CN104102257B - 一种基于片上系统的无线温湿度监控节点及其监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于片上系统的无线温湿度监控节点及其监控方法，所述无线温湿度监控节点包括均单片机CC430、数字温湿度传感器SHT11、聚合物锂电池、天线、32.768kHz的低频晶振、26MHz的高频晶振和JTAG调试口。本发明利用无线温湿度监控节以及其监控方法，不仅在环境的安装部署上极为简便，在维护或者改装变迁上也非常方便；另外本发明是休眠和工作之间来回切换，极大程度的降低了功耗，而且也有效的避开了多个节点之间的相互干扰。

Description

一种基于片上系统的无线温湿度监控节点及其监控方法

技术领域

本发明涉及仓库温湿度监控领域，具体涉及用于烟草仓库、粮食仓库、冷库等环境的一种基于片上系统的无线温湿度监控节点及其监控方法。

背景技术

在烟草仓库、粮食仓库、冷库等仓库监控中都有温湿度监控需求，以便所存储的物资不会因为温湿度超出正常范围而发生霉乱或变质的不利条件。传统的仓库温湿度监控大多采用有线方式，监控系统部署繁琐，改装麻烦，扩展性能差，当物资库内移动、物资出入库时拆装不太方便、容易损坏，如果埋入地下，则容易腐蚀不易移动且增加了施工成本。

在现有技术中，技术人员提出了很多利用传感器作为节点的仓库无线测温测湿的方案，但从节点体系结构看，一般都是基于分立的单片机和射频模块，电路板上需要较大空间，不利于节点的小型化，即使有的方案采用了片上系统,但该方案采用的是CC2430，而无线工作在免费频段的2.4GHz，容易受到干扰,另外在无线传感器组网上采用了ZigBee技术，不能满足大型仓库的测温测湿节点低功耗及自组织网络的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于片上系统的无线温湿度监控节点及其监控方法，解决现有技术部署繁琐、改装麻烦、扩展性能差，以及设备所需空间大和信号容易收到干扰的问题。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于片上系统的无线温湿度监控节点，其特征在于：

包括单片机CC430、数字温湿度传感器SHT11、聚合物锂电池、天线、32.768kHz的低频晶振、26MHz的高频晶振和JTAG仿真器，

其中所述节点由聚合物锂电池供电，单片机VCC引脚连接电池正极，VSS引脚连接电池负极；

所述单片机CC430和数字温湿度传感器SHT11通过IIC总线接口相连接；

所述单片机CC430的XIN引脚和XOUT引脚连接至32.768kHz的低频晶振，单片机CC430的RF_XIN引脚和RF_XOUT引脚连接至26MHz的高频晶振，所述32.768kHz的低频晶振和26MHz的高频晶振用作所述单片机CC430的时钟晶振；

所述单片机CC430的VCC引脚连接至聚合物锂电池的正极，VSS引脚连接聚合物锂电池的负极；

所述单片机CC430通过引脚连接至JTAG仿真器，作为所述单片机CC430仿真调试的连接口；

所述单片机CC430的P1.2引脚、P1.3引脚、P1.4引脚依次和数字温湿度传感器SHT11的SCLK引脚、SDA引脚、PWR引脚相连，分别实现开闭温湿度传感器的电源、采集控制、传感数据返回功能；

所述单片机CC430的RF_N引脚和RF_P引脚通过射频匹配电路和天线相连接。

更进一步的技术方案是，所述射频匹配电路是由单片机CC430的RF_N引脚和RF_P引脚到天线馈点间的高频电路，从RF_N引脚分支按照顺序接上12nH电感L1、18nH电感L2、1.5pF电容C1、15nH电感L3、15nH电感L4、1.5pF电容C2，最后至天线，从RF_P引脚分支按照顺序串联接上12nH电感L5、1.5pF电容C3，最后连接至18nH电感L2和1.5pF电容C1之间，有1pF电容C4从12nH电感L1和18nH电感L2之间连接至12nH电感L5和1.5pF电容C3之间，在所述12nH电感L1和18nH电感L2之间通过1.5pF电容C5接地，所述12nH电感L5和1.5pF电容C3之间通过18nH电感L6、100pF电容C6接地，在15nH电感L3和15nH电感L4之间通过相互并联的2.2nH电感L7和8.2pF电容C7接地。

