本科组-低功耗-西安电子科技大学-基于ZigBee传输的粮库监测系统

2011-2012德州仪器C2000及MCU创新设计大赛项目报告题目： 基于ZigBee传输的粮库监测系统 学校： 西安电子科技大学指导教师： 周佳社 组别： 本科组 使用类别： 低功耗使用类平台： MSP430参赛队成员名单（含每人的邮箱地址，用于建立人才库）：刘玉琳许佳黄文婷视频文件观看地址（若未拍摄，请注明）：邮寄地址和收件人联系方式（快递发送，请不要使用邮政信箱地址）邮寄地址：西安电子科技大学长安校区黄文婷收联系人方式：基于Zigbee传输的粮库监测系统摘要：传统粮库只能人工监测温湿度，且对粮食安全的隐患一一害虫，无有效的监控手段。为节省人力、实现低功耗并确保粮食储存安全，本文通过研究得到可以实时监测温湿度和害虫数目并越限报警的粮库管理系统。该系统采集粮库温湿度，以光诱捕害虫并计数，将采集的数据送至MSP430处理后，由ZigBee无线传输至服务器以对粮库环境进行监控。关键字： ZigBee低功耗 粮库监测 越限报警Abstract:Thetraditionalgraindepotcanonlymonitortemperatureandhumidityartificiallyandthereisnoeffectivemonitoringmethodforthepests.Throughresearch,tosavelabor,achievelow-powerdissipationandensurethesafetyofgrainstorage,weputforwardamanagementsystemofgrainstorage.Itcanmonitortemperature,humidityandpestnumbertimelyandalarmwhenexceedinglimits.Thissystemsamplestemperatureandhumidityofgraindepot,useslighttotrappestsandtransmitsthecollecteddatatoMSP430.ThenviaZigBee,ittransferstheresultstotheserverwirelesslywherethetemperature,humidityandpestnumberingraindepotcanbemonitored.KeyWords:ZigBeeLow-powerDissipationMonitorGrainDepotAlarmWhenExceedingLimits目录一.引言 错误！未定义书签。产品设计背景 错误！未定义书签。TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"设计目的及实现目标 1\o"CurrentDocument"二系统方案 2\o"CurrentDocument".系统硬件设计 2\o"CurrentDocument"传感器模块 2温度传感器模块 3湿度传感器模块 3\o"CurrentDocument"害虫计数模块 4\o"CurrentDocument"无线传输模块 5\o"CurrentDocument"MSP430控制模块 7\o"CurrentDocument"供电模块 7.系统软件设计 错误！未定义书签。\o"CurrentDocument"传感器模块 7\o"CurrentDocument"无线传输模块 10\o"CurrentDocument"服务器模块 11\o"CurrentDocument".系统的创新 11\o"CurrentDocument".评测和结论 12\o"CurrentDocument".结束语 12.参考文献 错误！未定义书签。引言产品设计背景“民以食为天”。从古至今，凡有关粮食的问题都是国家重视的头等大事，储粮损耗便是其中之一。粮食入库后，常常因害虫过多或粮库温湿度等不合要求而遭受巨大的损失。这种情况在目前仍未得到有效缓解，储粮损耗已然成为困扰多数粮食存储单位的头疼问题。调查【1】表明，高大平房仓储粮损耗一般在1%—2%,有些甚至达到了3%,每轮换1万吨粮食，损耗就达到100-300吨。若库存规模稍大一点，储粮达到8万一10万吨，1年的损耗则将接近1000吨。由上述现象可见，如何减少粮食的库存损耗已成为亟待研究的重要课题。近年来，随着科学技术的飞速发展，全国粮库的粮情监控管理水平有了一定程度的提高，大多数粮食存储单位已使用了智能化仪器仪表，但大都只针对粮库谷物的温度和湿度。而在粮食储藏过程中，对粮仓虫情进行实时检测并排查是减少粮食损失最重要的措施。