基于WSN的白酒发酵温度监测系统设计
2014-03-09徐保国
章 力，徐保国
（江南大学 物联网工程学院，无锡 214122）
随着传感器技术、嵌入式计算机技术和无线通信技术的高速发展，孕育出了无线传感器网络WSN，并以距离近、低成本、低功耗、自组织和分布式的特点，使其逐渐从理论研究转到现实应用。白酒发酵温度监测就是一个典型的应用。
目前在酒厂信息化方面，对于白酒发酵温度采集方法的研究很多，但都未从根本上同时解决测量位置、测量时间的精确性以及减少劳动强度的问题。据调查，国内酒厂获得窖池发酵温度普遍采用人工操作仪表和有线自动测量两种方式。这两种方式存在以下缺点[1]：（1）测量时间和位置精度无法保证，效率低和浪费劳力；（2）布线成本高，易造成工业现场布线混乱；（3）可维护性，可扩展性差。因此，本文提出以无线传感器网络为基础构建白酒发酵温度监测系统，通过无线传感器采集发送温度数据，并对数据分析和处理，实现对窖池发酵温度的有效监测。
1 系统总体方案设计
如图1所示，窖池发酵温度监测系统主要有3层结构[2]：底层为监测层，包含多个测温节点，测温节点放置在窖池中，采集并发送温度信息；中间层是路由节点，实现对本组无线传感器网络的管理，并将汇聚的数据传输给上位机及接收来自上位机的命令；顶层为上位机，负责存储、分析温度数据及发送操作命令。系统上位机和酒厂生物研究中心通过光纤通信以便远程监控。
图1 系统结构模型Fig.1 System structure model
2 系统硬件设计
2.1 硬件模块化设计
系统硬件设计工作主要集中于路由节点和测温节点。两类节点采用模块化设计，主要包括传感器模块、微控制器模块、电源模块、无线射频收发模块和串口通信模块等。为了保证节点的通用性和降低设计成本，两类节点相同功能模块均采用了一致的硬件电路设计。鉴于各个模块均以主流硬件芯片为主体构成，因此本文将不再重复性介绍各模块的标准电路。
（1）传感器模块：温度传感器选用PT100铂热电阻作为感温元件，它的阻值随着温度的变化而改变。
（2）微控制器模块：模块采用的核心芯片是意法半导体公司（ST）的STM8L152C6T6单片机，它是该公司推出的首个基于STM8内核的超低功耗8位微控制器。具有高达32 KB的闪存，1 KB的数据E2PROM，并有5种低功耗模式，丰富的片内外围模块，灵活的时钟系统等诸多优点[3]。STM8L可在1.8 V～3.6 V低电压下工作，系统采用3.3 V工作电压。
（3）无线射频收发模块[4]：由 Silicon Labs公司生产的Si4432芯片及其外围电路组成的。Si4432是一款高级陈度、低功耗、多频段的EZRadioPRO系列无线收发芯片。其工作电压为1.9 V～3.6 V，接收灵敏度达到-117 dB，可提供极佳的链路质量且工作在240～960 MHz频段内，不加功率放大器时的最大输出功率就可达到+20 dBm。系统利用该芯片具有功耗低、可选频通信和功率可调的优点，内建空闲模式与掉电模式，对该模块设计实现了4种工作状态：发送、接收、空闲和休眠。鉴于空闲状态与接收状态的功耗同处于较高数量级，因此在设计中采用了动态定时和应答机制，在保证传输的前提下，尽量让芯片处于休眠状态。根据系统应用环境差异，调整功率实现通信能力（距离）的改变，避免不必要的能量开销。
（4）串口通信模块：模块采用的是SP485核心芯片，是一款低功耗半双工RS485收发器。选择RS485总线的方式进行通信，主要考虑到酒厂要求通信距离远、抗干扰能力强，且可搭载多个路由节点构成DCS系统。
2.2 测温节点设计
测温节点硬件结构[5-6]如图2所示，主要由传感器模块、微控制器模块、无线射频模块和电源模块构成。温度传感器PT100输出的温度信号经过运放电路后接至STM8L单片机具有A/D转换功能的引脚上。
图2 测温节点结构框图Fig.2 Structure diagram of temperature measurement node
2.3 路由节点设计
路由节点主要包括串口通信模块、微控制器模块、无线射频模块和电源模块。硬件结构如图3所示。单片机和射频模块之间通过SPI接口连接，单片机通过RS485串口与PC机通信。鉴于路由节点射频收发频率较高，且位置固定不变，因此采用电源适配器供电。
图3 路由节点结构框图Fig.3 Structure diagram of routing node
2.4 GSM通信模块设计
GSM模块采用SIM300，是SIMCOM公司推出的GSM/GPRS三频/四频模式，集成了完整的射频电路和GSM基带处理器，内嵌TCP/IP协议栈，适合开发无线应用产品。系统上位机将相关信息通过RS-232传送到SIM300模块，再由SIM300以短信息发送到用户手机客户端。
3 系统软件设计
3.1 基于类ZMac协议的无线通信协议设计
通信协议是通信双方为实现信息交换而制定的规则，通信协议设计是软件设计的重点，也是通信可靠性的保证，由于无线收发模块的特性，通信可能在发射端和接收端受到外界的干扰而使数据发生错误，需要可靠的通信协议来保证接收端接收正确的数据。整个无线传感器网络基于类ZMac协议的无线收发模式，相比于传统复杂的Zigbee协议栈，其组网灵活、节能效果显著，其通信协议格式如图4所示。