一种上述的基于片上系统的无线温湿度监控节点的监控方法，将无线温湿度监控节点分别安装在需要检测温湿度的位置，包括以下步骤：

对每个节点上的单片机CC430进行系统初始化，初始化包括配置时钟、设置GPIO引脚的电平高低及输入输出方向，射频匹配电路的寄存器初始化；初始化完成后，设置温湿度采集定时器和射频采样定时器，在温湿度采集定时器和射频采样定时器触发之前所述单片机CC430均处于休眠状态；

数字温湿度传感器SHT11根据单片机CC430上的温湿度采集定时器，每隔一个采集周期启动一次温湿度数据采集，将采集到的温湿度制作成数据包，单片机CC430连同包长度信息、包类型、目的地址、源地址、父节点地址、序列号一起发送至其它节点，发送完成之后该节点进入休眠状态；

所述单片机CC430根据射频采样定时器，每隔一个射频周期，单片机CC430打开射频匹配电路通过天线进行无线信号采样，判断附近是否有其它节点有数据在发送，如果附近没有节点发送则直接进入休眠状态,有的话就需要进入接收状态，接收完成后该节点进入发送状态，把收到的数据转发到汇聚节点或者离汇聚节点更近的中间节点；

最终所有的温湿度数据包由作为汇聚节点的无线温湿度监控节点发送至监控计算机。

更进一步的技术方案是，所述单片机CC430在数据包发送之前先进行射频信号检测，判断有没有其它节点正在发送，如果没有，则发送，如果有其它节点发送，则进入休眠状态，等待下一次射频采样定时器唤醒；在发送温湿度数据包之前，需要发送唤醒信号让下一节点苏醒过来进入接收状态。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用无线温湿度监控节以及其监控方法，不仅在环境的安装部署上极为简便，在维护或者改装变迁上也非常方便；另外本发明是休眠和工作之间来回切换，极大程度的降低了功耗，而且也有效的避开了多个节点之间的相互干扰。

附图说明

图1是本发明一种基于片上系统的无线温湿度监控节点结构框图。

图2是本发明射频匹配电路中单片机与温湿度传感器的电路连接示意图。

图3是本发明中CC430片上系统与天线之间的射频匹配电路。

图4是本发明一种基于片上系统的无线温湿度监控节点安装网络结构示意图。

图5是本发明无线温湿度监控装置的软件总体流程图。

图6是本发明无线温湿度监控装置的无线发送流程。

图7是本发明无线温湿度监控装置的无线接收流程。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1和图2示出了本发明一种基于片上系统的无线温湿度监控节点的一个实施例：一种基于片上系统的无线温湿度监控节点，

包括单片机CC430、数字温湿度传感器SHT11、聚合物锂电池、天线、32.768kHz的低频晶振、26MHz的高频晶振和JTAG仿真器，

其中所述节点由聚合物锂电池供电，单片机VCC引脚连接电池正极，VSS引脚连接电池负极；

所述单片机CC430和数字温湿度传感器SHT11通过IIC总线接口相连接；

所述单片机CC430的XIN引脚和XOUT引脚连接至32.768kHz的低频晶振，单片机CC430的RF_XIN引脚和RF_XOUT引脚连接至26MHz的高频晶振，所述32.768kHz的低频晶振和26MHz的高频晶振用作所述单片机CC430的时钟晶振；

所述单片机CC430的VCC引脚连接至聚合物锂电池的正极，VSS引脚连接聚合物锂电池的负极；

所述单片机CC430通过引脚连接至JTAG仿真器，作为所述单片机CC430仿真调试的连接口；

所述单片机CC430的P1.2引脚、P1.3引脚、P1.4引脚依次和数字温湿度传感器SHT11的SCLK引脚、SDA引脚、PWR引脚相连，分别实现开闭温湿度传感器的电源、采集控制、传感数据返回功能；

