錢(qián)珊珠，吳俊青

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特　010018)

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基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)干燥箱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的探討

錢(qián)珊珠，吳俊青

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特010018)

摘要：無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)今社會(huì)發(fā)展研究的新方向。在研究干燥箱內(nèi)部性能和完成各種因素測(cè)試工作方面，傳統(tǒng)的有線傳感網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)逐漸落伍，能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)并且滿足干燥箱性能測(cè)試需求的技術(shù)由此應(yīng)運(yùn)而生，那就是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。為此，簡(jiǎn)單介紹了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了符合干燥箱性能測(cè)試的無(wú)線傳感結(jié)構(gòu)框圖，并選擇了合適的無(wú)線通信協(xié)議和硬件設(shè)備。

關(guān)鍵詞：干燥箱性能測(cè)試；無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)；通信協(xié)議；Zigbee

0引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)屬于多學(xué)科交叉領(lǐng)域，該技術(shù)可以形成多條無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與控制結(jié)構(gòu)自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)信息。該微型傳感器的節(jié)點(diǎn)具有3種能力：采集信息能力、計(jì)算能力和通信能力。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有突出的數(shù)據(jù)獲取和處理能力，因此廣泛應(yīng)用在軍事、防爆、救災(zāi)、環(huán)境、醫(yī)療、家居及工業(yè)等領(lǐng)域[1]。

近些年來(lái)，MEMS(Micro Electro Mechanical Systems 微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、SoC(System-on-a-chip 片上系統(tǒng))技術(shù)和嵌入式低功耗技術(shù)得到了快速的發(fā)展，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種新型的傳感器網(wǎng)絡(luò)也日趨完善。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)屬于一個(gè)多學(xué)科交叉的熱點(diǎn)領(lǐng)域，并以 802.15.4為其標(biāo)準(zhǔn)。該技術(shù)借助網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與控制結(jié)構(gòu)，同時(shí)利用節(jié)點(diǎn)的采集信息能力、計(jì)算能力和通信能力，可以自動(dòng)形成轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)信息的多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。微型傳感器節(jié)點(diǎn)的目的在于可以協(xié)作地感知采集數(shù)據(jù)并處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中所采集的信息，最后發(fā)送到電子終端進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算或其它數(shù)據(jù)處理[1-3]。

苜蓿干燥過(guò)程的進(jìn)程和干燥品質(zhì)與干燥箱內(nèi)溫濕度場(chǎng)分布有關(guān)。研究干燥箱內(nèi)溫濕度分布規(guī)律時(shí)，采用有線連接傳感器網(wǎng)絡(luò)涉及到在干燥箱上打孔穿電纜的問(wèn)題，需要多種傳感器；而多點(diǎn)測(cè)試時(shí)，有線傳感器網(wǎng)絡(luò)會(huì)引起干燥室密閉程度低、保溫性差，造成漏氣、能量損耗大等問(wèn)題，從而對(duì)干燥過(guò)程產(chǎn)生一定影響，并影響到試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與嚴(yán)謹(jǐn)性。

研究苜蓿太陽(yáng)能干燥過(guò)程中各影響因素(環(huán)境溫度、濕度，太陽(yáng)能輻射，熱空氣溫度、相對(duì)濕度，牧草溫度、含水率，苜蓿密度等)與干燥速率間關(guān)系，必須要采用不同的傳感器在干燥箱干燥苜蓿時(shí)測(cè)量各種因素，并將測(cè)量到的數(shù)據(jù)即時(shí)傳輸?shù)诫娔X做數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理。將無(wú)線傳感技術(shù)應(yīng)用在苜蓿太陽(yáng)能干燥各影響因素檢測(cè)中，可提高干燥箱的密閉性和保溫性，提高測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性及試驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性。

1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

對(duì)大部分的系統(tǒng)而言，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要包括傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、傳輸網(wǎng)絡(luò)和終端用戶[4]。對(duì)于復(fù)雜完整系統(tǒng)，還需定義與外部網(wǎng)絡(luò)鏈接的網(wǎng)關(guān)、基站、遠(yuǎn)程任務(wù)管理器和用戶等。圖1為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)圖。

圖1　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)圖

WSN網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)檢測(cè)區(qū)域中布置多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)自組織方式形成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)采集到信息,經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理后,發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn)(sink), 終端用戶通過(guò)因特網(wǎng)或衛(wèi)星通信接收信息。用戶可對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理并布置任務(wù)，也可通過(guò)與上述相反的過(guò)程將控制信息發(fā)送至傳感器節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)和控制。

