基于WSN的白酒發(fā)酵溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

章 力，徐保國

（江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，無錫 214122）

隨著傳感器技術(shù)、嵌入式計算機(jī)技術(shù)和無線通信技術(shù)的高速發(fā)展，孕育出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN，并以距離近、低成本、低功耗、自組織和分布式的特點(diǎn)，使其逐漸從理論研究轉(zhuǎn)到現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。白酒發(fā)酵溫度監(jiān)測就是一個典型的應(yīng)用。

目前在酒廠信息化方面，對于白酒發(fā)酵溫度采集方法的研究很多，但都未從根本上同時解決測量位置、測量時間的精確性以及減少勞動強(qiáng)度的問題。據(jù)調(diào)查，國內(nèi)酒廠獲得窖池發(fā)酵溫度普遍采用人工操作儀表和有線自動測量兩種方式。這兩種方式存在以下缺點(diǎn)[1]：（1）測量時間和位置精度無法保證，效率低和浪費(fèi)勞力；（2）布線成本高，易造成工業(yè)現(xiàn)場布線混亂；（3）可維護(hù)性，可擴(kuò)展性差。因此，本文提出以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)構(gòu)建白酒發(fā)酵溫度監(jiān)測系統(tǒng)，通過無線傳感器采集發(fā)送溫度數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)分析和處理，實(shí)現(xiàn)對窖池發(fā)酵溫度的有效監(jiān)測。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

如圖1所示，窖池發(fā)酵溫度監(jiān)測系統(tǒng)主要有3層結(jié)構(gòu)[2]：底層為監(jiān)測層，包含多個測溫節(jié)點(diǎn)，測溫節(jié)點(diǎn)放置在窖池中，采集并發(fā)送溫度信息；中間層是路由節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對本組無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理，并將匯聚的數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)及接收來自上位機(jī)的命令；頂層為上位機(jī)，負(fù)責(zé)存儲、分析溫度數(shù)據(jù)及發(fā)送操作命令。系統(tǒng)上位機(jī)和酒廠生物研究中心通過光纖通信以便遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型Fig.1 System structure model

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 硬件模塊化設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計工作主要集中于路由節(jié)點(diǎn)和測溫節(jié)點(diǎn)。兩類節(jié)點(diǎn)采用模塊化設(shè)計，主要包括傳感器模塊、微控制器模塊、電源模塊、無線射頻收發(fā)模塊和串口通信模塊等。為了保證節(jié)點(diǎn)的通用性和降低設(shè)計成本，兩類節(jié)點(diǎn)相同功能模塊均采用了一致的硬件電路設(shè)計。鑒于各個模塊均以主流硬件芯片為主體構(gòu)成，因此本文將不再重復(fù)性介紹各模塊的標(biāo)準(zhǔn)電路。

（1）傳感器模塊：溫度傳感器選用PT100鉑熱電阻作為感溫元件，它的阻值隨著溫度的變化而改變。

（2）微控制器模塊：模塊采用的核心芯片是意法半導(dǎo)體公司（ST）的STM8L152C6T6單片機(jī)，它是該公司推出的首個基于STM8內(nèi)核的超低功耗8位微控制器。具有高達(dá)32 KB的閃存，1 KB的數(shù)據(jù)E2PROM，并有5種低功耗模式，豐富的片內(nèi)外圍模塊，靈活的時鐘系統(tǒng)等諸多優(yōu)點(diǎn)[3]。STM8L可在1.8 V～3.6 V低電壓下工作，系統(tǒng)采用3.3 V工作電壓。

（3）無線射頻收發(fā)模塊[4]：由 Silicon Labs公司生產(chǎn)的Si4432芯片及其外圍電路組成的。Si4432是一款高級陳度、低功耗、多頻段的EZRadioPRO系列無線收發(fā)芯片。其工作電壓為1.9 V～3.6 V，接收靈敏度達(dá)到-117 dB，可提供極佳的鏈路質(zhì)量且工作在240～960 MHz頻段內(nèi)，不加功率放大器時的最大輸出功率就可達(dá)到+20 dBm。系統(tǒng)利用該芯片具有功耗低、可選頻通信和功率可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，內(nèi)建空閑模式與掉電模式，對該模塊設(shè)計實(shí)現(xiàn)了4種工作狀態(tài)：發(fā)送、接收、空閑和休眠。鑒于空閑狀態(tài)與接收狀態(tài)的功耗同處于較高數(shù)量級，因此在設(shè)計中采用了動態(tài)定時和應(yīng)答機(jī)制，在保證傳輸?shù)那疤嵯?，盡量讓芯片處于休眠狀態(tài)。根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境差異，調(diào)整功率實(shí)現(xiàn)通信能力（距離）的改變，避免不必要的能量開銷。

