基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的木材干燥監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

劉 帥 ，王 紅 ，2，吳舒辭

(1. 中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410004；2. 湖南省科學(xué)技術(shù)廳，湖南 長沙 410013)

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的木材干燥監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

劉 帥1，王 紅1，2，吳舒辭1

(1. 中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410004；2. 湖南省科學(xué)技術(shù)廳，湖南 長沙 410013)

本文對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在木材干燥中的應(yīng)用進(jìn)行了探索性研究，提出基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的木材干燥監(jiān)測系統(tǒng)，初步介紹了系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)、傳感器節(jié)點的硬件和軟件資源。該系統(tǒng)由干燥窯無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心兩個部分組成，可實時、在線、精確獲取干燥窯各類環(huán)境參數(shù)，具有部署靈活、維護(hù)方便、成本低廉、擴(kuò)展性好等優(yōu)點。

木材干燥監(jiān)測系統(tǒng)；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；系統(tǒng)設(shè)計

木材干燥是一個復(fù)雜的過程，一般要經(jīng)過升溫預(yù)熱、干燥、調(diào)濕、冷卻等處理階段。目前，木材干燥大多采用半自動或全自動控制系統(tǒng)，以干燥窯內(nèi)干燥介質(zhì)的溫度、濕度、熱風(fēng)循環(huán)速度及木材含水率等參數(shù)作為干燥過程的控制依據(jù)。同時，窯內(nèi)各參數(shù)的測量值還直接反映了木材干燥質(zhì)量的好壞、干燥周期的長短和干燥能耗的高低。因此，對干燥窯內(nèi)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行連續(xù)、實時、精確地監(jiān)測在木材干燥相關(guān)研究中具有重要意義[1-2]。

近年來，有不少關(guān)于木材干燥監(jiān)測和控制方面的研究報道：例如，采用雙CPU為主控制器的智能化木材干燥窯數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[3]；基于DSP的木材干燥窯多路參數(shù)測試系統(tǒng)[4]；LK型木材干燥過程電子智能控制系統(tǒng)[5]；木材干燥窯遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)[6]等。上述系統(tǒng)多采用串行通信或現(xiàn)場總線等有線通信技術(shù)。然而，由于干燥窯內(nèi)溫、濕度分布不均勻，實際應(yīng)用中往往需要在窯內(nèi)不同的位置部署眾多數(shù)據(jù)采集器件，這樣必然導(dǎo)致窯內(nèi)線纜縱橫交錯，增大了監(jiān)測系統(tǒng)安裝、調(diào)試及維護(hù)的成本和難度；且干燥室內(nèi)環(huán)境惡劣，濕熱空氣中含有大量由木材中溢出的酸性物質(zhì)（如醋酸、蟻酸等），極易導(dǎo)致通信電纜受腐蝕損壞；再者，過長的通信線路還會造成信號失真，從而大大降低了監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。由此可見，基于有線方式的數(shù)據(jù)采集難以滿足干燥生產(chǎn)的實際要求，不利于木材干燥過程的實時監(jiān)控。文獻(xiàn)[15]提出木材干燥含水率監(jiān)測系統(tǒng)WPS（Wireless Probe System），采用電測法測試干燥窯內(nèi)木材含水率，通過無線傳輸方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控室，解決了有線方式所引起的問題。但是，該方案并未合理考慮無線信道爭用問題，若有兩個以上發(fā)射機(jī)同時發(fā)送數(shù)據(jù)，則會造成發(fā)送沖突。當(dāng)干燥窯規(guī)模較大，窯內(nèi)采集點較多時，會頻繁發(fā)生以上“碰撞”，白白消耗發(fā)射機(jī)有限的電池能量，并造成監(jiān)控室丟失該部分?jǐn)?shù)據(jù)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network，WSN）是一種剛剛興起的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通常是由大量部署在監(jiān)測區(qū)域的微型傳感器節(jié)點以無線通信方式所組成的一個全分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有部署靈活、成本低廉、維護(hù)方便等優(yōu)點，目前廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)療、自然災(zāi)害監(jiān)測、設(shè)施農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域[7-9]。筆者在文獻(xiàn)[15]研究成果的基礎(chǔ)上，試圖將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于木材常規(guī)干燥過程中，提出具有分布式數(shù)據(jù)采集、無線傳輸、智能分析與控制等功能的木材干燥實時監(jiān)測系統(tǒng)，并初步介紹了系統(tǒng)的總體架構(gòu)、硬件及軟件平臺。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 需求分析