令人担忧的是，粮库的测虫和防虫技术目前在粮库中使用并不普遍，有些粮库虽然也设计制作了一些自动测虫系统，但一般都功耗较大且自动化程度比较低，需要消耗大量的人工。因此，设计一套能够兼顾粮库中各种储存环境因素的智能粮库监测系统，显得尤为迫切和重要。设计目的及实现目标为解决现有粮情检测系统存在的功能单一、功耗较大、性价比较低、灵活性不强、数据传输能力较弱等问题，在深入研究了当前粮库存储状况背景的基础上，本文致力于利用现有的无线传输技术、传感技术、相关粮食存储知识以及MSP430功能，设计一套能够准确监测记录粮库实时温度、湿度和害虫数量并及时报警的粮库存储监控系统。该设计可以随时掌握储粮过程中各种物理量的变化，分析其变化规律，及时判断处理，有效地解决当前大多粮库储量损耗大且自动化程度低的难题。同时，该系统也可使用于食品储存，工业生产等领域。二.系统方案

以MSP430g2231为核心的粮库监测系统主要由五个模块构成，分别为电源模块、传感器模块、MSP430控制模块、无线传输模块以及服务器模块。其中传感器模块又分为温度传感模块、湿度传感模块以及害虫计数模块三个子模块。系统结构如图1所示。系统的具体工作流程为：传感器模块采集温湿度及害虫数量数据后传输到MSP430控制模块，采集数据经控制模块处理后由无线传输模块发送至服务器模块，利用服务器模块实时显示数据并越限报警。电源模块则负责对除服务器模块外的所有模块供电。三. 系统硬件设计传感器模块MSP430g2231非常适合控制传感器，其典型使用就包括可捕获模拟信号、将之转换为数字值后处理以进行显示的低成本传感器系统。本系统的传感器模块包括DS18B20温度传感器模块、HS1101湿度传感器模块和害虫计数模块。DS18B20温度传感器模块温度传感器采用Dallas半导体公司所生产的集成度高且高精度的PR-35封装式DS18B20,和传统的热敏电阻相比，该传感器具有体积小、结构简单、功耗低、无须外接元件以及用户可自行设定上下限温度等待点等优点。其性能特点具体如下：1）采用单总线专用技术，既可通过串行口线，也可通过其它I/O口线和微机接口，无须经过其它变换电路，直接输出被测温度值（9位二进制数，含符号位）；2）测温范围为-55℃-+125℃，测量分辨率为0.0625℃；3）内含64位经过激光修正的只读存储器ROM；4）适配各种单片机或系统机；5）用户可分别设定各路温度的上、下限；6）内含寄生电源。MSP430内部也配置有温度传感器，但由于本设计的系统电路较为简单，外部引脚相对充裕，可以容纳外部温度传感器，且MSP430工作时自身的温度会干扰到内部温度传感器对实际温度的检测，故在设计中使用外部温度传感器。在粮库系统中，温度传感器DS18B20可直接通过I/O引脚将粮库的温度信息送入MSP430控制系统，以实现系统对温度的监测。HS1101湿度传感器模块湿度传感模块主要由HS1101及其外部电路构成。HS1101是Humier公司推出的一款电容式相对湿度传感器。比之于其他湿度传感器，它有着精度高，响应时间短且受温度影响较小等显著的优点。HS1101湿度传感器是一种基于电容原理的湿度传感器，相对湿度的变化和电容值呈线性规律，电容值随着空气湿度的变化而变化。为使电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号，本设计利用能产生精确定时脉冲的高稳度控制器555振荡电路，将HS1101的电容值的变化转为和之呈反比的电压频率信号，直接被计算机所采集。计算机再利用湿度和频率转换公式准确计算出空气湿度。湿度一频率转换公式具体如下：口_7350—4•fH二1.3其中H为计算所得湿度值，f是所测电容值转换而得的频率值，式中的13.2为最高测量湿度差和频率范围的斜度大小。害虫计数模块计数模块主要由双电压比较器集成电路LM393、槽型光电传感器LTH-301-32以及害虫捕捉器共同构成，其中害虫捕捉器包括发射波长为365nm的紫光灯、下滑通道和害虫收集容器。害虫计数的过程可分为害虫的捕捉及害虫数目的统计两部分。使用害虫捕捉器捕捉到害虫后，利用槽型光电传感器和电压比较器产生脉冲信号，并将此信号送至MSP430控制模块进行计数。＞害虫的捕捉由于大多害虫具有趋光性，且不同的害虫对不同波长光的敏感程度也各不相同。为更清楚地阐明系统功能，本设计仅选取蛾类害虫为例，对其在粮仓中的数量进行实时统计。查阅相关资料可知，蛾类害虫对波长为365nm左右的红外光最为敏感，由此选择放射波长为365nm的紫光LED灯作为害虫吸引源，将其置于粮堆附近，而害虫收集容器就放于吸引源旁。一旦害虫进入捕捉口，便会沿着非常光滑的下滑通道滑入害虫收集容器。