專(zhuān)利名稱(chēng)：一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的糧庫(kù)測(cè)溫、濕裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專(zhuān)利涉及的是糧庫(kù)測(cè)溫、濕裝置，具體來(lái)說(shuō)是基于單片機(jī)和無(wú)線射頻技術(shù)設(shè)計(jì)了一種無(wú)線化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、低功耗的糧庫(kù)無(wú)線測(cè)溫、濕裝置。
背景技術(shù)：
糧食倉(cāng)儲(chǔ)庫(kù)是糧食倉(cāng)儲(chǔ)的基本單元，庫(kù)區(qū)面積大且分散。為了保證糧食在儲(chǔ)藏過(guò)程中的安全，糧庫(kù)糧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是必不可少的。隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、通訊技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，高新技術(shù)已被應(yīng)用于糧庫(kù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，糧庫(kù)監(jiān)測(cè)技術(shù)是科學(xué)保糧的關(guān)鍵技術(shù)之一。多年來(lái)，在糧食部門(mén)和科技人員的大力協(xié)作下，糧情監(jiān)測(cè)技術(shù)不斷得到完善、提高、并且趨向成熟，逐步形成了樣式繁多的糧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為安全、科學(xué)儲(chǔ)備糧食起到了積極的作用。目前，國(guó)內(nèi)糧庫(kù)特別是中小型糧庫(kù)在倉(cāng)儲(chǔ)管理中由于技術(shù)和資金上的原因，多數(shù)僅限于只對(duì)溫、濕度進(jìn)行人工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，依靠人工進(jìn)行測(cè)量，效率低，準(zhǔn)確性差，當(dāng)溫度超標(biāo)時(shí)不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情并進(jìn)行相應(yīng)處理，從而造成大量損失。因此，研究開(kāi)發(fā)面向中小糧庫(kù)的糧情監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)已是迫在眉睫，在該糧庫(kù)無(wú)線測(cè)溫、濕裝置的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的中小糧庫(kù)糧情監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)可以很好地解決中小糧庫(kù)當(dāng)前所面臨的問(wèn)題。傳統(tǒng)上我國(guó)大部分糧庫(kù)采用的是有線測(cè)溫、濕，各部件之間采用電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，這種測(cè)溫、濕設(shè)備線路多，布線復(fù)雜、維護(hù)困難。易受用于糧食熏蒸的磷化氫氣體的腐蝕，造成大量的測(cè)溫器件癱瘓，因此增加了糧食的存儲(chǔ)成本。而許多糧食倉(cāng)儲(chǔ)單位采用的測(cè)溫儀器與人工抄錄、管理相結(jié)合的傳統(tǒng)方法不僅效率低，而且往往由于判斷失誤和管理不力造成局部或大范圍的糧食霉變現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的一種具有動(dòng)態(tài)路由節(jié)點(diǎn)隨意放置移植性好，系統(tǒng)可重構(gòu)性強(qiáng)，成本低，單一節(jié)點(diǎn)損壞不影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳輸采集，精確監(jiān)控和靈活方便的特點(diǎn)的對(duì)糧庫(kù)進(jìn)行溫度、濕度監(jiān)控的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。徹底擺脫了傳統(tǒng)的人工抄錄方法，構(gòu)建糧情數(shù)據(jù)分析決策上位機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)糧倉(cāng)中的溫、濕度，確保糧倉(cāng)內(nèi)合適的溫、濕度環(huán)境。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，糧庫(kù)測(cè)溫、濕裝置的發(fā)展趨勢(shì)必然是向無(wú)線化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，人工測(cè)糧庫(kù)溫、濕度方法及其傳統(tǒng)的管理方式必將遭到摒棄。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)目前中小型糧庫(kù)人工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)存在諸多不適的問(wèn)題，而提供極為適用于中小型糧庫(kù)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)溫、濕和上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示和管理的一種基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的糧庫(kù)無(wú)線測(cè)溫、濕系統(tǒng)。解決上述問(wèn)題所采取的技術(shù)方案是