所述单片机CC430的RF_N引脚和RF_P引脚通过射频匹配电路和天线相连接。

图3示出了本发明一种基于片上系统的无线温湿度监控节点的一个优选实施例，所述射频匹配电路是由单片机CC430的RF_N引脚和RF_P引脚到天线馈点间的高频电路，从RF_N引脚分支按照顺序接上12nH电感L1、18nH电感L2、1.5pF电容C1、15nH电感L3、15nH电感L4、1.5pF电容C2，最后至天线，从RF_P引脚分支按照顺序串联接上12nH电感L5、1.5pF电容C3，最后连接至18nH电感L2和1.5pF电容C1之间，有1pF电容C4从12nH电感L1和18nH电感L2之间连接至12nH电感L5和1.5pF电容C3之间，在所述12nH电感L1和18nH电感L2之间通过1.5pF电容C5接地，所述12nH电感L5和1.5pF电容C3之间通过18nH电感L6、100pF电容C6接地，在15nH电感L3和15nH电感L4之间通过相互并联的2.2nH电感L7和8.2pF电容C7接地。

图4示出了本发明一种基于片上系统的无线温湿度监控节点的监控方法的一个实施例：一种基于片上系统的无线温湿度监控节点的监控方法，将无线温湿度监控节点分别安装在需要检测温湿度的位置，包括以下步骤：

对每个节点上的单片机CC430进行系统初始化，初始化包括配置时钟、设置GPIO引脚的电平高低及输入输出方向，射频匹配电路的寄存器初始化；初始化完成后，设置温湿度采集定时器和射频采样定时器，在温湿度采集定时器和射频采样定时器触发之前所述单片机CC430均处于休眠状态；

数字温湿度传感器SHT11根据单片机CC430上的温湿度采集定时器，每隔一个采集周期启动一次温湿度数据采集，将采集到的温湿度制作成数据包，单片机CC430连同包长度信息、包类型、目的地址、源地址、父节点地址、序列号一起发送至其它节点，发送完成之后该节点进入休眠状态；

所述单片机CC430根据射频采样定时器，每隔一个射频周期，单片机CC430打开射频匹配电路通过天线进行无线信号采样，判断附近是否有其它节点有数据在发送，如果附近没有节点发送则直接进入休眠状态,有的话就需要进入接收状态，接收完成后该节点进入发送状态，把收到的数据转发到汇聚节点或者离汇聚节点更近的中间节点；

最终所有的温湿度数据包由作为汇聚节点的无线温湿度监控节点发送至监控计算机。

在此需要说明的一点是，在上述实施例中，所述汇聚节点可以是通过串口或网口连接至监控计算机的特殊节点，可以不含传感器。所述无线温湿度节点，既可以生产数据即采集温湿度数据，又转发别的节点发送的数据。一个离汇聚节点较远的节点可能是需经过中间节点多次转发才能送至汇聚节点，汇聚节点把所有的数据通过串口送到监控计算机，存入数据库。

更进一步的技术方案是，所述单片机CC430在数据包发送之前先进行射频信号检测，判断有没有其它节点正在发送，如果没有，则发送，如果有其它节点发送，则进入休眠状态，等待下一次射频采样定时器唤醒；在发送温湿度数据包之前，需要发送唤醒信号让下一节点苏醒过来进入接收状态。

所述节点休眠是指CPU进入低功耗模式以及射频进入休眠的状态。CC430有5种低功耗模式，LPM0-LPM4,消耗的电流逐步减少，可降低功耗延长一次充电后的工作时长。本发明节点休眠采用LPM3低功耗模式，进入LPM3状态只需运行汇编语句BIS#GIE+CPUOFF+SCG1+SCG0,SR即可。射频休眠是指让CC1101进入SLEEP状态，是由CPU向CC1101发送休眠命令SXOFF即可；所述节点唤醒是指CPU在低功耗模式下当发生定时器中断时会自动由低功耗模式切换回正常工作模式，射频唤醒根据CPU发送的SIDLE命令从休眠状态切换回工作状态。