WSN網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)檢測(cè)區(qū)域中布置多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)自組織方式形成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)采集到信息,經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理后,發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn)(sink), 終端用戶通過(guò)因特網(wǎng)或衛(wèi)星通信接收信息[4]。用戶可對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理并布置任務(wù)，也可通過(guò)與上述相反的過(guò)程將控制信息發(fā)送至傳感器節(jié)點(diǎn)，達(dá)到監(jiān)測(cè)和控制傳感器節(jié)點(diǎn)的目的。

1.1傳感器節(jié)點(diǎn)

傳感器節(jié)點(diǎn)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本組成單位，在傳感器網(wǎng)絡(luò)中通常是一個(gè)微型的嵌入式處理器，也是構(gòu)成無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)平臺(tái)。傳感器節(jié)點(diǎn)采集到信號(hào)之后，再經(jīng)過(guò)一些簡(jiǎn)單的處理，經(jīng)過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)，最終再傳輸?shù)絇C或其它終端，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理。無(wú)線接收裝置可以同時(shí)完成收發(fā)功能，如果需要，也可以通過(guò)PC設(shè)置的參數(shù)信息經(jīng)過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送到傳感器節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)單控制。傳感器節(jié)點(diǎn)具有采集數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)的功能，并以無(wú)線多跳的無(wú)中心方式為節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的連接方式，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭t處于動(dòng)態(tài)可變狀態(tài)[5]。由于資源有限且節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，傳感器各節(jié)點(diǎn)采集的信號(hào)類(lèi)型和范圍都是有限的。因此，在有限的存儲(chǔ)空間內(nèi)，只能對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行初步處理，并保存有限范圍和類(lèi)型的處理結(jié)果。

1.2匯聚節(jié)點(diǎn)

匯聚節(jié)點(diǎn)是指能夠感知信息的接受者和應(yīng)用者，人、計(jì)算機(jī)或者其他設(shè)備都可以作為匯聚節(jié)點(diǎn)。在網(wǎng)內(nèi)，作為信息收集點(diǎn)或控制者匯聚節(jié)點(diǎn)可以被授權(quán)監(jiān)聽(tīng)和處理網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間消息和數(shù)據(jù)，還可以向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送查詢(xún)請(qǐng)求或派發(fā)任務(wù)；在網(wǎng)外，作為中繼或網(wǎng)關(guān)可以鏈接到遠(yuǎn)端控制單元和用戶借助各種有線或無(wú)線鏈路，從而實(shí)現(xiàn)外界的控制單元與用戶進(jìn)行信息交換的功效。對(duì)比于上述節(jié)點(diǎn)群，匯聚節(jié)點(diǎn)的各方面功能都要稍加強(qiáng)大，它不僅可以在傳感器網(wǎng)絡(luò)和Internet等外部網(wǎng)絡(luò)間建立連接，而且能夠進(jìn)行兩種協(xié)議之間的通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，并通過(guò)公布監(jiān)測(cè)任務(wù)對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理，最后把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到外部網(wǎng)絡(luò)[6]。

2無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)單元構(gòu)成及功能

圖2為無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)單元構(gòu)成圖。其中，監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息的采集與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)由采集單元負(fù)責(zé)，傳感器的種類(lèi)和型號(hào)取決于被檢測(cè)的物理信號(hào)及檢測(cè)環(huán)境等條件；而整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的控制是由數(shù)據(jù)處理單元實(shí)現(xiàn)的，嵌入式CPU通常是微處理器的首選，主要職責(zé)是協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)各部分的工作；與其他傳感器節(jié)點(diǎn)間的無(wú)線通信、交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)是通過(guò)通信單元來(lái)實(shí)現(xiàn)；能量供應(yīng)單元是整個(gè)系統(tǒng)的最基礎(chǔ)重要的單元。

圖2　無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)單元構(gòu)成圖

干燥箱性能測(cè)試系統(tǒng)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3　干燥箱性能測(cè)試無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

