章 力，徐保國(guó)

（江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，無(wú)錫 214122）

隨著傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)的高速發(fā)展，孕育出了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN，并以距離近、低成本、低功耗、自組織和分布式的特點(diǎn)，使其逐漸從理論研究轉(zhuǎn)到現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。白酒發(fā)酵溫度監(jiān)測(cè)就是一個(gè)典型的應(yīng)用。

目前在酒廠信息化方面，對(duì)于白酒發(fā)酵溫度采集方法的研究很多，但都未從根本上同時(shí)解決測(cè)量位置、測(cè)量時(shí)間的精確性以及減少勞動(dòng)強(qiáng)度的問(wèn)題。據(jù)調(diào)查，國(guó)內(nèi)酒廠獲得窖池發(fā)酵溫度普遍采用人工操作儀表和有線自動(dòng)測(cè)量?jī)煞N方式。這兩種方式存在以下缺點(diǎn)[1]：（1）測(cè)量時(shí)間和位置精度無(wú)法保證，效率低和浪費(fèi)勞力；（2）布線成本高，易造成工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)布線混亂；（3）可維護(hù)性，可擴(kuò)展性差。因此，本文提出以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)構(gòu)建白酒發(fā)酵溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)無(wú)線傳感器采集發(fā)送溫度數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)分析和處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)窖池發(fā)酵溫度的有效監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

如圖1所示，窖池發(fā)酵溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要有3層結(jié)構(gòu)[2]：底層為監(jiān)測(cè)層，包含多個(gè)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)，測(cè)溫節(jié)點(diǎn)放置在窖池中，采集并發(fā)送溫度信息；中間層是路由節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)本組無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理，并將匯聚的數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)及接收來(lái)自上位機(jī)的命令；頂層為上位機(jī)，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)、分析溫度數(shù)據(jù)及發(fā)送操作命令。系統(tǒng)上位機(jī)和酒廠生物研究中心通過(guò)光纖通信以便遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型Fig.1 System structure model

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件模塊化設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)工作主要集中于路由節(jié)點(diǎn)和測(cè)溫節(jié)點(diǎn)。兩類(lèi)節(jié)點(diǎn)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括傳感器模塊、微控制器模塊、電源模塊、無(wú)線射頻收發(fā)模塊和串口通信模塊等。為了保證節(jié)點(diǎn)的通用性和降低設(shè)計(jì)成本，兩類(lèi)節(jié)點(diǎn)相同功能模塊均采用了一致的硬件電路設(shè)計(jì)。鑒于各個(gè)模塊均以主流硬件芯片為主體構(gòu)成，因此本文將不再重復(fù)性介紹各模塊的標(biāo)準(zhǔn)電路。

（1）傳感器模塊：溫度傳感器選用PT100鉑熱電阻作為感溫元件，它的阻值隨著溫度的變化而改變。

（2）微控制器模塊：模塊采用的核心芯片是意法半導(dǎo)體公司（ST）的STM8L152C6T6單片機(jī)，它是該公司推出的首個(gè)基于STM8內(nèi)核的超低功耗8位微控制器。具有高達(dá)32 KB的閃存，1 KB的數(shù)據(jù)E2PROM，并有5種低功耗模式，豐富的片內(nèi)外圍模塊，靈活的時(shí)鐘系統(tǒng)等諸多優(yōu)點(diǎn)[3]。STM8L可在1.8 V～3.6 V低電壓下工作，系統(tǒng)采用3.3 V工作電壓。

（3）無(wú)線射頻收發(fā)模塊[4]：由 Silicon Labs公司生產(chǎn)的Si4432芯片及其外圍電路組成的。Si4432是一款高級(jí)陳度、低功耗、多頻段的EZRadioPRO系列無(wú)線收發(fā)芯片。其工作電壓為1.9 V～3.6 V，接收靈敏度達(dá)到-117 dB，可提供極佳的鏈路質(zhì)量且工作在240～960 MHz頻段內(nèi)，不加功率放大器時(shí)的最大輸出功率就可達(dá)到+20 dBm。系統(tǒng)利用該芯片具有功耗低、可選頻通信和功率可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，內(nèi)建空閑模式與掉電模式，對(duì)該模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了4種工作狀態(tài)：發(fā)送、接收、空閑和休眠。鑒于空閑狀態(tài)與接收狀態(tài)的功耗同處于較高數(shù)量級(jí)，因此在設(shè)計(jì)中采用了動(dòng)態(tài)定時(shí)和應(yīng)答機(jī)制，在保證傳輸?shù)那疤嵯?，盡量讓芯片處于休眠狀態(tài)。根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境差異，調(diào)整功率實(shí)現(xiàn)通信能力（距離）的改變，避免不必要的能量開(kāi)銷(xiāo)。