一種基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的糧庫(kù)無(wú)線測(cè)溫、濕系統(tǒng)，包括無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)、集中器系統(tǒng)， 其中集中器系統(tǒng)與上位機(jī)相連。如圖1所示，所述無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)采集溫、濕度信息后通過(guò)射頻電路向集中器系統(tǒng)發(fā)送，集中器系統(tǒng)經(jīng)由射頻電路接收到信息后，可在其外圍存儲(chǔ)器上進(jìn)行存儲(chǔ)；集中器系統(tǒng)與上位機(jī)通過(guò)RS232串行通信方式傳輸，溫、濕度信息傳送到上位機(jī)以后，可以由軟件實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、顯示、報(bào)警等一系列功能。上述無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)如圖2所示，包括低功耗數(shù)字傳感器SHT11、無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)微處理器MSP430、射頻電路CCl 100、調(diào)試接口( JTAG)、存儲(chǔ)器AT45DB041、電源系統(tǒng)等。 其中處理器MSP430與其余各外圍電路相連；電源系統(tǒng)與各部分電路相連，本系統(tǒng)采用2節(jié) 5號(hào)堿性電池作為電源，電源系統(tǒng)由供電單元以及動(dòng)態(tài)電源管理單元組成，動(dòng)態(tài)電源管理單元設(shè)有節(jié)點(diǎn)電壓監(jiān)測(cè)電路。傳感器SHTll通過(guò)數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線與微處理器MSP430相連， JTAG通過(guò)信號(hào)線與微處理器MSP430相連，存儲(chǔ)器AT45DB041的各接口與微處理器MSP430 的通用I/O 口相連，射頻電路CCllOO的各接口通過(guò)4線SPI總線與微處理器MSP430通用 I/O 口相連，電源系統(tǒng)分別與各器件VCC接口相連進(jìn)行供電并設(shè)有電壓監(jiān)測(cè)電路。上述集中器系統(tǒng)如圖3所示，包括射頻電路CCl 100、微處理器STC89LE58RD+、 復(fù)位電路、按鍵電路、液晶顯示電路、存儲(chǔ)電路、串行通信電路等幾部分。其中處理器 STC89LE58RD+與其余各外圍電路相連；射頻電路CC1100通過(guò)4線SPI總線與微處理器 STC89LE58RD+的通用I/O 口相連，復(fù)位芯片MAX810R與微處理器STC89LE58RD+的復(fù)位接口相連，按鍵電路分別與與微處理器STC89LE58RD+的中斷接口、通用接口、計(jì)時(shí)器接口相連， 液晶顯示電路0CMJ4X8C直接與微處理器STC89LE58RD+相連，存儲(chǔ)電路與STC89LE58RD+的通用接口相連，串行通信電路與STC89LE58RD+的串行輸入、輸出端R)(D、TXD相連。上述存儲(chǔ)電路如圖4所示，包括鎖存器74HC573和集中器的存儲(chǔ)器HK1255-7，鎖存器74HC573的控制位接口與STC89LE58RD+的通用I/O 口相連，存儲(chǔ)器HK1255-7與鎖存器74HC573的對(duì)應(yīng)接口相連；上述串行通信電路如圖5所示，RS232與STC89LE58RD+的串行輸入、輸出端RXD、 T)(D相連，RS232通過(guò)串口線同時(shí)與上位機(jī)的串行輸入、輸出端PC RXD, PC T)(D相連。本發(fā)明的工作原理及操作程序
本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)成了一個(gè)集糧情監(jiān)測(cè)、監(jiān)測(cè)溫濕度分析和糧溫報(bào)警控制為一體的糧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)由一臺(tái)上位機(jī)、一臺(tái)集中器(Sink)和大量功能強(qiáng)大的傳感器測(cè)溫節(jié)點(diǎn)等組成。上位機(jī)(PC機(jī))和集中器放在糧庫(kù)的糧情監(jiān)測(cè)中心，它們距離很近，用RS232連接。集中器通過(guò)無(wú)線通信方式與各個(gè)糧倉(cāng)的測(cè)溫節(jié)點(diǎn)連接傳輸數(shù)據(jù)。根據(jù)糧庫(kù)的測(cè)溫結(jié)構(gòu)與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分簇結(jié)構(gòu)的相似，糧庫(kù)的多個(gè)糧倉(cāng)緊密排列在一起，每個(gè)糧倉(cāng)內(nèi)有多個(gè)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)，所以這里我們采用分簇結(jié)構(gòu)對(duì)糧庫(kù)的進(jìn)行糧情監(jiān)測(cè)。分簇路由技術(shù)是當(dāng)前無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器技術(shù)的前沿技術(shù)，通過(guò)增加無(wú)線通訊模塊來(lái)實(shí)施的。本發(fā)明中的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)可以分為簇頭節(jié)點(diǎn)和簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)，在分簇結(jié)構(gòu)中將每個(gè)糧倉(cāng)劃分成一個(gè)簇，每個(gè)簇由一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)和多個(gè)簇內(nèi)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)組成。每個(gè)倉(cāng)的簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)通過(guò)單跳路由機(jī)制把數(shù)據(jù)傳送給簇頭節(jié)點(diǎn)；每個(gè)倉(cāng)的簇頭形成了高一級(jí)的網(wǎng)絡(luò)，在簇頭之間傳輸數(shù)據(jù)，通過(guò)多跳轉(zhuǎn)發(fā)給集中器，在由集中器上傳給PC機(jī)，以實(shí)現(xiàn)糧情監(jiān)測(cè)。簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，然后將采集到的數(shù)據(jù)傳送給它所屬的簇的簇頭，由簇頭節(jié)點(diǎn)對(duì)簇內(nèi)成員傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后簇頭把處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)簇頭網(wǎng)絡(luò)傳送給糧情監(jiān)測(cè)中心或遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心。本專(zhuān)利的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)示意圖如圖2所示，其中簇頭節(jié)點(diǎn)和簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)均具有相同的構(gòu)造，均是由溫濕度傳感器、微處理器、射頻電路、調(diào)試和下載接口、存儲(chǔ)器、電源系統(tǒng)等組成。
處理器單元是傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的核心，和其他單元一起完成數(shù)據(jù)的采集、處理和收發(fā)。由于節(jié)點(diǎn)采用電池供電，因此功耗問(wèn)題顯得至關(guān)重要，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)就是采用MSP430系列的微控制器，功耗非常低，綜合比較幾種單片機(jī)，本專(zhuān)利選用了 TI公司的 MSP430F169 單片機(jī)。溫濕度傳感器SHTll能支持低功耗模式，溫濕度傳感器和微處理器通信采用串行二線接口 SCK和DATA，其中SCK為時(shí)鐘線，DATA為數(shù)據(jù)線，用以傳輸微處理器的命令，使傳感器采集數(shù)據(jù)并上傳。濕度值輸出分辨率為14位，溫度值輸出分辨率為12位，并可編程為 12位和8位。為了更精確的測(cè)量倉(cāng)內(nèi)的測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的溫度和濕度值，SHTll可以通過(guò)溫濕度的線性補(bǔ)償測(cè)量到更精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采集完數(shù)據(jù)后自動(dòng)轉(zhuǎn)入休眠模式。無(wú)線射頻芯片CCllOO是Chipcon公司推出的一款低成本單片的UHF收發(fā)器，專(zhuān)為低功耗無(wú)線應(yīng)用而設(shè)計(jì)，CCllOO的工作特點(diǎn)是自動(dòng)產(chǎn)生前導(dǎo)碼和CRC可以很容易通過(guò)SPI 接口進(jìn)行編程配置，電流消耗低。CCllOO共有20個(gè)引腳，其中有6個(gè)引腳和單片機(jī)的I/O 口相連。CCllOO通過(guò)4線SPI總線接口 (Si、SO、SCLK和CSn)實(shí)現(xiàn)MSP430F169單片機(jī)通信。SPI接口上所有操作都包含一個(gè)讀/寫(xiě)位，一個(gè)突發(fā)訪問(wèn)位和一個(gè)6位地址的頭字節(jié)。 其中，SCLK腳是串行時(shí)鐘接口 ；SO腳是串行輸出接口 ；CSN腳是串行配置選擇引腳；SI腳是串行輸入接口。它工作在SPI的從模式，該模式同時(shí)用作寫(xiě)緩存數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)芯片AT45DB041是ATMEL公司的新型512KB的串行FLASH芯片，外部電路簡(jiǎn)單，體積小，功耗低，適合傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。AT45DB041B在進(jìn)行編寫(xiě)和讀操作時(shí)， 片選引腳CS和一個(gè)連續(xù)輸入Si，連續(xù)輸出SO和連續(xù)時(shí)鐘SCK組成的三線訪問(wèn)接口使得 AT45DB041正常工作。所有的編寫(xiě)周期都是自同步的，因而在編寫(xiě)之前都無(wú)需分開(kāi)的擦除周期。AT45DB041外圍電路非常簡(jiǎn)單，可以很方便地與微控制器連接。S0、SI、SCK、/CS、/WP 分別與微處理器的通用I/O相連即可。JTAG(Joint Test Action Group聯(lián)合測(cè)試行動(dòng)小組)是一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試協(xié)議， 主要用于芯片內(nèi)部測(cè)試及對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真、調(diào)試，JTAG的基本原理是在器件內(nèi)部定義一個(gè) TAP (Test Access Port)測(cè)試訪問(wèn)口)通過(guò)專(zhuān)用的JTAG測(cè)試工具對(duì)進(jìn)行內(nèi)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。JTAG 口的芯片都有如下JTAG引腳定義
TCK——測(cè)試時(shí)鐘輸入；
TDI——測(cè)試數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)通過(guò)TDI輸入JTAG 口 ；
TDO——測(cè)試數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)通過(guò)TDO從JTAG 口輸出；
