程凱，邱雙慶，王小魯，徐力

(中國海洋大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，青島 266100)

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基于LwMesh架構(gòu)SAM R21的庫房環(huán)境無線監(jiān)測系統(tǒng)

程凱，邱雙慶，王小魯，徐力

(中國海洋大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，青島 266100)

摘要:針對庫房內(nèi)部環(huán)境參數(shù)監(jiān)控，提出了一種新型的智能化解決方案。系統(tǒng)以SHT11作為溫濕度傳感器，利用SAM R21單片機(jī)建立基于LwMesh架構(gòu)的無線通信網(wǎng)絡(luò)，組建多個監(jiān)測節(jié)點(diǎn)。庫房內(nèi)的溫濕度監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采用立體式分布，可有效實(shí)時(shí)反饋庫房內(nèi)各部分的溫濕度等環(huán)境參數(shù)，方便對庫房進(jìn)行智能化管理。

關(guān)鍵詞:無線監(jiān)控；SAM R21；庫房環(huán)境；LwMesh

引言

為充分利用庫內(nèi)空間，恒溫庫內(nèi)通常對蔬果采用立體式分層儲藏，實(shí)現(xiàn)對庫房內(nèi)各部分環(huán)境參數(shù)的立體式無線智能化監(jiān)測，能夠保證庫房內(nèi)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測的準(zhǔn)確性和覆蓋范圍。

1系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)主要由SAM R21控制芯片和溫濕度傳感器組成的多個探測節(jié)點(diǎn)以及顯示、存儲和控制單元構(gòu)成，利用SAM R21片上的RF233射頻收發(fā)器組建基于Light Weight Mesh (LwMesh)架構(gòu)的低功耗無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。主控制器發(fā)送設(shè)置和查詢指令，各個節(jié)點(diǎn)接收指令后進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)或直接執(zhí)行相應(yīng)指令，反饋環(huán)境參數(shù)信息上傳至主控制器，存入存儲模塊，由顯示器實(shí)時(shí)顯示恒溫庫內(nèi)的平均溫度和濕度值[1]。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)原理框圖

2系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)選用Atmel公司的SAM R21作為核心控制器件，通過單片機(jī)和溫濕度傳感器檢測各節(jié)點(diǎn)環(huán)境參數(shù)，建立基于LwMesh的無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，由控制和顯示單元對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和調(diào)整。

2.1通信協(xié)議介紹

LwMesh是一種專有的低功耗無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可以工作于所有Atmel IEEE 802.15.4收發(fā)器和片上系統(tǒng)，易于配置和使用，其擁有兩種不同類型的節(jié)點(diǎn)：路由節(jié)點(diǎn)(地址 < 0x8000)和非路由節(jié)點(diǎn)(地址≥0x8000)[2]。非路由節(jié)點(diǎn)可以從任意節(jié)點(diǎn)收發(fā)數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)間無從屬關(guān)系，沒有定期業(yè)務(wù)流量占用寬帶，無需專用節(jié)點(diǎn)來啟動網(wǎng)絡(luò)，一旦上電節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備好即可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。如果目的路徑未知，則自動產(chǎn)生路徑搜索，根據(jù)收發(fā)幀的數(shù)據(jù)自動更新路由表。LwMesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　LwMesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3　LwMesh協(xié)議棧架構(gòu)

LwMesh協(xié)議棧屬于輕量級的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，適合于小流量的數(shù)據(jù)傳輸，組網(wǎng)簡便快捷，其協(xié)議棧架構(gòu)如圖3所示。硬件抽象層提供基本的硬件功能，如硬件計(jì)時(shí)器、睡眠控制、通用輸入/輸出接口；無線物理層主要實(shí)現(xiàn)訪問無線收發(fā)器的功能；網(wǎng)絡(luò)層包含協(xié)議棧的核心服務(wù)；系統(tǒng)服務(wù)和應(yīng)用服務(wù)為所有的層提供通用功能，這些都是協(xié)議棧正常運(yùn)行的必要條件。LwMesh協(xié)議?？梢蕴峁┗镜臄?shù)據(jù)服務(wù)，在通信過程中產(chǎn)生應(yīng)答和確認(rèn)、路徑發(fā)現(xiàn)和路由功能、無線收發(fā)器的電源管理、無線收發(fā)器高級功能接口(如加密、能量檢測、隨機(jī)數(shù)生成等)。其應(yīng)用程序可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理、數(shù)據(jù)發(fā)送失敗后進(jìn)行重發(fā)、對消息負(fù)載格式進(jìn)行定義、設(shè)置高級安全模式，并能夠?qū)崿F(xiàn)對MCU電源管理和硬件外設(shè)接口(ADC、PWM、EEPROM等)的管理。

2.2SAM R21硬件資源

SAM R21G18A是包含了SAM D21和RF233射頻收發(fā)器全功能的系統(tǒng)級芯片，片上資源豐富，主要包括：

① ARM Cortex-M0+處理核心，最高主頻為48 MHz；

② 工作電壓為1.8～3.6 V，運(yùn)行模式下功耗低至70 μA/MHz；

③ 256 KB的FLASH和32 KB的SRAM等存儲資源；

④ 12通道的DMA控制器和12通道的事件觸發(fā)系統(tǒng)；

⑤ 8通道的12位高精度模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器和兩個模擬比較器；

⑥ 3個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，均可通過軟件配置成8位、16位或32位的相應(yīng)工作模式；