綜合分析木材干燥過程的需求和特點，對監(jiān)測系統(tǒng)提出如下設(shè)計要求[10]：

（1）實現(xiàn)干燥窯內(nèi)設(shè)施環(huán)境的監(jiān)測，即在遠(yuǎn)離干燥現(xiàn)場的場合，對干燥窯內(nèi)的溫度、濕度、木材含水率等參數(shù)進(jìn)行實時、在線監(jiān)測。

（2）能夠精準(zhǔn)控制窯內(nèi)設(shè)施，如加熱閥、噴蒸管、進(jìn)排氣執(zhí)行器、風(fēng)機(jī)方向及轉(zhuǎn)速等，以調(diào)節(jié)窯內(nèi)環(huán)境，保證干燥質(zhì)量，節(jié)能降耗。

（3）木材常規(guī)干燥處理以濕熱空氣作為干燥介質(zhì)，強(qiáng)制對流作為主要傳熱方式，使得窯內(nèi)的溫濕度分布不均勻，材堆各處的木材含水率也各不相同。為全面衡量木材的干燥狀況，需進(jìn)行分布式數(shù)據(jù)采集。

（4）能夠適應(yīng)干燥窯在數(shù)量上的擴(kuò)展，實現(xiàn)對干燥窯的群控管理。

（5）發(fā)生異常情況需向監(jiān)控中心報警，比如因調(diào)控失靈引起的窯內(nèi)環(huán)境異常。

結(jié)合木材干燥需求分析及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特點，本文后續(xù)部分將提出系統(tǒng)總體設(shè)計思路并介紹系統(tǒng)軟硬件資源。

1.2 體系結(jié)構(gòu)及工作原理

監(jiān)測系統(tǒng)主要由無線傳感監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心兩部分組成，以實現(xiàn)木材干燥過程的實時監(jiān)測和精準(zhǔn)控制，其體系結(jié)構(gòu)和工作原理如圖1所示?？紤]到干燥窯的集群管理，需進(jìn)行多個窯的分布式控制。監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)一般采用分簇的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[11]，將同一個干燥窯內(nèi)所有傳感器節(jié)點劃分為一個簇。為降低系統(tǒng)復(fù)雜性，簇內(nèi)節(jié)點采用相對簡單的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即簇內(nèi)節(jié)點彼此互不通信，但以單跳無線方式與本簇網(wǎng)關(guān)節(jié)點進(jìn)行通信。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)Fig.1 Monitoring system architecture

傳感器節(jié)點作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本組成單位，具備數(shù)據(jù)處理和無線通信能力。為區(qū)分不同功能的無線傳感器節(jié)點，筆者定義了兩類節(jié)點：采集節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點。采集節(jié)點負(fù)責(zé)將采集到的溫濕度、木材含水率等數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點，網(wǎng)關(guān)節(jié)點再通過傳送網(wǎng)（如GSM）將收集的原始數(shù)據(jù)上傳給基站。網(wǎng)關(guān)節(jié)點作為連接干燥窯和外界的橋梁，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)所有進(jìn)出干燥窯的數(shù)據(jù)和信號。

基站匯總各個網(wǎng)關(guān)傳送來的數(shù)據(jù)，存檔于數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中。與此同時，監(jiān)控中心的中央計算機(jī)實時讀取數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中的數(shù)據(jù)，分析各干燥窯情況并作出控制決策，將產(chǎn)生的控制信號經(jīng)基站轉(zhuǎn)發(fā)出去。

監(jiān)測系統(tǒng)還應(yīng)提供Internet遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問功能，用戶可以通過遠(yuǎn)程客戶端調(diào)取數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中的存檔數(shù)據(jù)，使身處異地的木材干燥專家能夠及時了解干燥進(jìn)度，在線會診木材干燥過程中所出現(xiàn)的問題。

2 硬件設(shè)計

2.1 采集節(jié)點

傳感器節(jié)點是一個微型嵌入式系統(tǒng)，負(fù)責(zé)指定監(jiān)測區(qū)域數(shù)據(jù)的采集和收發(fā)工作，它主要由以下四個部分構(gòu)成：感知器、微處理器、無線通信模塊、電源。在設(shè)計傳感器節(jié)點時，需綜合考慮成本、能耗、通信質(zhì)量、耐腐蝕性等問題。傳感器節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 傳感器節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware configuration of sensor nodes

感知器主要負(fù)責(zé)感知、收集監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，它由工業(yè)用傳感器、A/D轉(zhuǎn)換及外圍電路組成。傳感器是實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的主要元器件，根據(jù)所采集數(shù)據(jù)的不同，需選用不同的傳感器。例如，窯內(nèi)干燥介質(zhì)的溫度采集可選用耐腐蝕的鉑電阻測溫傳感器PT100[12]，其技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 傳感器技術(shù)參數(shù)Table 1 Specifications of sensor