TMS——測(cè)試模式選擇，TMS用來(lái)設(shè)置JTAG 口處于某種特定的測(cè)試模式?？蛇x引腳TRST——測(cè)試復(fù)位，輸入引腳，低電平有效。電能是傳感器網(wǎng)絡(luò)珍貴的資源，節(jié)點(diǎn)電能一旦耗盡，即宣布其壽命到期并將退出網(wǎng)絡(luò)。無(wú)論是微處理器系統(tǒng)、外圍電路、CCllOO無(wú)線模塊等所用器件的工作電壓都工作在 3V，所以本系統(tǒng)采用2節(jié)5號(hào)堿性電池作為電源。并且隨著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，電池電壓會(huì)隨之緩慢地下降，所以需要當(dāng)電源電壓下降到系統(tǒng)工作的臨界值時(shí)，CPU能及時(shí)檢測(cè)到并及時(shí)作出反應(yīng)。這就需要傳感器節(jié)點(diǎn)有一個(gè)比較有效的電池電量監(jiān)測(cè)單元，本專(zhuān)利中采用加州大學(xué)伯克利分校研制的Mica2節(jié)點(diǎn)的電壓監(jiān)測(cè)電路來(lái)監(jiān)測(cè)電源的供應(yīng)情況。單片機(jī)系統(tǒng)、 CCllOO無(wú)線模塊等器件的工作電壓最低可以達(dá)到2. 4V，但是不能過(guò)低，鑒于這個(gè)原因，則應(yīng)選用警戒值為2. 6V的電壓監(jiān)測(cè)芯片。
本專(zhuān)利的集中器系統(tǒng)示意圖如圖3所示，集中器負(fù)責(zé)接受簇頭上傳的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)，然后再將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳給上位機(jī)。包括射頻電路CC1100、微處理器STC89LE58RD+、復(fù)位電路、按鍵電路、液晶顯示電路、存儲(chǔ)電路、串行通信電路等幾部分。由于集中器的不要求低功耗，且為了保證數(shù)據(jù)的安全性，我們采用加密性高、 超強(qiáng)抗干擾能力強(qiáng)的STC89LE58RD+單片機(jī)作為集中器的微處理器。STC89LE58RD+ 單片機(jī)的最高時(shí)鐘頻率0 80MHz，可選的“6時(shí)鐘/機(jī)器周期”和“12時(shí)鐘/機(jī)器周期”倍頻功能，讓它具備很高的處理速度。它有32K的Flash存儲(chǔ)器、16K字節(jié)的 E2PROM等，其片內(nèi)資源很豐富。STC89LE58RD+單片機(jī)外圍接口電路中各接口有上面介紹的串口接口、CCl 100的接口、HK1255存儲(chǔ)器的接口、液晶的接口以及按鍵接口等。集中器的射頻電路CCllOO在傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)造處已經(jīng)介紹過(guò)，不再贅述，唯一的區(qū)別在于功能的不同上述傳感器節(jié)點(diǎn)中簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)中射頻電路只負(fù)責(zé)發(fā)送信息給簇頭結(jié)點(diǎn)， 簇頭結(jié)點(diǎn)既負(fù)責(zé)接收信息又負(fù)責(zé)發(fā)送信息；而集中器的射頻電路只負(fù)責(zé)接收信息。復(fù)位電路復(fù)位芯片采用MAX810R，MAX810R是一種單一功能的微處理器復(fù)位芯片， 用于監(jiān)控微控制器和其他邏輯系統(tǒng)的電源電壓。它可以在上電，掉電和節(jié)電情況下向微控制器提供復(fù)位信號(hào)。當(dāng)電源電壓低于預(yù)設(shè)的門(mén)檻電壓時(shí)，器件會(huì)發(fā)出復(fù)位信號(hào)，直到在一段時(shí)間內(nèi)電源電壓又恢復(fù)到高于門(mén)檻電壓為止。按鍵電路直接與集中器的微處理器STC89LE58RD+相連，按鍵按下則提供低電平信號(hào)，其主要功能是實(shí)現(xiàn)中斷、程序檢測(cè)、LCD數(shù)據(jù)顯示調(diào)用程序，選擇菜單子程序等功能。液晶顯示電路采用0CMJ4X8C這款液晶直接與微處理器相連，可以接受串行或者并行的數(shù)據(jù)。內(nèi)置2M位中文字型ROM (CGROM)總共提供8192個(gè)中文字型。為了節(jié)省引
腳，所以本設(shè)計(jì)采用串行方式傳輸數(shù)據(jù)，其中二極管&是對(duì)于背光燈亮滅進(jìn)行控制的三極管；PSB引腳是串口選擇的控制端；LED_BACK引腳是單片機(jī)用來(lái)控制液晶背光燈的亮滅； RS(CS)是液晶選擇串口傳輸方式還是并口傳輸方式的控制位；R/W(SID)是液晶顯示數(shù)據(jù)傳輸口，它通過(guò)E (SCLK)的時(shí)鐘信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)；DB0-DB7是并口的數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸口這里沒(méi)有用到。集中器是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)最終下位機(jī)存儲(chǔ)設(shè)備，而監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)和快速存儲(chǔ)直接影響了整個(gè)糧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。為了保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠快速、安全的存儲(chǔ)，又因?yàn)榇鎯?chǔ)器的寫(xiě)循環(huán)次數(shù)不受限制，所以我們采用這種非易失性存儲(chǔ)器HK1255-7作為集中器的存儲(chǔ)器。HK1255-7有一個(gè)自帶鋰電源和控制電路，經(jīng)常監(jiān)視Vcc是否超過(guò)容許條件。當(dāng)超過(guò)容許條件時(shí)，鋰電源自動(dòng)接通，寫(xiě)保護(hù)無(wú)條件啟動(dòng)以保護(hù)混淆數(shù)據(jù)。此外，HK1255-7能夠無(wú)條件地寫(xiě)存儲(chǔ)器的保護(hù)塊，所以無(wú)意中做的寫(xiě)操作不會(huì)干擾程序和特殊的數(shù)據(jù)空間。 74HC573是用來(lái)鎖存HK1255存儲(chǔ)器的地址和數(shù)據(jù)的鎖存器。