无线仓储环境监测系统的设计与实现

2013-08-13何瑞平种兰祥

电子技术应用 2013年11期

何瑞平,种兰祥

(西北大学信息学院，陕西西安710127)

随着社会经济快速发展，现代物流与仓储的重要性日益凸显。特别是仓储管理，对于物资的保管养护，防止产品的腐蚀、霉变、虫害等问题有着重要的意义。传统的仓储环境检测大多采用人工定时巡检或有线在线监测方式[1]。前者存在效率低、数据误差大、时间人力成本高等缺点；后者虽能够实时获取仓储环境信息，但不便于布设、维护和扩展。采用无线通信方式则可以解决以上问题。考虑到仓储管理的实际需求，采用Arduino开源电子平台[2]和射频收发器 nRF24L01，结合温湿度及烟雾传感器等，能方便地构建出分布式多点无线监测系统。

1 系统总体方案设计

为了便于部署与扩展，仓储环境检测系统采用模块化设计，包括Arduino控制板、数字传感器、基于射频芯片nRF24L01的测量节点、天线和上位机监控平台，其结构如图1所示。无线测量节点分布于整个监测区域，进行数据采集与传送，以自组织的方式和测量网关共同构成无线数据传输网络。测量网关负责建立网络连接并接收来自与之相连的多达32个节点的数据，并将这些数据上传到监控平台。监控平台与互联网相连，负责数据存储、显示与网络发布。一旦测量数据超过安全设定阈值，会产生相应警报。该系统也可应用于工业、农业与林业的环境检测中。

图1 系统结构图

2 测量节点设计

分布式无线测量节点负责环境物理量测量、数据传输，其系统由微控制器核心、无线通信模块、传感模块及供电模块构成。

本着模块化、低成本、低功耗的设计原则，本设计采用型号为NANO的Arduino微型控制板控制射频芯片nRF24L01和温、湿度数字传感器等来实现测量节点功能，硬件结构如图2所示。

图2 测量节点设计

Arduino是采用精简指令集开发的电子平台，使用类似于Java和C语言的开发环境[3]，硬件部分主要由 AT-mel AVR微控制器和I/O接口电路等组成。

作为测量节点微控制器的Arduino NANO核心采用ATmega328处理器，具有 32 KB的 Flash，一个 16 MHz晶振，14路数字输入输出，6路模拟输入，1个 UART接口，支持I2C总线，并且支持PWM输出以及SPI通信。

无线通信模块采用Nordic公司研发的内置链路层逻辑的工业级2.4 GHz无线收发芯片nRF24L01[4]。板载鞭形PCB天线，支持多点通信，内置频率合成器、晶振、功放等模块，采用GFSK调制，可自动跳频128个频点，融合Enhanced ShockBurstTM技术，最高传输速率达2 Mb/s，具有体积小、功耗低、传输可靠等优点。

无线模块与MCU通过SPI总线连接，如图3所示。MCU用数字线D13为无线芯片提供时钟信号，CSN为片选信号，CE信号和CONFIG寄存器的PWR_UP、PRIM_RX位决定芯片是否处于发送/接收工作模式，MOSI、MISO为SPI接口，实现数据输入输出。当nRF24L01发出数据发送完毕 (TX_DS)、数据接收完毕(RX_DR)、达到最大重发次数(MAX_RT)三类输出中断请求任意之一出现时，中断引脚IRQ拉低。MCU查询IRQ中断标志位状态用以判断发射或接收成功。常态下，无线模块处于休眠状态，一旦被监测网关选中查询，则被激活，进入发送模式。

图3 无线测量节点MCU与无线模块连接

测量节点能量供应采用三端线性稳压器LM7805与AMS1117将9 V蓄电池稳压至5 V和3.3 V以提供电源。如图4所示，旁路电容C1、C2主要用来抑制自激振荡，稳定输出。

图4 节点电源设计

本文选用的传感器单元有温度、湿度、烟雾传感器，也可根据实际增加其他传感器。采用数字传感器，无需设计复杂的接口转换电路，使用简便且可靠性高。下面着重介绍温度传感器单元。

温度采集单元采用DALLAS公司的集成芯片DS18B20数字式温度传感器，与传统的热敏电阻最大不同的是:测量温度范围宽(-55～+125℃),精度高(在-10～+85℃，精度为±0.5℃)。并且可实现多点组网，测量精度可调，独有的单总线技术，同时传输时钟和数据、硬件设计简洁、成本低、便于扩展和维护等传统温度传感器不具备的优势。