對(duì)于干燥箱性能測(cè)試的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，需要采集環(huán)境及干燥箱內(nèi)部溫濕度變化、進(jìn)風(fēng)口及出風(fēng)口等處風(fēng)速風(fēng)量和所做實(shí)驗(yàn)中樣品質(zhì)量的改變來(lái)作為其含水量變化的數(shù)量依據(jù)，因此選擇溫濕度傳感器、稱(chēng)重傳感器和風(fēng)速傳感器。將每個(gè)傳感器與A/D轉(zhuǎn)換器相連接，經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換處理后發(fā)送到數(shù)據(jù)處理單元，再通過(guò)無(wú)線收發(fā)器將數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)送到接收信號(hào)處理器中，最后傳輸?shù)诫娔X中做數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理。

3無(wú)線通信協(xié)議的選擇

3.1短距離無(wú)線通信技術(shù)

中國(guó)減貧的歷史和事實(shí)，向世界上眾多的發(fā)展中國(guó)家雄辯地證明了發(fā)展中國(guó)家可以依靠自己的不懈努力擺脫貧困，實(shí)現(xiàn)國(guó)家的振興。

一般在100m以?xún)?nèi)通信范圍的無(wú)線通信技術(shù)稱(chēng)為短距離無(wú)線通信技術(shù)。與長(zhǎng)距離無(wú)線通信技術(shù)(衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信、擴(kuò)頻微波通信等)相比，短距離無(wú)線通信技術(shù)主要有無(wú)線電波、光波、紅外線3種通信方式[7]。當(dāng)前在短距離無(wú)線通信技術(shù)中，紅外數(shù)據(jù)傳輸(IrDA) 、無(wú)線局域網(wǎng)802.11b(Wi-Fi) 、藍(lán)牙(Bluetooth) 、超寬帶(UWB)及ZigBee等在工業(yè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。表1為幾種無(wú)線通信技術(shù)的對(duì)比。

表1　幾種無(wú)線短距離傳輸協(xié)議

由表1可以看出：ZigBee是一種低成本、低功耗、低速率和自組織性強(qiáng)的短距離無(wú)線通信技術(shù)，這些特點(diǎn)完全符合本次設(shè)計(jì)的要求?；?802.15.4 協(xié)議的 ZigBee 技術(shù)有自己的無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn),通信的實(shí)現(xiàn)通過(guò)很多小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)完成, 只需極少的能量，傳感器節(jié)點(diǎn)就能將數(shù)據(jù)信息從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器；最終, 計(jì)算機(jī)夠分析所獲得的數(shù)據(jù)信息，而該信息也可以被另一種無(wú)線技術(shù)所收集。所以，ZigBee 技術(shù)被認(rèn)為是最有可能在工程監(jiān)測(cè)、傳感器網(wǎng)絡(luò)及家庭監(jiān)控等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的無(wú)線技術(shù)。

ZigBee是一種標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)定義了短距離、低數(shù)據(jù)傳輸速率無(wú)線通信所需的一系列通信協(xié)議?；赯igBee的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)所工作的頻段為868Mhz、915MHz和2.4GHz，最大傳輸速率為250kbps。

ZigBee協(xié)議棧采用分層的思想來(lái)實(shí)現(xiàn)，分為物理層、介質(zhì)訪問(wèn)層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。其中，應(yīng)用層包含應(yīng)用程序支持子層、應(yīng)用程序框架層和ZDO設(shè)備對(duì)象。在協(xié)議棧中，對(duì)于下層來(lái)講，上層實(shí)現(xiàn)的功能是無(wú)法知道的，而上層可以調(diào)用下層提供的函數(shù)還實(shí)現(xiàn)某些功能。

3.2ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備類(lèi)型

ZigBee網(wǎng)絡(luò)有協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)3種設(shè)備類(lèi)型，類(lèi)型的選擇主要是根據(jù)ZigBee協(xié)議棧不同的編譯選項(xiàng)進(jìn)行的。協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)組建、維護(hù)及控制終端節(jié)點(diǎn)的加入等[8]。路由器主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的路由選擇，終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集，不具備路由功能。在網(wǎng)絡(luò)建立階段是協(xié)調(diào)器功能的體現(xiàn)，因此建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)只有借助協(xié)調(diào)器才能實(shí)現(xiàn)；網(wǎng)絡(luò)一旦建立以后，該設(shè)備的功能就是另一個(gè)路由器。