當(dāng)單片機(jī)為讀狀態(tài)時(shí)，通過(guò)控制位CS573A、CS573B、CS573C的置位將送出來(lái)的地址鎖存到HK1255的地址位上，當(dāng)HK1255 的/CSSRAM和/RD置位時(shí)，讀HK1255輸出的此地址的數(shù)據(jù)。微處理器的數(shù)據(jù)和地址或者向微處理器輸入HK1255數(shù)據(jù)和地址。當(dāng)單片機(jī)為寫(xiě)狀態(tài)時(shí)，通過(guò)控制位CS573A、CS573B、 CS573C的置位將送出來(lái)的地址鎖存到HK1255的地址位上，當(dāng)HK1255的/CSSRAM和/WE置位時(shí)，讀單片機(jī)輸出的數(shù)據(jù)，HK1255將數(shù)據(jù)保存在此地址中。這里D0-D7是數(shù)據(jù)位，A0-A18是HK1255的地址位，/RD是讀狀態(tài)位，/WE是寫(xiě)狀態(tài)位。串行通信電路采用RS232傳輸方式，利用集中器的串口將采集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)，上位機(jī)也通過(guò)串口下發(fā)命令給集中器。在傳輸幀中我們定義了傳輸控制命令，采用應(yīng)答機(jī)制保證準(zhǔn)確可靠的傳輸數(shù)據(jù)。PC_T)(D和PC_T)(D是與PC機(jī)連接的發(fā)送端和接受端，T)(D和T)(D是與集中器連接的串口的發(fā)送端和接受端。操作步驟
1、在本系統(tǒng)的硬件按要求連接成功后，就需啟動(dòng)軟件才能正常工作并發(fā)揮它的功能； 在系統(tǒng)進(jìn)行上電以后，系統(tǒng)自動(dòng)由主程序的初始化開(kāi)始，進(jìn)入程序主循環(huán)。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，倉(cāng)內(nèi)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)方法。軟件由主程序和中斷服務(wù)子程序組成。主程序包括初始化程序和監(jiān)控程序；中斷服務(wù)子程序包括中斷處理子程序、無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)子程序、數(shù)據(jù)采集子程序、簇協(xié)議子程序、低功耗子程序等。由于系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，因而主程序只負(fù)責(zé)調(diào)用各功能模塊程序。在系統(tǒng)進(jìn)行上電以后， 主程序由系統(tǒng)的初始化開(kāi)始，進(jìn)入程序主循環(huán)，依次判定是否加入網(wǎng)絡(luò)、電池是否欠壓、是否收到無(wú)線數(shù)據(jù)、是否發(fā)給本地址、等操作，待這些判斷結(jié)束后再進(jìn)行數(shù)據(jù)的定時(shí)采集與發(fā)送，最后進(jìn)入睡眠低功耗模式，等待中斷“喚醒”單片機(jī)。對(duì)于集中起來(lái)說(shuō)，在主體程序執(zhí)行前，必須對(duì)初始狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)，否則程序主體將不能正常執(zhí)行，也得不到正確的結(jié)果。本系統(tǒng)程序的初始化包括以下方面的內(nèi)容CPU寄存器、狀態(tài)和控制寄存器的定義；所使用的存儲(chǔ)單元的初始化，包括RAM數(shù)據(jù)初始化和非易失性隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器(HK1255-7)數(shù)據(jù)初始化；CCllOO各個(gè)控制寄存器的初始化配置等；端口控制寄存器的設(shè)置，如I/O 口初始化、液晶控制口初始化等。需要指出的是并非所有單片機(jī)的控制/方式寄存器和工作寄存器都需要進(jìn)行初始化，一般只需對(duì)參與工作的寄存器進(jìn)行初始化。由于糧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，因而測(cè)溫節(jié)點(diǎn)主程序只負(fù)責(zé)調(diào)用各功能模塊程序。主程序由系統(tǒng)的初始化開(kāi)始，進(jìn)入程序主循環(huán)，依次判定是否是本機(jī)地址、是否收到簇頭節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)是否接受正確、是否存在中斷、按鍵是否按下等操作，待這些判斷結(jié)束后再進(jìn)行液晶顯示，等待中斷處理結(jié)束。2、在系統(tǒng)上電進(jìn)行初始化和自檢完成后，便可以進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)傳輸了。主機(jī)發(fā)出啟動(dòng)SHTll命令，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟?，主機(jī)再發(fā)送測(cè)溫命令，SHTll便開(kāi)始測(cè)量數(shù)據(jù)。當(dāng)CCllOO處于睡眠模式時(shí)，天線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的前導(dǎo)信號(hào)，一旦確認(rèn)同步信號(hào)，則意味著本機(jī)已經(jīng)和發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)取得同步，接著就喚醒CCllOO開(kāi)始接收有效數(shù)據(jù)。接著開(kāi)始判斷地址字節(jié)，如果地址字節(jié)為本機(jī)地址，則判斷是否是什么樣的命令，一旦確認(rèn)，MCU就開(kāi)始利用路由算法進(jìn)行路徑的分析，向控制中心發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，將數(shù)據(jù)打包之后就通過(guò)天線向無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)。整個(gè)操作結(jié)束后CCllOO繼續(xù)睡眠。