基于无线传感器网络干燥箱监测系统的探讨

钱珊珠，吴俊青

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特　010018)



基于无线传感器网络干燥箱监测系统的探讨

钱珊珠，吴俊青

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特010018)

摘要：无线传感网络是当今社会发展研究的新方向。在研究干燥箱内部性能和完成各种因素测试工作方面，传统的有线传感网络已经逐渐落伍，能够代替传统有线网络并且满足干燥箱性能测试需求的技术由此应运而生，那就是无线传感器网络技术。为此，简单介绍了无线传感器网络，设计了符合干燥箱性能测试的无线传感结构框图，并选择了合适的无线通信协议和硬件设备。

关键词：干燥箱性能测试；无线传感网络；通信协议；Zigbee

0引言

无线传感器网络(WSN)属于多学科交叉领域，该技术可以形成多条无线网络系统通过网络协议与控制结构自动转发数据信息。该微型传感器的节点具有3种能力：采集信息能力、计算能力和通信能力。由于无线传感器网络具有突出的数据获取和处理能力，因此广泛应用在军事、防爆、救灾、环境、医疗、家居及工业等领域[1]。

近些年来，MEMS(Micro Electro Mechanical Systems 微机电系统)技术、无线通信技术、SoC(System-on-a-chip 片上系统)技术和嵌入式低功耗技术得到了快速的发展，无线传感器网络作为一种新型的传感器网络也日趋完善。无线传感器网络属于一个多学科交叉的热点领域，并以 802.15.4为其标准。该技术借助网络协议与控制结构，同时利用节点的采集信息能力、计算能力和通信能力，可以自动形成转发数据信息的多跳无线网络系统。微型传感器节点的目的在于可以协作地感知采集数据并处理网络覆盖区域中所采集的信息，最后发送到电子终端进行复杂的计算或其它数据处理[1-3]。

苜蓿干燥过程的进程和干燥品质与干燥箱内温湿度场分布有关。研究干燥箱内温湿度分布规律时，采用有线连接传感器网络涉及到在干燥箱上打孔穿电缆的问题，需要多种传感器；而多点测试时，有线传感器网络会引起干燥室密闭程度低、保温性差，造成漏气、能量损耗大等问题，从而对干燥过程产生一定影响，并影响到试验数据的准确性与严谨性。

研究苜蓿太阳能干燥过程中各影响因素(环境温度、湿度，太阳能辐射，热空气温度、相对湿度，牧草温度、含水率，苜蓿密度等)与干燥速率间关系，必须要采用不同的传感器在干燥箱干燥苜蓿时测量各种因素，并将测量到的数据即时传输到电脑做数据存储、处理。将无线传感技术应用在苜蓿太阳能干燥各影响因素检测中，可提高干燥箱的密闭性和保温性，提高测量数据的可靠性及试验设计的合理性。

1无线传感器网络结构

对大部分的系统而言，无线传感器网络主要包括传感器节点、汇聚节点、传输网络和终端用户[4]。对于复杂完整系统，还需定义与外部网络链接的网关、基站、远程任务管理器和用户等。图1为无线传感器网络体系结构图。

图1　无线传感器网络体系结构图

WSN网络的目标检测区域中布置多个传感器节点，通过自组织方式形成网络。传感器节点采集到信息,经过简单处理后,发送至汇聚节点(sink), 终端用户通过因特网或卫星通信接收信息。用户可对网络进行管理并布置任务，也可通过与上述相反的过程将控制信息发送至传感器节点，从而实现对传感器节点的监测和控制。

WSN网络的目标检测区域中布置多个传感器节点，通过自组织方式形成网络。传感器节点采集到信息,经过简单处理后,发送至汇聚节点(sink), 终端用户通过因特网或卫星通信接收信息[4]。用户可对网络进行管理并布置任务，也可通过与上述相反的过程将控制信息发送至传感器节点，达到监测和控制传感器节点的目的。

1.1传感器节点

传感器节点是无线传感器网络的基本组成单位，在传感器网络中通常是一个微型的嵌入式处理器，也是构成无线传感网络的基础平台。传感器节点采集到信号之后，再经过一些简单的处理，经过无线网络传输到汇聚节点，最终再传输到PC或其它终端，对数据进行进一步的分析处理。无线接收装置可以同时完成收发功能，如果需要，也可以通过PC设置的参数信息经过汇聚节点发送到传感器节点，实现对传感器节点的简单控制。传感器节点具有采集数据、接收数据、处理数据和发送数据的功能，并以无线多跳的无中心方式为节点与节点之间的连接方式，网络拓扑则处于动态可变状态[5]。由于资源有限且节点数量众多，传感器各节点采集的信号类型和范围都是有限的。因此，在有限的存储空间内，只能对原始信号进行初步处理，并保存有限范围和类型的处理结果。