本发明的无线温湿度监控节点在采集完数据后需要把温湿度数据封装起来打包发送。在无线数据包中，除了包含1个字节的温度数据和1个字节的湿度数据外，还需要包含其他信息。第一个字节为包长度信息，为接收端解析接收到的数据提供长度信息，便于分配内存。第二个字节是包类型信息，这是为了区分不同的应用种类，在一个供应商有多种应用时方便进行区分不同的应用，最大的好处是可以复用计算机监控程序，一个计算机监控程序可以支持多个不同应用，减少监控系统维护。第3-4字节是目的地址，即本数据包的下一节点地址，尽管所有数据包的最终目的地址是汇聚节点地址，但这个地址是默认的，无须出现在数据包中，这里的目的地址是下一转发节点地址。第5-6字节是源地址，是指最初进行数据采集的节点的地址，也即该数据包的最初来源。第7-8字节是父节点地址，是指源地址的父节点，而不是指本节点的父节点，这样，计算机监控程序可以根据这一信息绘制整个网络的节点父子关系，即网络拓扑图。所有的地址都是2个字节，除了0xffff是广播地址外，其他地址都可以被节点使用，即可以支持65534个网络节点。在某些特殊应用中，也可以把2字节的节点地址分为1个字节的组地址和一个字节的节点地址，以支持组区分或组播操作。第9字节是16进制的温度数据，一般把温度乘10后取整数转化为16进制保存在这里，在计算机监控程序中需要把数据转化为10进制然后乘以10还原出来。第10字节是16进制的湿度数据，一般把湿度乘100后取整数转化为16进制保存在这里，在计算机监控程序中需要把数据转化为10进制然后除以100还原出来。第11字节是应用数据的序列号，以便进行数据递送成功率统计，以及区分重复数据包。由于采用了传感数据采集定时器，在一段时间中监控计算机应该收到一个节点的数据数量是固定的，实际收到的数据个数除以预期应该收到的数据个数就是数据采集及递送成功率。

数据包结构定义:

本发明的无线温湿度监控节点在采集完数据后、或者收到转发消息后，都需要进行数据发送操作，如图6所示。无线通信的特点导致在同一区域内两个节点发送会导致两者都不能发送成功，因为互相干扰会让接收端收不到正确的数据。解决方案是在发送前先进行射频信号检测，判断附近有没有其他节点正在发送，如果没有，则可以发送。如果有其他节点，则需要休眠一段较短的时间(通常是0-10ms范围内的一个随机值)，然后再次进行射频信号检测，判断是否可以发送。当然，为了避免在信道繁忙时过多检测过度消耗资源，上述检测最多进行3次，如果依然不能得到空闲信道，则放弃当前的消息发送。另外，低功耗无线传感器网络中的数据发送比高功耗网络要复杂，因为目的节点可能处于休眠状态，导致当前发送无效，因为目的节点在休眠状态下是无法收到数据的。因此，在发送正常数据前，需要发送唤醒信号让目的节点苏醒过来进入接收状态。由于每个节点周期醒来进行射频信号检测以判断有无数据接收，因此，唤醒信号的时间跨度设置为射频检测定时器的周期长度。这样可以保证接收节点一定会醒来并保持接收状态，不会失去接收数据的时机。

本发明的无线温湿度监控节点在周期性射频信号检测发现有数据可接收后进入接收流程，如图7所示，具体流程是：由于噪声等因素影响，射频信号检测在某一点可能没有信号，但的确附近有无线数据发送，为避免错过数据接收，设置一个超时定时器。超时长度也不能太长，否则会导致能量浪费，一般设置为2-5ms。如果发生超时，则表明附近没有节点发送收据，函数返回。如果在超时发生前检测到无线发送，则开始进行数据接收，接收先经过一段前导码然后定位找到定界符号，再开始接收有效数据，函数返回接收到的数据包的启示指针。当然，如果接收到的数据不是属于本节点，则丢弃该数据，函数无数据返回。