需要指出的是， CCllOO處于睡眠模式并不是所有的功能都關(guān)閉，因?yàn)閃OR必須被設(shè)置為開(kāi)啟狀態(tài)，電磁波激活(WOR)功能使CCllOO能夠周期地從深度休眠狀態(tài)激活，不需要MCU的作用也能偵測(cè)到來(lái)的數(shù)據(jù)包，這樣才能保證實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空中的信息幀，來(lái)確保整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的有效運(yùn)行。3、在簇頭節(jié)點(diǎn)選定后，該簇頭節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行廣播，廣播數(shù)據(jù)包含該節(jié)點(diǎn)成為簇頭節(jié)點(diǎn)的信息。非簇頭節(jié)點(diǎn)則始終打開(kāi)它們的接收器，監(jiān)聽(tīng)接受所有簇頭節(jié)點(diǎn)的廣播數(shù)據(jù)包。一旦非簇頭傳感器節(jié)點(diǎn)接收到所有廣播數(shù)據(jù)包，根據(jù)接收到的各個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)廣播信號(hào)強(qiáng)度，各非簇頭傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)CCllOO的RSSI功能選擇強(qiáng)度最大的簇頭節(jié)點(diǎn)加入，并向其發(fā)送成為其成員的數(shù)據(jù)包。4、每個(gè)倉(cāng)的簇頭形成了高一級(jí)的網(wǎng)絡(luò)，在簇頭之間傳輸數(shù)據(jù)，通過(guò)多跳轉(zhuǎn)路由機(jī)制發(fā)給集中器，在由集中器上傳給PC機(jī)，以實(shí)現(xiàn)糧情監(jiān)測(cè)。5、糧情監(jiān)測(cè)中心或工作人員通過(guò)對(duì)按鍵的使用可以很方便地進(jìn)行某倉(cāng)內(nèi)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的查詢(xún)和顯示操作。當(dāng)有顯示請(qǐng)求中斷時(shí)，主程序響應(yīng)中斷并顯示相關(guān)信息；LCD主要顯示當(dāng)前簇內(nèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)平均值、上傳和未上傳的簇頭號(hào)、簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)電量低于電壓閾值的節(jié)點(diǎn)號(hào)等信息。當(dāng)這些顯示任務(wù)完成后，IXD會(huì)在一定時(shí)間內(nèi)關(guān)閉以降低功耗。6、由上面的設(shè)計(jì)可見(jiàn)，節(jié)點(diǎn)在運(yùn)行過(guò)程存在著許多需要中斷處理的事件，要保證整個(gè)系統(tǒng)正常有序地運(yùn)行，必須按照這些中斷事件的優(yōu)先級(jí)的進(jìn)行排列。整個(gè)系統(tǒng)必須以監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的有效運(yùn)行出發(fā)點(diǎn)，必須將無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送作為所有中斷事件的最高級(jí)。而對(duì)于單個(gè)節(jié)點(diǎn)自身的數(shù)據(jù)處理等操作及不影響整個(gè)系統(tǒng)的有效操作，可以將節(jié)點(diǎn)自身操作的優(yōu)先級(jí)設(shè)置為低優(yōu)先級(jí)。一旦天線偵測(cè)到網(wǎng)絡(luò)中的信息幀，經(jīng)確認(rèn)同步信號(hào)后，無(wú)論節(jié)點(diǎn)處于睡眠或者其他活動(dòng)狀態(tài)，必須中斷，根據(jù)優(yōu)先級(jí)來(lái)處理本機(jī)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳送或中繼轉(zhuǎn)發(fā)等操作，等無(wú)線通信結(jié)束后再回到之前的操作狀態(tài)，只有這樣才能保證整個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)處于有序運(yùn)行的狀態(tài)。本專(zhuān)利的優(yōu)點(diǎn)
1、采用無(wú)線測(cè)溫、濕實(shí)現(xiàn)糧情的監(jiān)控，傳統(tǒng)上我國(guó)大部分糧庫(kù)采用的是有線測(cè)溫，各部件之間采用電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，這種測(cè)溫設(shè)備線路多，布線復(fù)雜、維護(hù)困難。易受用于糧食熏蒸的磷化氫氣體的腐蝕，造成大量的測(cè)溫器件癱瘓，因此增加了糧食的存儲(chǔ)成本。而許多糧食倉(cāng)儲(chǔ)單位采用的測(cè)溫儀器與人工抄錄、管理相結(jié)合的傳統(tǒng)方法不僅效率低，而且往往由于判斷失誤和管理不力造成局部或大范圍的糧食霉變現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)夠成的一種具有動(dòng)態(tài)路由節(jié)點(diǎn)隨意放置移植性好，系統(tǒng)可重構(gòu)性強(qiáng)，成本低，單一節(jié)點(diǎn)損壞不影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳輸采集，自動(dòng)報(bào)警功能，精確監(jiān)控和靈活方便的特點(diǎn)的對(duì)糧庫(kù)進(jìn)行溫濕度監(jiān)控的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。徹底擺脫了傳統(tǒng)的人工抄錄方法，構(gòu)建糧情數(shù)據(jù)分析決策上位機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)糧倉(cāng)中的溫濕度，確保糧倉(cāng)內(nèi)合適的溫濕度環(huán)境。