（4）串口通信模塊：模塊采用的是SP485核心芯片，是一款低功耗半雙工RS485收發(fā)器。選擇RS485總線的方式進(jìn)行通信，主要考慮到酒廠要求通信距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)，且可搭載多個(gè)路由節(jié)點(diǎn)構(gòu)成DCS系統(tǒng)。

2.2 測(cè)溫節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

測(cè)溫節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)[5-6]如圖2所示，主要由傳感器模塊、微控制器模塊、無(wú)線射頻模塊和電源模塊構(gòu)成。溫度傳感器PT100輸出的溫度信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)放電路后接至STM8L單片機(jī)具有A/D轉(zhuǎn)換功能的引腳上。

圖2 測(cè)溫節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure diagram of temperature measurement node

2.3 路由節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

路由節(jié)點(diǎn)主要包括串口通信模塊、微控制器模塊、無(wú)線射頻模塊和電源模塊。硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。單片機(jī)和射頻模塊之間通過(guò)SPI接口連接，單片機(jī)通過(guò)RS485串口與PC機(jī)通信。鑒于路由節(jié)點(diǎn)射頻收發(fā)頻率較高，且位置固定不變，因此采用電源適配器供電。

圖3 路由節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Structure diagram of routing node

2.4 GSM通信模塊設(shè)計(jì)

GSM模塊采用SIM300，是SIMCOM公司推出的GSM/GPRS三頻/四頻模式，集成了完整的射頻電路和GSM基帶處理器，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，適合開(kāi)發(fā)無(wú)線應(yīng)用產(chǎn)品。系統(tǒng)上位機(jī)將相關(guān)信息通過(guò)RS-232傳送到SIM300模塊，再由SIM300以短信息發(fā)送到用戶(hù)手機(jī)客戶(hù)端。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 基于類(lèi)ZMac協(xié)議的無(wú)線通信協(xié)議設(shè)計(jì)

通信協(xié)議是通信雙方為實(shí)現(xiàn)信息交換而制定的規(guī)則，通信協(xié)議設(shè)計(jì)是軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，也是通信可靠性的保證，由于無(wú)線收發(fā)模塊的特性，通信可能在發(fā)射端和接收端受到外界的干擾而使數(shù)據(jù)發(fā)生錯(cuò)誤，需要可靠的通信協(xié)議來(lái)保證接收端接收正確的數(shù)據(jù)。整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于類(lèi)ZMac協(xié)議的無(wú)線收發(fā)模式，相比于傳統(tǒng)復(fù)雜的Zigbee協(xié)議棧，其組網(wǎng)靈活、節(jié)能效果顯著，其通信協(xié)議格式如圖4所示。

圖4 通信協(xié)議格式Fig.4 Communication protocol format

其中，Preamble為前導(dǎo)碼，是一連串的10101010，其作用是用來(lái)同步通信節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘，決定何時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)包傳輸。Sync Word為同步字，要用設(shè)定好的同步字來(lái)作為同步模式的標(biāo)志碼，作為接收雙方判斷數(shù)據(jù)幀是否有效的標(biāo)志，本系統(tǒng)設(shè)定同步字為2個(gè)字節(jié)，同步字內(nèi)容為0x2DD4，接收端在檢測(cè)到同步字后才開(kāi)始接收數(shù)據(jù)。Packet Length為包長(zhǎng)，Payload為有效數(shù)據(jù)載荷，由用戶(hù)填入的要發(fā)送的實(shí)際通信數(shù)據(jù)。CRC為循環(huán)冗余校驗(yàn)碼。Si4432內(nèi)部集成有調(diào)制/解調(diào)、編碼/解碼等功能，發(fā)送時(shí)把數(shù)據(jù)包格式中的 Preamble、Sync Word、Packet Length和CRC由硬件自動(dòng)加載到相應(yīng)的寄存器中，用戶(hù)只需設(shè)定數(shù)據(jù)包的組成結(jié)構(gòu)和部分結(jié)構(gòu)的具體內(nèi)容。