3.3ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有3種：簇樹(shù)型、結(jié)構(gòu)(Cluster Tree)、星型結(jié)構(gòu)(Star)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh)。在簇樹(shù)型結(jié)構(gòu)中,網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的增加是通過(guò)路由來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而路由節(jié)點(diǎn)或是終端節(jié)點(diǎn)都可以和協(xié)調(diào)器進(jìn)行連接。在星型網(wǎng)絡(luò)中，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)都是由 ZigBee 協(xié)調(diào)器進(jìn)行控制的,主要功能是負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建、信息的管理和維護(hù)。網(wǎng)絡(luò)中除去中心節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)器以外，剩余的設(shè)備都是終端節(jié)點(diǎn)，這些終端節(jié)點(diǎn)都能夠與協(xié)調(diào)器直接進(jìn)行通信。在第3種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中, 只有FFD可以作為路由節(jié)點(diǎn), 任意兩個(gè)FFD 節(jié)點(diǎn)都能夠在通信范圍之內(nèi)進(jìn)行通信，也可以延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的傳輸距離(通過(guò)采用多跳傳輸?shù)姆绞?。此外，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化也能靠其極強(qiáng)的自愈能力很好地適應(yīng)[9]。綜上所述，在上述3種結(jié)構(gòu)中, 最簡(jiǎn)單的是星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其適合一些簡(jiǎn)單的應(yīng)用；其余的兩種結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因?yàn)樗鼈兌加新酚傻木S護(hù)和管理，較適合一些遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膽?yīng)用。最初，針對(duì)本次對(duì)干燥箱性能測(cè)試的具體情況，選擇了成本低且最易實(shí)現(xiàn)的星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；但在簡(jiǎn)單的組網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：無(wú)線設(shè)備放置在干燥箱體中，而干燥箱有著良好的密封性，影響無(wú)線信號(hào)的傳輸距離。因此，選擇在終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器中間再加入一個(gè)路由器，以增加無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)距離，即選擇簇樹(shù)型結(jié)構(gòu)。

4ZigBee網(wǎng)絡(luò)硬件的選擇

選擇CC2530(見(jiàn)圖4)為核心芯片，它是TI公司生產(chǎn)的、用于2. 4-GHz、以ZigBee協(xié)議為通信協(xié)議的、真正的片上系統(tǒng)。其內(nèi)領(lǐng)先的RF收發(fā)器的性能及增強(qiáng)型8051 CPU，具有成本低及功耗低等優(yōu)點(diǎn)[10]。

CC2530芯片具有以下特點(diǎn)：

1)提供8通道12位A/D轉(zhuǎn)換器和21個(gè)通用GPI- O，2個(gè)USART接口；

2)128位AES加密解密安全協(xié)處理器；

3)看門(mén)狗定時(shí)器、32kHz晶振的休眠模式定時(shí)器；

4)支持2.0～3.6V供電電壓；

5)具有3種電源管理模式，即喚醒模式0.2mA、睡眠模式1μA和中斷模式 0.4μA；

6)工作溫度為-40～125℃。

圖4　CC2530功能引腳圖

5結(jié)語(yǔ)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在自動(dòng)控制領(lǐng)域已逐漸變成國(guó)際上關(guān)注的、集成知識(shí)度高并交叉多學(xué)科的熱點(diǎn)技術(shù)，在無(wú)線領(lǐng)域和計(jì)算機(jī)等許多領(lǐng)域都有極為廣泛的應(yīng)用和研究?jī)r(jià)值。本文只針對(duì)干燥箱性能測(cè)試系統(tǒng)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了總體的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)，并選擇了合適的無(wú)線通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備，最后簡(jiǎn)單地介紹了ZigBee無(wú)線協(xié)議。

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Performance Testing System of Drying Oven Based on Wireless Sensor Network (WSN)

Qian Shanzhu, Wu Junqing

(Agricultural Electrification，Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)

Abstract：Wireless sensor network is a new direction of today’s development and research. The traditional wired sensor networks have gradually fall behind to test the factors research drying chamber internal performance. Wireless sensor network technology has been supposed to meet the demand of drying oven and the best technology instead of traditional cable connection way. The paper simply introduces the wireless sensor network (WSN),design in accordance with the wireless sensor structure diagram of drying oven performance testing,select the appropriate wireless communication protocol and give a simple introduction of Zigbee.

Key words：drying oven performance testing; wireless sensor network; wireless communication protocol； Zigbee

文章編號(hào)：1003-188X(2016)02-0188-04

中圖分類(lèi)號(hào)：S375；TP393.03

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：錢(qián)珊珠(1964-),女，內(nèi)蒙古通遼人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)719725846@qq.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(203027)

收稿日期：2015-01-19