微處理器是傳感器節(jié)點的核心部件，負(fù)責(zé)執(zhí)行組網(wǎng)協(xié)議、信號處理、數(shù)據(jù)暫存、電池能量管理、節(jié)點任務(wù)調(diào)度等工作。微處理器可選用TI公司推出的MSP430[13]，它具有128 kB閃存、8個10 bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換及2個數(shù)模轉(zhuǎn)換接口，支持TinyOS嵌入式操作系統(tǒng)，具有良好的計算性能且功耗較低。無線通信模塊負(fù)責(zé)傳感器節(jié)點與網(wǎng)關(guān)通信，收發(fā)感知器所采集的數(shù)據(jù)?？紤]成本、能耗、數(shù)據(jù)傳輸率等因素，可選用低功耗低成本CC2420芯片及其配套天線，該芯片工作頻率在2.4 GHz，兼容IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議，自帶8 Mbit的閃存，具備穩(wěn)定的性能。電源主要由單節(jié)鋰電池、電源保護(hù)電路、電池監(jiān)測芯片及相關(guān)外圍電路組成，為傳感器節(jié)點提供穩(wěn)定的能量供應(yīng)及電路保護(hù)功能?？紤]木材干燥窯高溫高濕及酸性環(huán)境，傳感器節(jié)點直接與空氣接觸的部分需進(jìn)行耐腐蝕處理，比如可以在外殼涂上SEBF材料[14-17]。

2.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點

網(wǎng)關(guān)節(jié)點要求處理能力強(qiáng)、運行速度快，且由于轉(zhuǎn)發(fā)大量數(shù)據(jù)，還需要較大的存儲空間，因此CPU選用具有豐富片上資源的ARM9微處理器S3C2410。為增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，網(wǎng)關(guān)節(jié)點外接不間斷電源UPS。由于干燥窯相對封閉的環(huán)境會屏蔽來自外界的無線信號，可以考慮將網(wǎng)關(guān)節(jié)點布置在窯壁中，做到窯內(nèi)和窯外兩頭連通。因此，需為網(wǎng)關(guān)節(jié)點配備兩套無線通信模塊：與窯內(nèi)節(jié)點通信的CC2420芯片及其配套天線和與基站通信的GSM模塊TC35。

3 軟件設(shè)計

木材干燥監(jiān)測系統(tǒng)的軟件采用模塊化設(shè)計，如圖3所示，包括兩大部分：監(jiān)測中心系統(tǒng)軟件和傳感器節(jié)點軟件。

圖3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)Fig.3 Components of system software

3.1 監(jiān)測中心系統(tǒng)軟件

監(jiān)測中心系統(tǒng)軟件由以下幾個部分組成：系統(tǒng)初始化模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、輸出控制模塊、輔助模塊。系統(tǒng)初始化模塊負(fù)責(zé)基本的系統(tǒng)設(shè)置，如根據(jù)木材種類及厚度等合理設(shè)置傳感器節(jié)點的工作模式、節(jié)點采樣時間間隔、干燥基準(zhǔn)等。數(shù)據(jù)處理模塊主要負(fù)責(zé)對所接收的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化處理，包括數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)自動補(bǔ)償、非線性擬合等，從而產(chǎn)生能準(zhǔn)確反映干燥窯內(nèi)環(huán)境的數(shù)據(jù)，以供輸出控制模塊決策。輸出控制模塊通過向窯內(nèi)干燥設(shè)施發(fā)出控制命令，如控制加熱閥、噴蒸管等，實現(xiàn)干燥窯內(nèi)溫濕度自動調(diào)節(jié)。數(shù)據(jù)存儲模塊主體上是一臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，負(fù)責(zé)保存所有原始采集數(shù)據(jù)，備份系統(tǒng)日志文件，提供系統(tǒng)查詢服務(wù)。原始采集數(shù)據(jù)應(yīng)該包含完整的信息：采集時間、干燥窯編號、節(jié)點編號、參數(shù)值等，并以文件的形式存儲在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器對應(yīng)表格中。輔助模塊的功能：實時數(shù)據(jù)的圖形化顯示、報表打印、異常情況報警。