（4）串口通信模塊：模塊采用的是SP485核心芯片，是一款低功耗半雙工RS485收發(fā)器。選擇RS485總線的方式進(jìn)行通信，主要考慮到酒廠要求通信距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)，且可搭載多個路由節(jié)點(diǎn)構(gòu)成DCS系統(tǒng)。

2.2 測溫節(jié)點(diǎn)設(shè)計

測溫節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)[5-6]如圖2所示，主要由傳感器模塊、微控制器模塊、無線射頻模塊和電源模塊構(gòu)成。溫度傳感器PT100輸出的溫度信號經(jīng)過運(yùn)放電路后接至STM8L單片機(jī)具有A/D轉(zhuǎn)換功能的引腳上。

圖2 測溫節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure diagram of temperature measurement node

2.3 路由節(jié)點(diǎn)設(shè)計

路由節(jié)點(diǎn)主要包括串口通信模塊、微控制器模塊、無線射頻模塊和電源模塊。硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。單片機(jī)和射頻模塊之間通過SPI接口連接，單片機(jī)通過RS485串口與PC機(jī)通信。鑒于路由節(jié)點(diǎn)射頻收發(fā)頻率較高，且位置固定不變，因此采用電源適配器供電。

圖3 路由節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Structure diagram of routing node

2.4 GSM通信模塊設(shè)計

GSM模塊采用SIM300，是SIMCOM公司推出的GSM/GPRS三頻/四頻模式，集成了完整的射頻電路和GSM基帶處理器，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，適合開發(fā)無線應(yīng)用產(chǎn)品。系統(tǒng)上位機(jī)將相關(guān)信息通過RS-232傳送到SIM300模塊，再由SIM300以短信息發(fā)送到用戶手機(jī)客戶端。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 基于類ZMac協(xié)議的無線通信協(xié)議設(shè)計

通信協(xié)議是通信雙方為實(shí)現(xiàn)信息交換而制定的規(guī)則，通信協(xié)議設(shè)計是軟件設(shè)計的重點(diǎn)，也是通信可靠性的保證，由于無線收發(fā)模塊的特性，通信可能在發(fā)射端和接收端受到外界的干擾而使數(shù)據(jù)發(fā)生錯誤，需要可靠的通信協(xié)議來保證接收端接收正確的數(shù)據(jù)。整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于類ZMac協(xié)議的無線收發(fā)模式，相比于傳統(tǒng)復(fù)雜的Zigbee協(xié)議棧，其組網(wǎng)靈活、節(jié)能效果顯著，其通信協(xié)議格式如圖4所示。

圖4 通信協(xié)議格式Fig.4 Communication protocol format

其中，Preamble為前導(dǎo)碼，是一連串的10101010，其作用是用來同步通信節(jié)點(diǎn)的時鐘，決定何時進(jìn)行數(shù)據(jù)包傳輸。Sync Word為同步字，要用設(shè)定好的同步字來作為同步模式的標(biāo)志碼，作為接收雙方判斷數(shù)據(jù)幀是否有效的標(biāo)志，本系統(tǒng)設(shè)定同步字為2個字節(jié)，同步字內(nèi)容為0x2DD4，接收端在檢測到同步字后才開始接收數(shù)據(jù)。Packet Length為包長，Payload為有效數(shù)據(jù)載荷，由用戶填入的要發(fā)送的實(shí)際通信數(shù)據(jù)。CRC為循環(huán)冗余校驗(yàn)碼。Si4432內(nèi)部集成有調(diào)制/解調(diào)、編碼/解碼等功能，發(fā)送時把數(shù)據(jù)包格式中的 Preamble、Sync Word、Packet Length和CRC由硬件自動加載到相應(yīng)的寄存器中，用戶只需設(shè)定數(shù)據(jù)包的組成結(jié)構(gòu)和部分結(jié)構(gòu)的具體內(nèi)容。

3.2 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計

節(jié)點(diǎn)軟件程序的開發(fā)平臺是IAR Embedded Workbench for STM8，開發(fā)語言為C語言。對于整個無線網(wǎng)絡(luò)的搭建，路由節(jié)點(diǎn)和測溫節(jié)點(diǎn)的無線收發(fā)程序設(shè)計是關(guān)鍵。兩類節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖5和圖6所示。

