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基于RF SOC nRF9E5的食品质量检测设计

来源:互联网
  1 引言

谷物温度检测技术是中国4 粮食储存技术之一。它可以动态监测仓库粮食的温度变化,为粮食的储存安全提供重要保障。由于储备的特殊环境条件:当粮食进入仓库时,系统的一些模块(主要是传感器模块)被拆卸和重新安装;仓库中存在的有毒气体H3P 容易腐蚀电子元件,而且谷物堆中的传感器损坏并不容易。更换。目前用于谷物储存的大多数谷物检测系统使用由模拟温度传感器,多通道模拟开关,A/D 转换器和单片微计算机组成的线传输系统。这种温度采集系统需要在仓库内安装大量的温度测量电缆,安装拆卸复杂;同时受线电阻和分布电容的影响,测量误差较大,易受雷击影响。因此,提出了一种基于无线传感器网络的温度检测系统的设计方案。该方案不需要任何固定的网络支持,安装简单方便,系统稳定可靠,可维护性好。

2 无线传感器网络

无线传感器网络是由特定网络协议中的大量微型,智能,低功率传感器组成的无线网络。其目的是合作地感知,收集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息,并将其分发给观察者。 。它结合了传感器技术,嵌入式计算技术,分布式信息处理技术和无线通信技术,正在成为一个新兴的技术领域,被认为是21世纪最重要的技术之一。

无线传感器网络节点具有无线通信,数据采集和处理,协作等功能,可以随机或具体地安排在目标环境中,可以获取周围环境的信息,共同完成特定任务。传感器节点主要由功能模块组成,例如电源管理模块,传感器,微处理器,存储器和射频模块。电源管理模块为其他功能单元提供正常操作所需的能量。传感器用于感测和获取外部信息,并通过信号处理电路将其转换为数字信号。微处理器组件负责协调节点的各个部分的工作,例如执行必要的处理,保存和控制传感器和电源的工作模式。 RF模块负责与其他传感器或观察者通信。

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3 系统设计方案

整个系统由几个无线温度传感器节点,测量和控制主机和PC 机器组成。无线温度传感器节点根据一定的布局规则分布在仓库中,并进行温度数据采集,预处理和传输。测量和控制主机由无线收发模块nRF9E5 和报警设备组成。它通过外部MAX232 转换电路与PC 通信。测量和控制主机通过无线通信向每个节点发送数据,存储和命令。 PC 向测量和控制主机发送功能命令,并智能地分析,显示和打印为每个节点收集的温度数据。由于篇幅所限,本文主要介绍了无线温度传感器节点的硬件结构和软件设计方法。 

3.1 无线温度传感器节点的设计

温度传感器节点是网络的基本单元,响应测量和控制主机的指令并传输数据。由于传感器节点通常由电池供电,因此电池的容量通常不是很大。并且在使用过程中,电池无法充电或更换,一旦电量耗尽,节点就会失效。因此,在传感器网络节点的设计过程中,任何技术和协议的使用都必须基于节能。在硬件设计方面,应尽可能使用低功耗器件。当没有通信任务时,应切断电源的RF部分。在软件设计方面,所有层次的通信协议都应以节能为中心。

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3.1.1 射频SOC nRF9E5

nRF9E5 是挪威Nordic 去年推出的系统级RF 芯片。该芯片由+ 3VDC 供电,面积为5mm x 5mm。它有32个 外部引脚,包括UART 和SPI 。 nRF9E5  RF模块,8051 微控制器和A/D 转换模块内部集成了433/868/915MHz 三频段载波频率。 GFSK 调制,抗干扰能力强;支持多点通信,数据传输速率可达0.1Mbps。独特的ShockBurst 信号传输模式和发送信号载波监控功能可有效降低功耗电流,避免数据冲突。内部寄存器为用户的测量和控制主机提供基本通信协议,方便用户扩展和缩短开发周期,适用于无线数据传输系统的设计。

nRF9E5 使用SPI 接口在微控制器和无线模块之间进行数据传输。这是在nRF9E5 片内8051内核和nRF905  RF收发器之间完成的。 nRF9E5 收发器有三种工作模式,ShockBurst 接收(RX)模式,ShockBurst 发送(TX)模式和空闲模式。 nRF9E5 收发器的工作模式由特殊功能寄存器TRX_CE 和TX_EN 决定。在ShockBurst 接收模式下,当接收到有效地址RF数据包时,地址匹配寄存器位(AM)和数据就绪寄存器位(DR)通知片内MCU 读取数据。在ShockBurst 模式下,nRF905 自动为要与CRC 校验和一起发送的数据添加前缀。发送数据时,数据就绪寄存器位(DR)通知MCU已处理 数据。当系统不发送和接收任务时,它进入空闲模式。 nRF905 在空闲模式下,一旦必须处理任务,它可以在短时间内进入ShockBurst 接收模式和ShockBurst 发送模式。在空闲模式下,晶体振荡器仍然工作,配置字的内容不会丢失。当系统通信时,每个模块处于正常接收状态:收发器使能位TRX_CE=1 ,模式选择位TX_EN=0。在操作期间,用户可以编程TX_EN=1 以使它们中的每一个工作在发送状态。