3.2 傳感器節(jié)點軟件

傳感器節(jié)點軟件以TinyOS操作系統(tǒng)為軟件支撐平臺，實現(xiàn)節(jié)點任務(wù)調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)配置、終端數(shù)據(jù)采集等基本功能，還涉及時間同步、節(jié)點休眠與喚醒等算法。由于木材干燥周期長，工作量大，監(jiān)測系統(tǒng)需不停機(jī)持續(xù)運行較長時間，因此，除了要給傳感器節(jié)點備足電池，還要充分考慮傳感器節(jié)點節(jié)能降耗措施。在系統(tǒng)初始化階段，由網(wǎng)關(guān)節(jié)點統(tǒng)一負(fù)責(zé)為每個節(jié)點制定任務(wù)調(diào)度方案，不同的傳感器節(jié)點占據(jù)不同的發(fā)送時隙，避免多個節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)。為了節(jié)約能耗，空閑時節(jié)點處于休眠狀態(tài)，有任務(wù)時節(jié)點自我喚醒。根據(jù)任務(wù)調(diào)度情況，節(jié)點可進(jìn)行工作狀態(tài)的切換，例如，當(dāng)采樣時刻到來時采集數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)送時刻到來則發(fā)送數(shù)據(jù)，具體如圖4傳感器節(jié)點狀態(tài)圖所示。通過控制數(shù)據(jù)采樣間隔和采取休眠低功耗工作方式，單節(jié)鋰電池一次充電，可供傳感器節(jié)點工作半年以上。

4 系統(tǒng)試運行

圖4 傳感器節(jié)點狀態(tài)轉(zhuǎn)移Fig.4 State transition of sensor node

監(jiān)測系統(tǒng)在長沙縣某木材加工廠的小型磚混結(jié)構(gòu)干燥窯中進(jìn)行了初步試驗。在干燥窯中部署了4個傳感器節(jié)點，包括1個網(wǎng)關(guān)節(jié)點和3個采集節(jié)點。監(jiān)測對象為窯內(nèi)的溫度和濕度?；臼褂霉P記本電腦替代，其上運行監(jiān)測系統(tǒng)軟件和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)SQL server 2005。基站外接GSM模塊TC35，接收網(wǎng)關(guān)節(jié)點傳回的數(shù)據(jù)，同時在后臺寫入數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)表中保存。監(jiān)測系統(tǒng)軟件用VC++6.0編寫，目前已經(jīng)實現(xiàn)圖形化顯示、波形處理、數(shù)據(jù)存儲等功能。圖5為溫度數(shù)據(jù)的部分采集結(jié)果。

圖5 實時溫度數(shù)據(jù)Fig.5 Real-time temperature data

5 小 結(jié)

近年來，隨著木材加工行業(yè)的快速發(fā)展，對木材干燥處理的自動化、智能化要求正逐漸提高。筆者嘗試將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于木材干燥過程的實時監(jiān)測，并提出監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案。目前，該系統(tǒng)已初步實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的分布式采集、無線傳輸及實時顯示等功能，系統(tǒng)的其它軟硬件功能正在加緊調(diào)試，后續(xù)研究工作主要包括：

（1）完善監(jiān)測中心系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、查詢、打印、報警等功能；

（2）在線檢測木材應(yīng)力，密切關(guān)注木材干燥質(zhì)量；

（3）設(shè)計一種控制用無線傳感器節(jié)點：控制節(jié)點，通過電磁閥驅(qū)動窯內(nèi)干燥設(shè)施，如加熱器、噴蒸管等，以調(diào)節(jié)窯內(nèi)干燥環(huán)境，確保木材干燥質(zhì)量。

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A design for monitoring system of lumber drying based on wireless sensor networks

LIU Shuai1, WANG Hong1,2, WU Shu-ci1

(1. Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China; 2. Hunan Provincial Science & Technology Department, Changsha 410013, Hunan, China)

∶ By doing a series of exploratory research for the application of wireless sensor networks to lumber drying, a monitoring system of lumber drying based on wireless sensor networks was put forward and a brief introduction of its general structure as well as its hardware and software resources of sensor’s nodes were given. Consisting of wireless monitoring networks for drying kiln and monitoring center, the system can acquire kinds of parameters from the drying kiln just-in-time, on line and precisely, with advantages of flexible arrangement, convenient maintenance, reasonable price and nice expansibility.

∶ monitoring system of lumber drying; wireless sensor networks; system design

S781.71；TP393

A

1673-923X(2013)11-0170-05

2013-08-16

湖南省自然科學(xué)基金項目（11JJ5020）；湖南省科技計劃項目（2011FJ3074）；中南林業(yè)科技大學(xué)青年基金項目（QJ2010010B）

劉 帥（1980-），男，講師，碩士，研究方向：林業(yè)信息化、智能檢測技術(shù)；E-mail：xifang99@126.com

吳舒辭（1957-），男，江西永新人，教授，博士，研究方向：計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)

[本文編校：吳 毅]