图4 通信协议格式Fig.4 Communication protocol format
其中，Preamble为前导码，是一连串的10101010，其作用是用来同步通信节点的时钟，决定何时进行数据包传输。Sync Word为同步字，要用设定好的同步字来作为同步模式的标志码，作为接收双方判断数据帧是否有效的标志，本系统设定同步字为2个字节，同步字内容为0x2DD4，接收端在检测到同步字后才开始接收数据。Packet Length为包长，Payload为有效数据载荷，由用户填入的要发送的实际通信数据。CRC为循环冗余校验码。Si4432内部集成有调制/解调、编码/解码等功能，发送时把数据包格式中的 Preamble、Sync Word、Packet Length和CRC由硬件自动加载到相应的寄存器中，用户只需设定数据包的组成结构和部分结构的具体内容。
3.2 节点软件设计
节点软件程序的开发平台是IAR Embedded Workbench for STM8，开发语言为C语言。对于整个无线网络的搭建，路由节点和测温节点的无线收发程序设计是关键。两类节点程序流程图如图5和图6所示。
图5 测温节点程序流程图Fig.5 Program flow chart of temperature measurement node
图6 路由节点程序流程图Fig.6 Program flow chart of routing node
根据组网要求，两类节点软件系统启动后，都将首先进行包括射频模块在内的初始化过程，开始测温节点并未进入休眠状态，等到第一轮数据采集发送过后，上位机则广播休眠命令，让所有测温节点进入定时休眠状态，接着上位机开始计时，休眠时间溢出后，测温节点进入接收状态，等待上位机的操作命令。路由节点在此过程中不仅要对射频模块接收到的数据进行融合处理，还要负责将来自上位机的每个操作命令转发给测温节点。
3.3 GSM模块的软件设计
本设计借助LabVIEW平台实现PC机与GSM模块的通信，采用Text模式进行短信的收发，实现酒厂生物研究中心对车间窖池的实时远程监护。系统中使用到的短信AT命令简介如下[7]：AT+CMGF=1，选择发送方式，1表示选择TEXT文本方式，设置成功后返回 OK。 AT+CNMI=2，1，
3.4 上位机软件设计
上位机软件采用VC++进行编程，使用SQL2005数据库存储、管理数据，并用虚拟仪器LabVIEW2010实现人机交互界面[8]。上位机软件主要实现以下功能：
（1）向节点发送各种操作指令。
（2）数据存储和查询功能。
（3）将路由节点传输来的数据进行分析并以图表曲线等形式实时显示。
本系统上位机监控界面是用LabVIEW软件编写实现。
4 结语
本文设计并实现了一种基于无线传感器网络的白酒窖池发酵温度监控系统，成功应用于甘肃金徽酒厂，该系统极大地减轻了工作人员的工作强度，测温间隔时间准确，测温精度高，并且对于推进我国白酒窖池发酵过程信息化的发展存在重要影响。
本设计的特点和优势体现在：基于无线传感器网络技术，采用功耗极低的硬件设备，将采集到的温度数据准确地传输到上位机。系统运用RS485总线协议和VC++编程实现上位机和下位机的通信，并利用LabVIEW SQL Toolkit和SQL语句实现了对SQL Server数据库的复杂访问，最后将温度数据以图表曲线的形式呈现给用户。此系统在酒厂生产应用中具有广阔的发展前景。
[1] 赵殿臣，翟顺，王卫红，等.基于ZigBee的白酒厂无线窖池测温装置[J].酿酒科技，2011（7）：60-63.
[2] 马明，徐保国.基于无线传感器网络的多点位物体流量监测系统的应用[J].传感器与微系统，2012，31（7）：149-152.
[3] STMicroelectronics.STM8L15x microcontroller family reference manual[R].Switzerland：STMicroelectronics，2010.
[4] 郭亮.基于Si4432的无线射频收发系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2009（11）：38-41.
[5] 宗学军，宋国库，陈斌，等.基于无线传感器网络的楼宇环境监测系统设计[J].自动化与仪表，2011，26（4）：96-99.
[6] 邹志勇，周曼.基于ZigBee技术学生宿舍检测系统设计[J].自动化与仪表，2012，27（10）：25-28.
[7] 董宇，杨强，颜文俊.基于nRF905和GPRS的智能家居用电监测系统[J].电子技术应用，2012，38（9）：78-81.
[8] 阮奇桢.我和LabVIEW：一个NI工程师的十年编程经验[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.■