1.2汇聚节点

汇聚节点是指能够感知信息的接受者和应用者，人、计算机或者其他设备都可以作为汇聚节点。在网内，作为信息收集点或控制者汇聚节点可以被授权监听和处理网络的时间消息和数据，还可以向网络发送查询请求或派发任务；在网外，作为中继或网关可以链接到远端控制单元和用户借助各种有线或无线链路，从而实现外界的控制单元与用户进行信息交换的功效。对比于上述节点群，汇聚节点的各方面功能都要稍加强大，它不仅可以在传感器网络和Internet等外部网络间建立连接，而且能够进行两种协议之间的通信协议的转换，并通过公布监测任务对节点进行管理，最后把采集到的数据发送到外部网络[6]。

2无线传感器节点单元构成及功能

图2为无线传感器节点单元构成图。其中，监测区域内信息的采集与数据转换数据由采集单元负责，传感器的种类和型号取决于被检测的物理信号及检测环境等条件；而整个传感器节点的控制是由数据处理单元实现的，嵌入式CPU通常是微处理器的首选，主要职责是协调节点各部分的工作；与其他传感器节点间的无线通信、交换控制消息和收发采集数据是通过通信单元来实现；能量供应单元是整个系统的最基础重要的单元。

图2　无线传感器节点单元构成图

干燥箱性能测试系统无线传感网络结构图如图3所示。

图3　干燥箱性能测试无线传感网络结构图

对于干燥箱性能测试的无线传感器网络，需要采集环境及干燥箱内部温湿度变化、进风口及出风口等处风速风量和所做实验中样品质量的改变来作为其含水量变化的数量依据，因此选择温湿度传感器、称重传感器和风速传感器。将每个传感器与A/D转换器相连接，经过信号转换处理后发送到数据处理单元，再通过无线收发器将数据信号发送到接收信号处理器中，最后传输到电脑中做数据的存储和处理。

3无线通信协议的选择

3.1短距离无线通信技术

中国减贫的历史和事实，向世界上众多的发展中国家雄辩地证明了发展中国家可以依靠自己的不懈努力摆脱贫困，实现国家的振兴。

一般在100m以内通信范围的无线通信技术称为短距离无线通信技术。与长距离无线通信技术(卫星通信、移动通信、扩频微波通信等)相比，短距离无线通信技术主要有无线电波、光波、红外线3种通信方式[7]。当前在短距离无线通信技术中，红外数据传输(IrDA) 、无线局域网802.11b(Wi-Fi) 、蓝牙(Bluetooth) 、超宽带(UWB)及ZigBee等在工业领域被广泛应用。表1为几种无线通信技术的对比。

表1　几种无线短距离传输协议

由表1可以看出：ZigBee是一种低成本、低功耗、低速率和自组织性强的短距离无线通信技术，这些特点完全符合本次设计的要求。基于 802.15.4 协议的 ZigBee 技术有自己的无线电标准,通信的实现通过很多小的传感器之间相互协调完成, 只需极少的能量，传感器节点就能将数据信息从一个传感器传到另一个传感器；最终, 计算机够分析所获得的数据信息，而该信息也可以被另一种无线技术所收集。所以，ZigBee 技术被认为是最有可能在工程监测、传感器网络及家庭监控等领域广泛应用的无线技术。

ZigBee是一种标准，该标准定义了短距离、低数据传输速率无线通信所需的一系列通信协议。基于ZigBee的无线网络所工作的频段为868Mhz、915MHz和2.4GHz，最大传输速率为250kbps。

ZigBee协议栈采用分层的思想来实现，分为物理层、介质访问层、网络层和应用层。其中，应用层包含应用程序支持子层、应用程序框架层和ZDO设备对象。在协议栈中，对于下层来讲，上层实现的功能是无法知道的，而上层可以调用下层提供的函数还实现某些功能。

3.2ZigBee 网络的设备类型

ZigBee网络有协调器、路由器和终端节点3种设备类型，类型的选择主要是根据ZigBee协议栈不同的编译选项进行的。协调器主要负责网络组建、维护及控制终端节点的加入等[8]。路由器主要负责数据包的路由选择，终端节点负责数据的采集，不具备路由功能。在网络建立阶段是协调器功能的体现，因此建立一个新的网络只有借助协调器才能实现；网络一旦建立以后，该设备的功能就是另一个路由器。

