(jié)窯內干燥環(huán)境，確保木材干燥質量。

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A design for monitoring system of lumber drying based on wireless sensor networks

LIU Shuai1, WANG Hong1,2, WU Shu-ci1

(1. Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China; 2. Hunan Provincial Science & Technology Department, Changsha 410013, Hunan, China)

∶ By doing a series of exploratory research for the application of wireless sensor networks to lumber drying, a monitoring system of lumber drying based on wireless sensor networks was put forward and a brief introduction of its general structure as well as its hardware and software resources of sensor’s nodes were given. Consisting of wireless monitoring networks for drying kiln and monitoring center, the system can acquire kinds of parameters from the drying kiln just-in-time, on line and precisely, with advantages of flexible arrangement, convenient maintenance, reasonable price and nice expansibility.

∶ monitoring system of lumber drying; wireless sensor networks; system design

S781.71；TP393

A

1673-923X(2013)11-0170-05

2013-08-16

湖南省自然科學基金項目（11JJ5020）；湖南省科技計劃項目（2011FJ3074）；中南林業(yè)科技大學青年基金項目（QJ2010010B）

劉 帥（1980-），男，講師，碩士，研究方向：林業(yè)信息化、智能檢測技術；E-mail：xifang99@126.com

吳舒辭（1957-），男，江西永新人，教授，博士，研究方向：計算機應用技術

[本文編校：吳 毅]