3.1.2 数字温度字传感器

DS18B20 是一款小型,低功耗,可编程单总线数字温度传感器,由Dallas 开发,可直接将测量温度值转换为数字信号输出。并具有以下主要特点:(1)独特的单总线通信技术,只需一条信号线和单片机连接即可实现双向通信。 (2)电源电压范围为3.3-5V,可由寄生电源供电或直接由外部电源供电。 (3)温度范围为-55-125°C,±0.5°C的精度可保持在-10-85°C。 (4)通过编程可以实现9-12 位的数字读取模式,即在温度转换期间可以选择0.5°C,0.25°C,0.125°C和0.0625°C的四种不同分辨率。 (5)可以设置非易失性温度报警上限和下限值TH 和TL,并且可以通过报警搜索命令获得报警信息。

DS18B20 在严格的单总线协议下工作。也就是说,首先初始化,然后发送ROM 命令,最后发送功能命令。初始化包括来自主机的复位脉冲(通过将总线拉低至少480μs )然后主机等待DS18B20 发回的存在脉冲。 DS18B20 从复位脉冲的上升沿等待15-16μs ,通过将单总线拉低60-240μs 来检测是否存在脉冲。 DS18B20 的读写操作通过读写时序实现。

3.2 软件设计

该系统是一种简单的点对多点通信,因此通信协议可以分为三层。第一层是物理层,由nRF9E5 模块硬件实现;第二层是数据链路层;第三层是应用层。

数据链路层的功能是提供可靠的无线数据传输。发送数据时,应用层发送的相对较长的数据帧被分成短数据帧,并添加报头和校验和,重新打包并发送出去。在接收数据时,接收的数据被解包并重新组装成完整的长数据并移交给应用层。数据链路层的数据帧格式为:每帧包括两个字节的起始帧0xFFH和0xAAH,几个字节的地址(字节大小由系统节点数决定),一个字节的帧类型,一个有效数据字节长度,两个字节的数据和两个字节的校验和,帧停止位0x00H的一个字节。

由于整个系统中的无线通信频率使用一个通道433.92MHZ 作为通信载波频率,整个系统的通信必须使用分时技术将测量控制主机和多节点之间的通信转为测量和控制主机以及与节点的点对点。多个链接的组合,用于通信。也就是说,测量和控制主机必须使用扫描方法逐点收集数据。节点使用中断模式处理主接收器发送的地址信息,如果匹配本地地址则执行命令。首先,测量和控制主机向系统中的节点发出温度转换命令包。然后,当节点收到主机发送的命令包时,它启动DS18B20 进行温度转换,然后将其上传到主机。最后,在主机从节点接收到数据包并验证它之后,主机向节点发送确认数据包以确认节点数据包的正确性。如果数据在传输过程中丢失数据,主机将要求节点重新发送数据,直到数据全部正确为止。

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图3 和图4 分别是主机和节点的程序流程图

4 试验结果

将根据上述方案设计的温度检测系统与在一定储备中使用的传统检测系统进行比较。本系统的数字温度传感器DS18B20采用11位数字读数模式。原系统使用MF-53-1型热敏电阻。水银温度计的刻度为0.1°C,读数可达0.05°C 。测量结果如表2所示。

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从实际测量数据可以看出,设计系统的测量误差很小,主要是由于传感器本身的误差,在网络传输过程中几乎没有引入误差。

5 结论

传感器网络被认为是影响人类未来的重要技术之一。这种新兴技术结合了许多现有的先进技术,提供了获取信息和处理信息的新方法。因此,基于无线传感器网络的谷物状态检测系统克服了传统系统的缺点。测试结果表明,该系统具有良好的工作稳定性和测量精度,系统抗干扰能力强,避免了雷击;网络节点很小。易于安装和拆卸,易于在表面涂上防腐材料,达到耐腐蚀性,延长设备使用寿命;节点功能高度可扩展,通过增加相关传感器和转换电路可以实现谷物水分和害虫密度的检测。 。同时,由于传感器网络本身的特点,它与现有的传统网络技术存在很大差异,这带来了许多新的挑战,特别是传感器网络节点的能量供应和成本,这限制了它应用范围。随着技术的进步和成本的降低,无线传感器网络技术在粮食储存中的应用将具有显着的经济和社会效益。

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