圖5 測溫節(jié)點(diǎn)程序流程圖Fig.5 Program flow chart of temperature measurement node

圖6 路由節(jié)點(diǎn)程序流程圖Fig.6 Program flow chart of routing node

根據(jù)組網(wǎng)要求，兩類節(jié)點(diǎn)軟件系統(tǒng)啟動后，都將首先進(jìn)行包括射頻模塊在內(nèi)的初始化過程，開始測溫節(jié)點(diǎn)并未進(jìn)入休眠狀態(tài)，等到第一輪數(shù)據(jù)采集發(fā)送過后，上位機(jī)則廣播休眠命令，讓所有測溫節(jié)點(diǎn)進(jìn)入定時休眠狀態(tài)，接著上位機(jī)開始計時，休眠時間溢出后，測溫節(jié)點(diǎn)進(jìn)入接收狀態(tài)，等待上位機(jī)的操作命令。路由節(jié)點(diǎn)在此過程中不僅要對射頻模塊接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，還要負(fù)責(zé)將來自上位機(jī)的每個操作命令轉(zhuǎn)發(fā)給測溫節(jié)點(diǎn)。

3.3 GSM模塊的軟件設(shè)計

本設(shè)計借助LabVIEW平臺實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與GSM模塊的通信，采用Text模式進(jìn)行短信的收發(fā)，實(shí)現(xiàn)酒廠生物研究中心對車間窖池的實(shí)時遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)。系統(tǒng)中使用到的短信AT命令簡介如下[7]：AT+CMGF=1，選擇發(fā)送方式，1表示選擇TEXT文本方式，設(shè)置成功后返回 OK。 AT+CNMI=2，1，，2表示通知TE，在數(shù)據(jù)線被占用的情況下，先緩沖起來，待數(shù)據(jù)線空閑，再行通知，1表示存儲到默認(rèn)的內(nèi)存位置，并向TE發(fā)出通知，設(shè)置成功后返回OK。AT+CMGS為發(fā)送短信命令，命令格式為AT+CMGS=電話號碼，當(dāng)GSM模塊返回“>”提示符后，PC機(jī)將要發(fā)送的內(nèi)容寫入到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，然后發(fā)送到指定的號碼，短信發(fā)送成功返回OK。

3.4 上位機(jī)軟件設(shè)計

上位機(jī)軟件采用VC++進(jìn)行編程，使用SQL2005數(shù)據(jù)庫存儲、管理數(shù)據(jù)，并用虛擬儀器LabVIEW2010實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面[8]。上位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）向節(jié)點(diǎn)發(fā)送各種操作指令。

（2）數(shù)據(jù)存儲和查詢功能。

（3）將路由節(jié)點(diǎn)傳輸來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并以圖表曲線等形式實(shí)時顯示。

本系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控界面是用LabVIEW軟件編寫實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)語

本文設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的白酒窖池發(fā)酵溫度監(jiān)控系統(tǒng)，成功應(yīng)用于甘肅金徽酒廠，該系統(tǒng)極大地減輕了工作人員的工作強(qiáng)度，測溫間隔時間準(zhǔn)確，測溫精度高，并且對于推進(jìn)我國白酒窖池發(fā)酵過程信息化的發(fā)展存在重要影響。

本設(shè)計的特點(diǎn)和優(yōu)勢體現(xiàn)在：基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采用功耗極低的硬件設(shè)備，將采集到的溫度數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。系統(tǒng)運(yùn)用RS485總線協(xié)議和VC++編程實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的通信，并利用LabVIEW SQL Toolkit和SQL語句實(shí)現(xiàn)了對SQL Server數(shù)據(jù)庫的復(fù)雜訪問，最后將溫度數(shù)據(jù)以圖表曲線的形式呈現(xiàn)給用戶。此系統(tǒng)在酒廠生產(chǎn)應(yīng)用中具有廣闊的發(fā)展前景。

[1] 趙殿臣，翟順，王衛(wèi)紅，等.基于ZigBee的白酒廠無線窖池測溫裝置[J].釀酒科技，2011（7）：60-63.

[2] 馬明，徐保國.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多點(diǎn)位物體流量監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用[J].傳感器與微系統(tǒng)，2012，31（7）：149-152.

[3] STMicroelectronics.STM8L15x microcontroller family reference manual[R].Switzerland：STMicroelectronics，2010.

[4] 郭亮.基于Si4432的無線射頻收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2009（11）：38-41.

[5] 宗學(xué)軍，宋國庫，陳斌，等.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的樓宇環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化與儀表，2011，26（4）：96-99.

[6] 鄒志勇，周曼.基于ZigBee技術(shù)學(xué)生宿舍檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化與儀表，2012，27（10）：25-28.

[7] 董宇，楊強(qiáng)，顏文俊.基于nRF905和GPRS的智能家居用電監(jiān)測系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38（9）：78-81.

[8] 阮奇楨.我和LabVIEW：一個NI工程師的十年編程經(jīng)驗(yàn)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.■