3.2 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)軟件程序的開(kāi)發(fā)平臺(tái)是IAR Embedded Workbench for STM8，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為C語(yǔ)言。對(duì)于整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的搭建，路由節(jié)點(diǎn)和測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的無(wú)線收發(fā)程序設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。兩類(lèi)節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖5和圖6所示。

圖5 測(cè)溫節(jié)點(diǎn)程序流程圖Fig.5 Program flow chart of temperature measurement node

圖6 路由節(jié)點(diǎn)程序流程圖Fig.6 Program flow chart of routing node

根據(jù)組網(wǎng)要求，兩類(lèi)節(jié)點(diǎn)軟件系統(tǒng)啟動(dòng)后，都將首先進(jìn)行包括射頻模塊在內(nèi)的初始化過(guò)程，開(kāi)始測(cè)溫節(jié)點(diǎn)并未進(jìn)入休眠狀態(tài)，等到第一輪數(shù)據(jù)采集發(fā)送過(guò)后，上位機(jī)則廣播休眠命令，讓所有測(cè)溫節(jié)點(diǎn)進(jìn)入定時(shí)休眠狀態(tài)，接著上位機(jī)開(kāi)始計(jì)時(shí)，休眠時(shí)間溢出后，測(cè)溫節(jié)點(diǎn)進(jìn)入接收狀態(tài)，等待上位機(jī)的操作命令。路由節(jié)點(diǎn)在此過(guò)程中不僅要對(duì)射頻模塊接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，還要負(fù)責(zé)將來(lái)自上位機(jī)的每個(gè)操作命令轉(zhuǎn)發(fā)給測(cè)溫節(jié)點(diǎn)。

3.3 GSM模塊的軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)借助LabVIEW平臺(tái)實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與GSM模塊的通信，采用Text模式進(jìn)行短信的收發(fā)，實(shí)現(xiàn)酒廠生物研究中心對(duì)車(chē)間窖池的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)。系統(tǒng)中使用到的短信AT命令簡(jiǎn)介如下[7]：AT+CMGF=1，選擇發(fā)送方式，1表示選擇TEXT文本方式，設(shè)置成功后返回 OK。 AT+CNMI=2，1，，2表示通知TE，在數(shù)據(jù)線被占用的情況下，先緩沖起來(lái)，待數(shù)據(jù)線空閑，再行通知，1表示存儲(chǔ)到默認(rèn)的內(nèi)存位置，并向TE發(fā)出通知，設(shè)置成功后返回OK。AT+CMGS為發(fā)送短信命令，命令格式為AT+CMGS=電話號(hào)碼，當(dāng)GSM模塊返回“>”提示符后，PC機(jī)將要發(fā)送的內(nèi)容寫(xiě)入到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，然后發(fā)送到指定的號(hào)碼，短信發(fā)送成功返回OK。

3.4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用VC++進(jìn)行編程，使用SQL2005數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)、管理數(shù)據(jù)，并用虛擬儀器LabVIEW2010實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面[8]。上位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）向節(jié)點(diǎn)發(fā)送各種操作指令。

（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢(xún)功能。

（3）將路由節(jié)點(diǎn)傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并以圖表曲線等形式實(shí)時(shí)顯示。

本系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控界面是用LabVIEW軟件編寫(xiě)實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的白酒窖池發(fā)酵溫度監(jiān)控系統(tǒng)，成功應(yīng)用于甘肅金徽酒廠，該系統(tǒng)極大地減輕了工作人員的工作強(qiáng)度，測(cè)溫間隔時(shí)間準(zhǔn)確，測(cè)溫精度高，并且對(duì)于推進(jìn)我國(guó)白酒窖池發(fā)酵過(guò)程信息化的發(fā)展存在重要影響。

本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采用功耗極低的硬件設(shè)備，將采集到的溫度數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。系統(tǒng)運(yùn)用RS485總線協(xié)議和VC++編程實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的通信，并利用LabVIEW SQL Toolkit和SQL語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)了對(duì)SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)的復(fù)雜訪問(wèn)，最后將溫度數(shù)據(jù)以圖表曲線的形式呈現(xiàn)給用戶(hù)。此系統(tǒng)在酒廠生產(chǎn)應(yīng)用中具有廣闊的發(fā)展前景。

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