2、采用分簇路由技術(shù)與單、多跳路由算法相結(jié)合的路由算法來(lái)傳送數(shù)據(jù)。若采用以往的從傳感器節(jié)點(diǎn)直接向基站傳送數(shù)據(jù)的方式，由于節(jié)點(diǎn)距基站的距離不同，節(jié)點(diǎn)能量消耗太不平均，有些節(jié)點(diǎn)能量消耗過(guò)大，距根節(jié)點(diǎn)距離越遠(yuǎn)的的節(jié)點(diǎn)傳送信息消耗的能量越大，越容易死亡。本專(zhuān)利設(shè)計(jì)中，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)與簇頭結(jié)點(diǎn)之間采用單跳路由機(jī)制來(lái)傳送數(shù)據(jù)，簇頭結(jié)點(diǎn)之間以及簇頭結(jié)點(diǎn)與基站之間采用多跳路由機(jī)制來(lái)傳送數(shù)據(jù)，并采用設(shè)定一定閾值的方式來(lái)輪選簇頭結(jié)點(diǎn)，保證了節(jié)點(diǎn)能量的平均消耗，防止了有些節(jié)點(diǎn)過(guò)快死亡，影響節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)，并且降低了功耗，延長(zhǎng)了節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間。3、采用了時(shí)隙喚醒機(jī)制，對(duì)于大多無(wú)時(shí)隙喚醒機(jī)制的無(wú)線組網(wǎng)方式，空閑時(shí)也消耗能量，加大了能耗。在本專(zhuān)利中，節(jié)點(diǎn)在工作完成后進(jìn)入睡眠模式，降低了節(jié)點(diǎn)的能耗，延長(zhǎng)了節(jié)點(diǎn)的使用壽命。4、采用了電源檢測(cè)裝置，無(wú)論是微處理器系統(tǒng)、外圍電路、CCllOO無(wú)線模塊等所用器件的工作電壓都工作在3V，所以本系統(tǒng)采用2節(jié)5號(hào)堿性電池作為電源。并且隨著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，電池電壓會(huì)隨之緩慢地下降，所以需要當(dāng)電源電壓下降到系統(tǒng)工作的臨界值時(shí)，CPU能及時(shí)檢測(cè)到并及時(shí)做出反應(yīng)。這就需要傳感器節(jié)點(diǎn)有一個(gè)比較有效的電池電量監(jiān)測(cè)單元，本設(shè)計(jì)中采用加州大學(xué)伯克利分校研制的Mica2節(jié)點(diǎn)的電壓監(jiān)測(cè)電路來(lái)監(jiān)測(cè)電源的供應(yīng)情況。


圖1為本專(zhuān)利系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本專(zhuān)利傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本專(zhuān)利集中器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本專(zhuān)利集中器存儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本專(zhuān)利集中器串行通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的糧庫(kù)測(cè)溫、濕裝置，包括簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)1、簇頭結(jié)點(diǎn)系統(tǒng)2、集中器系統(tǒng)3、上位機(jī)系統(tǒng)4。如圖1所示，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)1和簇頭結(jié)點(diǎn)2通過(guò)射頻電路以單跳路由方式無(wú)線傳輸檢測(cè)數(shù)據(jù)，簇頭結(jié)點(diǎn)2與簇頭結(jié)點(diǎn)2之間則通過(guò)射頻電路以多跳路由方式無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)，簇頭結(jié)點(diǎn)2與集中器3之間也是通過(guò)射頻電路無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)，集中器系統(tǒng)3通過(guò)RS232以及串行通信接口與上位機(jī)4之間方式傳輸數(shù)據(jù)。簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)1與簇頭結(jié)點(diǎn)2具有相同的構(gòu)造，均包括SHTll低功耗數(shù)字傳感器6、 MSP430無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)微處理器5、CC1100射頻電路10、JTAG調(diào)試接口 7、AT45DB041存儲(chǔ)器8、電源系統(tǒng)9等。如圖2所示，低功耗數(shù)字傳感器6通過(guò)數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線與MSP430微處理器5相連，射頻電路10通過(guò)SPI數(shù)據(jù)總線與微處理器5相連，JTAG調(diào)試接口 7通過(guò)信號(hào)線與微處理器5相連，存儲(chǔ)器8的各接口與微處理器5的通用I/O 口相連，射頻電路10的各接口通過(guò)4線SPI總線與微處理器5通用I/O 口相連，電源系統(tǒng)9分別與各器件VCC接口相連進(jìn)行供電并設(shè)有電壓監(jiān)測(cè)電路。集中器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要有以下幾部分構(gòu)成CC1100射頻電路10、STC89LE58RD+微處理器11、復(fù)位電路16、按鍵電路12、液晶顯示電路13、存儲(chǔ)電路14、串行通信電路15等幾部分。