⑦ 5個通用串行通信接口(SERCOM)，每個接口均可通過軟件配置制成UART/USART、SPI或I2C的任意一種工作模式；

⑧ 內(nèi)置嵌入式全速USB2.0模塊,支持主機(jī)和設(shè)備兩種模式[2]。

2.3溫濕度傳感器SHT11

SHT11是具有2線串行接口的單片全校準(zhǔn)數(shù)字式新型相對濕度和溫度傳感器，可用來測量相對濕度、溫度和露點(diǎn)等參數(shù)，傳感器響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，具有數(shù)字式輸出、免調(diào)試、免標(biāo)定、免外圍電路以及全互換等特點(diǎn)。SHT11融合了CMOS芯片技術(shù)與傳感器技術(shù)，片內(nèi)集成溫濕度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換、信號放大處理和2線串行接口等模塊，默認(rèn)測量溫度和相對濕度的分辨率分別為14位、12位，通過狀態(tài)寄存器可降至12位、8位[3]。濕度測量范圍為0～100% RH，溫度測量范圍為-40～+123.8 ℃，每個傳感器芯片都在極為精確的濕度室中進(jìn)行標(biāo)定，以程序形式將校準(zhǔn)系數(shù)存儲于片內(nèi)，在測量過程中可對相對濕度自動校準(zhǔn)，可以對節(jié)點(diǎn)SHT11進(jìn)行互換而不影響其測量結(jié)果[4]。

SHT11測量原理：利用兩個傳感器分別產(chǎn)生相對濕度、溫度信號，經(jīng)過放大，分別送至A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、校準(zhǔn)和糾錯，再通過2線串行接口將相對濕度及溫度數(shù)據(jù)傳送至微控制器，最后利用微控制器完成非線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償，得到測量結(jié)果。

SHT11通過2線串行接口與單片機(jī)直接相連，無需A/D轉(zhuǎn)換電路，SAM R21單片機(jī)提供2個I/O接口分別作為時(shí)鐘線SCK和數(shù)據(jù)線DATA。傳感器的VDD與GND之間接去耦電容，數(shù)據(jù)線DATA需要接入上拉電阻，按照SHT11的讀寫指令和時(shí)序設(shè)計(jì)軟件流程，即可完成單片機(jī)與傳感器之間的數(shù)據(jù)采集與傳輸。其接口示意圖如圖4所示。

圖4　SHT11與SAM R21單片機(jī)接口電路

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，通過環(huán)境參數(shù)采集子程序、無線通信子程序、顯示子程序、輸出控制子程序、鍵盤中斷服務(wù)子程序等各個模塊化程序?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)功能[5]。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，各個傳感器節(jié)點(diǎn)主要完成4項(xiàng)任務(wù)：①掃描信道并申請加入網(wǎng)絡(luò)；②執(zhí)行或轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)和控制指令；③定時(shí)采集并發(fā)送環(huán)境參數(shù)；④定時(shí)檢測網(wǎng)絡(luò)通信鏈路。各個監(jiān)測點(diǎn)工作流程如圖5所示。

圖5　監(jiān)測節(jié)點(diǎn)工作流程圖

4測試結(jié)果分析

庫房環(huán)境無線監(jiān)測系統(tǒng)由各個節(jié)點(diǎn)反饋的監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算得到室內(nèi)平均溫度和平均相對濕度，與現(xiàn)場溫度、濕度計(jì)實(shí)測的室內(nèi)平均溫濕度數(shù)據(jù)對比，數(shù)據(jù)如表1所列。

結(jié)語

表1　室內(nèi)平均溫濕度檢測數(shù)據(jù)對比

參考文獻(xiàn)

[1] 張贊,彭楚武.基于DS87C520的分布式溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].國外電子元器件,2004(9):4-6.

[2] Atmel Corporation.SAM R21 Datesheets Complete [EB/OL].[2015-07].http://www.atmel.com/images/atmel-42223-sam-r21_datasheet.pdf.

[3] 薛敏迪.基于nRF905的低功耗溫濕度無線測量系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2010(1):135-138.

[4] 馮顯英,葛榮雨.基于數(shù)字溫濕度傳感器SHT11的溫濕度測控系統(tǒng)[J].自動化儀表,2006,27(1):59-61.

[5] 王淑紅,李貴山.蔬菜大棚自動監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)儀表與自動化裝置,2000(5):54-55.

程凱(副教授)，研究方向?yàn)樽詣涌刂?、嵌入式系統(tǒng)、光電傳感器等。

Warehouse Environment Wireless Monitoring System Based on SAM R21 of LwMesh

Cheng Kai,Qiu Shuangqing,Wang Xiaolu,Xu Li

(College of Information Science and Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266100,China)

Abstract：Aiming at monitoring the warehouse internal environmental parameters,a new intelligent solution is proposed.The system takes SHT11 as the temperature and humidity sensor.All the detect nodes can connect with each other through the wireless communication network based on LwMesh,which is built by SAM R21 microcontroller.The monitoring nodes should be placed spatially in the warehouse.The system can real-time feedback the temperature and humidity of each part of the warehouse,so that the warehouse could be well managed.

Key words:wireless monitoring;SAM R21;warehouse environment;LwMesh

收稿日期：(責(zé)任編輯：薛士然2015-08-27)

中圖分類號:TP368.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A