超低功耗粮仓无线实时监测系统设计

摘要：针对在粮库温度智能监测领域，采用电线电缆传输数据的不便以及目前无线传感网络节点寿命短的问题，利用MSP430超低功耗单片机设计了超低功耗无线温度监测系统。基于超低功耗设计了系统的整体框架以及各模块硬件，其中包括节点、温度传感器模块、无线通信模块、通信协议、桌面实时显示程序，通信协议解决了多个节点同时介入时的碰撞问题并设计了节能算法。最后对整个系统的可靠性以及节点的使用寿命进行了实验验证，经过试验的检验本系统具有超低功耗的特点，基本满足超低功耗粮仓无线实时监测系统的设计需求。
关键词：超低功耗；MSP430；硬件；节能；试验验证

0 引言
温度对粮食的存放起着至关重要的作用，国家粮食法规定，必须定期抽样检查粮库各点的温度，以便及时采取相应的措施保证粮食的安全。但我国大部分粮库采用人工的方式进行粮库温度测量，这样不但费时费力，而且不能做到对粮食温度的实时监测，导致我国每年都会有大面积粮食变质现象的发生。
近年来，我国的科研人员开发了一些无线传感网络检测系统，它们有的采用ARM+ZigBee，还有的采用Atmega128L+ZigBee。但是从功耗和成本以及粮仓环境的复杂程度多方面考虑，本文利用MSP430+nRF905设计了基于改进的TDMA通信协议的超低功耗无线传感网络。此系统具有成本低、超低功耗的特点，实现了对粮库温度的实时监控。

1 系统整体结构设计
为了实现超低功耗的设计应从硬件和软件两方面同时进行，硬件电路的设计尽量采用低功耗器件，减少电路设计的复杂程度；软件方面让不工作的节点进入休眠状态，程序设计简练、减少循环。
1．1 系统整体结构
本系统由传感节点、汇聚节点、管理平台三部分构成。系统组成框图如图1所示，传感节点负责完成粮库现场温度的采集和处理，并通过无线传感器与汇聚节点进行数据交换。汇聚节点负责实现两个通信网络之间数据的交换，实现两种协议之间的通信协议转换，它发布管理节点的检测任务，并把收集到的数据转发到管理平台上。管理平台主要是实现对整个网络的检测、管理及采集温度的实时显示，以及对历史采集数据的查看。

1．2 节点硬件的设计
传感节点主要由处理器模块、传感器模块、无线通信模块、电源模块组成。图2为传感节点组成框图。

处理器模块是传感节点核心模块，负责完成数据处理、数据存储、执行通信协议和节点调度管理工作等。传感器模块负责感知数据。无线通信模块负责完成无线通信任务，是传感器节点中最主要的耗能模块。电源模块是所有电子系统的基础，考虑到节点使用的寿命、成本、体积和设计复杂程度，电源模块的设计采用原电池。
1．2．1 处理器的选择
基于本系统只需进行低速数据处理且硬件设计以简单为宜，所以不需使用功能强大价位较高的ARM处理器，处理器模块选用价位较低的TI公司的16 b超低功耗MSP430F149，该芯片具有5种低功耗工作模式，休眠时电流为只有0．1μA。片内集成60KB+256 B的FLASH，2 KB的RAM，完全可以胜任无线温度检测系统温度。