如圖3所示，處理器11與其余各外圍電路相連；射頻電路10通過(guò)4線SPI總線與微處理器11的通用I/O 口相連，MAX810R復(fù)位芯片16與微處理器11的復(fù)位接口相連，按鍵電路 12分別與微處理器11的中斷接口、通用接口、計(jì)時(shí)器接口相連，液晶顯示電路13直接與微處理器11相連，存儲(chǔ)電路14與微處理器11的通用接口相連，串行通信電路15與微處理器 11的串行輸入、輸出端RXD、TXD相連。上述存儲(chǔ)電路如圖4所示，包括74HC573鎖存器17 和HK1255-7存儲(chǔ)器18，鎖存器17的控制位接口與微處理器11的通用I/O 口相連，存儲(chǔ)器 18與鎖存器17的對(duì)應(yīng)接口相連；串行通信電路15的構(gòu)成主要是將RS232與串行行通信接口相連。上位機(jī)與集中器通信上位機(jī)采用RS232傳輸方式，上述串行通信電路如圖5所示， RS232串行通信模塊19與STC89LE58RD+微處理器11的串行輸入、輸出端RXD、T)(D相連， RS232通過(guò)串口線20同時(shí)與上位機(jī)21的串行輸入、輸出端PC RXD、PC TXD相連。利用集中器的串口將采集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)，上位機(jī)也通過(guò)串口下發(fā)命令給集中器。在傳輸幀中我們定義了傳輸控制命令，采用應(yīng)答機(jī)制保證準(zhǔn)確可靠的傳輸數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
1. 一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的糧庫(kù)測(cè)溫、濕裝置，包括低功耗數(shù)字傳感器SHT11、無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)微處理器MSP430、射頻電路CC1100、調(diào)試和下載接口( JTAG&UTRA)、存儲(chǔ)器 AT45DB041、電源系統(tǒng)，微處理器STC89LE58RD+、復(fù)位電路、按鍵電路、液晶顯示電路、存儲(chǔ)電路、串行通信電路等幾部分；其特征在于1 )、SHT11低功耗數(shù)字傳感器6通過(guò)數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線與MSP430微處理器5相連，CCl 100 射頻電路10通過(guò)SPI數(shù)據(jù)總線與MSP430微處理器5相連，JTAG調(diào)試接口 7通過(guò)信號(hào)線與 MSP430微處理器5相連，AT4OTB041存儲(chǔ)器8的各接口與MSP430微處理器5的通用I/O 口相連，電源系統(tǒng)9分別與各器件VCC接口相連進(jìn)行供電并設(shè)有電壓監(jiān)測(cè)電路；2),CCllOO射頻電路10通過(guò)4線SPI總線與STC89LE58RD+微處理器11的通用I/O口相連，MAX810R復(fù)位芯片16與STC89LE58RD+微處理器11的復(fù)位接口相連，按鍵電路12分別與STC89LE58RD+微處理器11的中斷接口、通用接口、計(jì)時(shí)器接口相連，液晶顯示電路13 直接與STC89LE58RD+微處理器11相連，存儲(chǔ)電路14與STC89LE58RD+微處理器11的通用接口相連，串行通信電路15與STC89LE58RD+微處理器11的串行輸入、輸出端R)(D、TXD相連，存儲(chǔ)電路如圖4所示，包括74HC573鎖存器17和HK1255-7存儲(chǔ)器18，74HC573鎖存器 17的控制位接口與STC89LE58RD+微處理器11的通用I/O 口相連，HK1255-7存儲(chǔ)器18與 74HC573鎖存器17的對(duì)應(yīng)接口相連；串行通信電路15的構(gòu)成主要是將RS232與串行通信接口相連；3)、上位機(jī)與集中器通信上位機(jī)采用RS232傳輸方式，上述串行通信電路如圖5所示， RS232串行通信模塊19與STC89LE58RD+微處理器11的串行輸入、輸出端RXD、TXD相連， RS232通過(guò)串口線20同時(shí)與上位機(jī)21的串行輸入、輸出端PC RXD, PC TXD相連，利用集中器的串口將采集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)，上位機(jī)也通過(guò)串口下發(fā)命令給集中器。
全文摘要
一種基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的糧庫(kù)無(wú)線測(cè)溫、濕系統(tǒng)，包括無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)、集中器系統(tǒng)，其中集中器系統(tǒng)與上位機(jī)相連，所述無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)采集溫、濕度信息后通過(guò)射頻電路向集中器系統(tǒng)發(fā)送，集中器系統(tǒng)經(jīng)由射頻電路接收到信息后，可在其外圍存儲(chǔ)器上進(jìn)行存儲(chǔ)；集中器系統(tǒng)與上位機(jī)通過(guò)RS232串行通信方式傳輸，溫、濕度信息傳送到上位機(jī)以后，可以由軟件實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、顯示、報(bào)警等一系列功能。系統(tǒng)可重構(gòu)性強(qiáng)，成本低，單一節(jié)點(diǎn)損壞不影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳輸采集，自動(dòng)報(bào)警功能，精確監(jiān)控和靈活方便的特點(diǎn)的對(duì)糧庫(kù)進(jìn)行溫濕度監(jiān)控的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
文檔編號(hào)H04W84/18GK102486389SQ20101057291
公開(kāi)日2012年6月6日 申請(qǐng)日期2010年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月6日
發(fā)明者于洋, 田玉林, 袁明波 申請(qǐng)人:沈陽(yáng)理工大學(xué)