DS18B20有两种供电模式：寄生供电和外部供电。寄生供电时,只需一根地线和一根上接4.7 kΩ上拉电阻的数据线，数据线既传输数据又提供电能。这样，当总线闲置时其状态为高电平。其内置电容会在高电平期间储能，低电平期间放电。但在多点测温任务时会产生较大的测量误差[5]，本文采用外部供电，可使每个设备的精确度和稳定性得到提升。

DS18B20内部结构主要由四部分组成：64 bit光刻ROM、温度传感器、1 B的温度报警触发器 TH和TL、配置寄存器。64 bit ROM寄存器具有唯一的序列号。微控制器可以通过单总线对具有特定序列号的温度传感器进行寻址，以实现一根总线上挂接多个 DS18B20的目的。用户可以通过配置寄存器来设置温度转换的精度。

其测量精度可以配置成 9、10、11或 12 bit四种状态，分辨率分别对应为 0.5、0.25、0.125、0.062 5，图5 为12 bit分辨率时数据存储格式，其中，前5位是符号位，后11位是数据位。

图5 DS18B20数据格式

需要指出的是DS18B20的单总线功能是按严格的时序完成的。访问DS18B20需3个步骤：初始化→ROM操作指令→功能操作指令。具体流程如图6所示。DS18B20所有数据交换都由一个初始化序列开始。主机通过拉低单总线至少480 μs，以产生低电平复位脉冲(TX)，然后释放总线进入接收模式(RX)。在单总线被上拉电阻拉至高电平 15～60 μs后，DS18B20通过拉低总线60～240 μs产生应答脉冲，表示该设备已处在总线上且准备工作。主机检测到其复位成功后，会发送一条ROM操作指令，来检测总线上从设备的数量并进行匹配。共有 5条 ROM命令：搜索 ROM、读 ROM、匹配 ROM、跳过ROM和报警搜索。当主机指定访问某个特定的设备时，可发出功能操作指令。

图6 DS18B20单点测温流程

由于Arduino的开源特性，通过扩展库可将硬件底层封装起来[6]，针对具体应用可编写相应的库函数。如针对日立HD44780芯片组驱动的液晶显示器而推出的LiquidCrystal库、针对串行控制的SoftwareSerail库等，只要了解其成员函数种类和调用方式，即可方便快速地进行开发。下面是输出测量温度代码：

温度传感器在测量完成后将测量的结果存储在两个8 bit的RAM中，Arduino可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后。

3 测量网关设计

网关在硬件结构上与测量节点相类似，微处理器采用性能更加强劲的Atmega2560。去除了传感器单元，并增加了显示接口和上位机接口。主要负责无线网络的建立和信息的接收，最终通过RS232上位机接口传输给监控计算机。网关硬件结构如图7所示。

4 软件设计

图7 测量网关

采用模块化设计思想，按整体功能分为无线模块的初始化、收发过程的实现。无线测量节点启动后，先对各设备和寄存器进行初始化，查找网关并建立连接，最终将采集到的数据上传至网关。

4.1 初始化过程

节点布置完毕后，Arduino通过SPI接口对nRF24L01初始化。置CSN针脚为低，使能芯片进入配置模式，所有配置工作都是通过SPI指令完成的，共有30 B的配置字[7]，包括在寄存器TX_ADDR中写入 TX节点地址、在RX_ADDR_P0中写入RX节点地址、使能自动应答功能EN_AA、配置发射参数RF_SETUP寄存器(包括低噪放大器增益、发生功率和无线速率)、配置选择通信频率RF_CH寄存器和配置自动重发次数寄存器SETUP_RETR等。

4.2 收发流程

初始化完毕nRF24L01后，设置无线模块为发送模式，将 CE 拉高至少 10 μs，130 μs 后启动发射，随后进入待机状态。若此时从网关收到查询信号，则调用发送函数。为了有效地提高抗干扰性，降低系统功耗，将芯片工作模式设置为增强型ShockBurstTM模式；发送数据时只需将数据存入TX_FIFO缓冲区中，nRF24L01会自动处理字头和CRC校验码，并将这些数据按表1所示的帧格式打包发送。

表1 增强型ShockBurst模式下数据帧格式

数据发送完毕后，发送模块自动转入接收模式等待应答信号，同时产生TX_DS中断；若发送超出时限，则产生MAX_RT中断；IRQ拉低后读取STATUS状态寄存器位值，来判断中断源来源；当且仅当发送完毕中断产生,说明数据成功发送,清除置位和发送数据缓存TX_FIFO。流程如图8所示。

测量网关一端在完成初始化等一系列准备后，将nRF24L01配置为RX模式。数据到来时，从待机状态进入接收模式。当判断节点地址与CRC校验值等信息正确后，读状态寄存器相应位确认产生接收中断RX_DR，则从接收数据缓存区RX_FIFO中读取数据；完毕后清除置位、缓存、进入待机模式，等待下一次数据的到来。