＞害虫数目的统计对于害虫数目的统计，利用到的元器件为双电压比较器集成电路LM393及槽型光电传感器LTH-301-32。LM393是美国半导体公司生产的低功耗低失调电压双比较集成电路，由两个偏移电压指标低达2.0的独立精密电压比较器构成。其采用单电源操作设计，且适用电压范围广，也可采用分离式电源，低电耗不受电源电压值影响。该芯片还有一个特点是，即使是在单电源操作时，其输入共模电压范围也包括接地。LM393系列可直接和TTL及CMOS逻辑电路接口。其主要特点如下：1）工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源：2〜36V,双电源:±1〜±18V；2）消耗电流小，Icc=0.8mA；3）输入失调电压小，VIO=±2mV；4）共模输入电压范围宽，Vic=0〜Vcc-1.5V；5）输出和TTL,DTL,MOS,CMOS等兼容；将槽型光电传感器LTH-301-32安装在和害虫收集容器相连的下滑通道两侧，当害虫被吸引进入通道时，光电传感器发射端发出的红外光线会被挡住一小段时间，从而使传感器输出电压变化，经由LM393处理后产生一个脉冲信号，并送至MCU从而计数。无线传输模块无线传输模块主要负责MSP430控制模块和服务器模块的通信。本设计中的无线传输模块是由CC1101芯片开发而成RF1100模块。其中CC1101是TI公司生产的无线收发芯片，它支持ZigBee标准。ZigBee技术简介ZigBee是一种双向无线通讯技术，可工作在2.14GHz（全球流行）、868MHz（欧洲流行）和915MHz（美国流行）3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率,其传输距离在10-75m的范围内，但可以继续增加。作为一种无线通信技术，ZigBee技术具有如下特点：1）低功耗：由于ZigBee的传输速率低，发射功率仅为1mW，且采用了休眠模式，功耗低，因此该设备非常省电。据估算，仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间，这是其它无线设备望尘莫及的。2）成本低：由于该模块的复杂度低，ZigBee协议免专利，且所使用的频段无需付费，故成本较低。3）时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延为30ms，休眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制（如工业控制场合等）使用。4）网络容量大：一个星型结构的Zigbee网络最多可容纳一个主设备和254个从设备和，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络，且网络组成灵活。5）可靠：采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。若传输过程中出现问题可以重发。6）安全：ZigBee提供了基于循环冗余校验（CRC）的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用了AES-128的加密算法，各使用可灵活地确定其安全属性。ZigBee、蓝牙及Wi—Fi技术的对比如今的无线传输技术主要有ZigBee、蓝牙、Wi-Fi等，它们各有自身的独特之处。下表详细地列出了这三种技术在单点覆盖距离、电池寿命、传输速率等方面的指标。表1无线传输技术性能对比表种类ZigBee蓝牙Wi—Fi单点覆盖距离50—300m10m50m电池寿命数年数天数小时复杂性简单复杂非常复杂传输速率250Kbps1Mbps1—11Mbps频段868MHZ—2.4GHZ2.4GHZ2.4GHZ使用成本低低一般对比上述三种技术不难发现，ZigBee技术在低功耗、低复杂度以及低成本方面都表现不俗。而868MHZ-2.4GHZ的多种传输频段更可让ZigBee在使用时所受的干扰相对较小。ZigBee技术的使用CC1101是一种低成本、真正单片的UHF收发器，为低功耗无线使用而设计。该芯片的主要操作参数和64位发送/接收FIFO可通过SPI接口控制，具有14个命令寄存器，47个普通配置寄存器和12个状态寄存器，通过4线SPI兼容接口（SI,SO,SCLK和CSn）配置。其中，SPI接口是一种同步串行通信接口，CSn是芯片选择管脚，当该管脚为低电平时，SPI接口可以通信；SI和SO为数字传输管脚，SI用于数据输入，SO用于数据输出；SCLK为同步时钟，在时钟的上升沿数据被写入或读出。在本设计中，设定MSP430的P1.6口和P1.5口负责RF1100的状态控制，P1.3口负责向RF1100发送数据，而P1.2口则用于接收由RF1100所发送的数据。据此，令P1.6、P1.5、P1.3口和SPI总线协议的CSN、SCK、SI线相连接，P1.2口和SO线相连接可达到无线传输的效果。