3.3ZigBee 网络的拓扑结构的选择

ZigBee网络的拓扑结构主要有3种：簇树型、结构(Cluster Tree)、星型结构(Star)和网状结构(Mesh)。在簇树型结构中,网络覆盖范围的增加是通过路由来实现的，而路由节点或是终端节点都可以和协调器进行连接。在星型网络中，整个网络都是由 ZigBee 协调器进行控制的,主要功能是负责网络的组建、信息的管理和维护。网络中除去中心节点协调器以外，剩余的设备都是终端节点，这些终端节点都能够与协调器直接进行通信。在第3种网状结构中, 只有FFD可以作为路由节点, 任意两个FFD 节点都能够在通信范围之内进行通信，也可以延长节点的传输距离(通过采用多跳传输的方式)。此外，网络结构的变化也能靠其极强的自愈能力很好地适应[9]。综上所述，在上述3种结构中, 最简单的是星型网络结构，其适合一些简单的应用；其余的两种结构比较复杂，因为它们都有路由的维护和管理，较适合一些远距离传输的应用。最初，针对本次对干燥箱性能测试的具体情况，选择了成本低且最易实现的星形网络结构；但在简单的组网实际运行过程中发现：无线设备放置在干燥箱体中，而干燥箱有着良好的密封性，影响无线信号的传输距离。因此，选择在终端节点与协调器中间再加入一个路由器，以增加无线传输网络距离，即选择簇树型结构。

4ZigBee网络硬件的选择

选择CC2530(见图4)为核心芯片，它是TI公司生产的、用于2. 4-GHz、以ZigBee协议为通信协议的、真正的片上系统。其内领先的RF收发器的性能及增强型8051 CPU，具有成本低及功耗低等优点[10]。

CC2530芯片具有以下特点：

1)提供8通道12位A/D转换器和21个通用GPI- O，2个USART接口；

2)128位AES加密解密安全协处理器；

3)看门狗定时器、32kHz晶振的休眠模式定时器；

4)支持2.0～3.6V供电电压；

5)具有3种电源管理模式，即唤醒模式0.2mA、睡眠模式1μA和中断模式 0.4μA；

6)工作温度为-40～125℃。

图4　CC2530功能引脚图

5结语

无线传感器网络在自动控制领域已逐渐变成国际上关注的、集成知识度高并交叉多学科的热点技术，在无线领域和计算机等许多领域都有极为广泛的应用和研究价值。本文只针对干燥箱性能测试系统的无线传感网络进行了总体的简单设计，并选择了合适的无线通信协议和网络硬件设备，最后简单地介绍了ZigBee无线协议。

参考文献：

[1]吕泉,张洪润.现代传感器原理及应用[M].北京：清华大学出版社,2006.

[2]Halit Eren.无线传感器及元器件：网络、设计与应用[M].纪晓东,赵北雁,彭木根,译.北京:机械工业出版社,2008.

[3]杜晓通.无线传感器网络技术与工程应用[M].北京:机械工业出版社,2010.

[4]司海飞,杨忠,王珺.无线传感器网络研究现状与应用[J].机电工程,2011,28(1):16-20.

[5]张策,甄建,季艳.综合录井仪传感器信号无线传输方法探讨[J].录井工程,2006,21( 2):64-67.

[6]王风. 基于CC2530的ZigBee无线传感网络的研究与实现[D].西安：西安电子科技大学， 2012.

[7]田亚. 基于ZigBee无线传感器网络系统设计与实现[M].上海:同济大学,2007.

[8]张宏峰.一个基于ZigBee的无线传感器网络平台[D].武汉：武汉理工大学,2006.

[9]冯琳.无线传感器及ZigBee技术的应用研究[D]. 合肥:合肥理工大学,2006.

[10]马磊.基于CC2530的无线数据远距离通信模块的设计[D].合肥:安徽大学,2013.

[11]张曦煌.无线传感器网络的研究[D].无锡:江南大学,2008.

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

文章编号：1003-188X(2016)02-0188-04

中图分类号：S375；TP393.03

文献标识码：A

作者简介：钱珊珠(1964-),女，内蒙古通辽人，教授，硕士生导师，(E-mail)719725846@qq.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(203027)

收稿日期：2015-01-19