MSP430控制模块控制模块采用了MSP430g2231,该MCU最大的特点就是超低功耗。它具有一个强大的16位RISCCPU、16位寄存器和有助于获得最大编码效率的常数发生器，其数控振荡器DCO可在不到1膜内从低功耗模式唤醒至运行模式。为能对DS18B20进行读写操作，MSP430以20MDCO作为内部时钟源，内部使用看门狗中断，看门狗实现定时器控制，定时器的时间间隔为8S，即每8S唤醒一次MCU，进行温湿度及计数测量。同时，为了更大限度的降低功耗，该控制模块利用MSP430的I/O控制继电器，进而控制温湿度模块的开关，使温湿度模块只在MCU唤醒模式下工作，在休眠模式下不工作。供电模块系统的供电功能主要由低压差电压调节器LM1117_3.3及5V直流电源实现。本设计直接利用5V直流电源为传感器模块供电，利用LM1117_3.3将5V直流电源转换为精确的3.3V直流电源后，为MSP430模块和ZigBee无线传输模块供电。四.系统软件设计传感器模块湿度湿度传感器模块的软件设计采用C语言编程实现。由于MSP430的主频为10MHZ,故其时钟周期为10%。为减少湿度测量模块的测量时间，降低功耗，本文选取1/4s作为测量时间，也即是检测每i=2500000个时钟周期内P1.4口接受到时钟下降沿的次数，以此测量和湿度相关的频率值f的大小。同时，将测量所用时间精确到每条指令所耗时钟周期以提高频率值的测量精度。该程序具体实现代码如下所示：unsignedinttest_humi()(chartemp;//temp存储chartemp;//temp存储P1.4口的输入//humidity记录湿度//humidity记录湿度//i用于计时(以时钟周期为单位)，f记录频率longinti,f;temp=P1IN;f=0;i=2500000; //i初始值为2500000个时钟周期while(i>0){ //msp430一个机器周期需1个时钟周期，以此定时测量P1.4频率汩-4; //while判断一个条件使用3条指令，加上本指令共4个时钟周期while((temp&BIT0)&&i>0){〃检测高电平，汇编后有四条指令temp=P1IN; 〃再次读取输入=i-8; //此处8为进入while以来使用的时钟周期if(!(temp&BIT0)&&i>0){〃检测低电平，和上边检测高电平配合检测下降沿

f++;i=i-6;} //if条件成立后所用时钟周期(包括本指令)汩-5;} //判断if条件所用时钟周期(包括本指令)i=i-5;} //判断while条件不成立时所用时钟周期(包括本指令)humidity二(7350-4*f)/1.3;returnhumidity;}代码对应流程图如图2所示。

图2湿度模块频率值测量流程图温度DS18B20的工作遵守严格的单总线协议。MSP430首先发一复位脉冲，使端口上的DS18B20复位，由于该系统中只有一个DS18B20芯片，所以跳过读取产品序列号的过程，接着发送温度转换、读取指令。在对该芯片进行操作的整个过程中，主要包括三个关键过程：初始化DS18B20、启动DS18B20作温度转换及读取DS18B20温度值。其工作流程如图3所示。

图3DS18B20工作流程图结束图3DS18B20工作流程图结束图4CC1101发送数据流程图无线传输模块利用无线传输模块可将由MSP430处理过的数据包发送到服务器上，数据包发送长度为三个字节，每个字节都代表一个环境变量。CC1101首先需要从MSP430控制系统获得数据，上电复位后，再通过MSP430对其寄存器进行基础配置，SPI连续写配置寄存器使之发送功率为0dBm后发送数据至服务器进行处理。具体流程如图4所示服务器模块服务器模块负责显示由MSP430控制模块发送来的数据，并在软件上实现粮库温度、湿度以及害虫数目的越限设定以及红绿灯报警。该软件由HTML语言编写实现，其最终界面如图6所示。粮库监测系统温度湿度害虫数量报警上限设置305010报警下限设置1035无报警灯■■■当前情况284315图6粮库检测系统界面该界面由当前情况、越限设定部分以及报警灯以及三部分构成。当前情况部分可显示粮库当前的温湿度及害虫数量，此数据每隔10秒多便会自动刷新一次。通过越限设定部分，操作人员能够自由设定温湿度及害虫数量的报警上下限。而报警灯可在当前情况越限时由绿灯自动跳转至红灯，起到提醒操作人员的作用。五.系统的创新和一般的粮食储存