Claims (3)

1.一种基于片上系统的无线温湿度监控节点，其特征在于：包括单片机CC430、数字温湿度传感器SHT11、聚合物锂电池、天线、32.768kHz的低频晶振、26MHz的高频晶振和JTAG仿真器，

其中所述节点由聚合物锂电池供电，单片机VCC引脚连接电池正极，VSS引脚连接电池负极；所述单片机CC430和数字温湿度传感器SHT11通过IIC总线接口相连接；

所述单片机CC430的XIN引脚和XOUT引脚连接至32.768kHz的低频晶振，单片机CC430的RF_XIN引脚和RF_XOUT引脚连接至26MHz的高频晶振，所述32.768kHz的低频晶振和26MHz的高频晶振用作所述单片机CC430的时钟晶振；

所述单片机CC430的VCC引脚连接至聚合物锂电池的正极，VSS引脚连接聚合物锂电池的负极；

所述单片机CC430通过引脚连接至JTAG仿真器，作为所述单片机CC430仿真调试的连接口；

所述单片机CC430的P1.2引脚、P1.3引脚、P1.4引脚依次和数字温湿度传感器SHT11的SCLK引脚、SDA引脚、PWR引脚相连，分别实现开闭温湿度传感器的电源、采集控制、传感数据返回功能；

所述单片机CC430的RF_N引脚和RF_P引脚通过射频匹配电路和天线相连接；

所述射频匹配电路是由单片机CC430的RF_N引脚和RF_P引脚到天线馈点间的高频电路，从RF_N引脚分支按照顺序接上12nH电感L1、18nH电感L2、1.5pF电容C1、15nH电感L3、15nH电感L4、1.5pF电容C2，最后至天线，从RF_P引脚分支按照顺序串联接上12nH电感L5、1.5pF电容C3，最后连接至18nH电感L2和1.5pF电容C1之间，有1pF电容C4从12nH电感L1和18nH电感L2之间连接至12nH电感L5和1.5pF电容C3之间，在所述12nH电感L1和18nH电感L2之间通过1.5pF电容C5接地，所述12nH电感L5和1.5pF电容C3之间通过18nH电感L6、100pF电容C6接地，在15nH电感L3和15nH电感L4之间通过相互并联的2.2nH电感L7和8.2pF电容C7接地。

2.一种权利要求1所述的一种基于片上系统的无线温湿度监控节点的监控方法，将无线温湿度监控节点分别安装在需要检测温湿度的位置，其特征在于：包括以下步骤：

对每个节点上的单片机CC430进行系统初始化，初始化包括配置时钟、设置GPIO引脚的电平高低及输入输出方向，射频匹配电路的寄存器初始化；初始化完成后，设置温湿度采集定时器和射频采样定时器，在温湿度采集定时器和射频采样定时器触发之前所述单片机CC430均处于休眠状态；

数字温湿度传感器SHT11根据单片机CC430上的温湿度采集定时器，每隔一个采集周期启动一次温湿度数据采集，将采集到的温湿度制作成数据包，单片机CC430连同包长度信息、包类型、目的地址、源地址、父节点地址、序列号一起发送至其它节点，发送完成之后该节点进入休眠状态；

所述单片机CC430根据射频采样定时器，每隔一个射频周期，单片机CC430打开射频匹配电路通过天线进行无线信号采样，判断附近是否有其它节点有数据在发送，如果附近没有节点发送则直接进入休眠状态,有的话就需要进入接收状态，接收完成后该节点进入发送状态，把收到的数据转发到汇聚节点或者离汇聚节点更近的中间节点；

最终所有的温湿度数据包由作为汇聚节点的无线温湿度监控节点发送至监控计算机。

3.根据权利要求2所述的一种基于片上系统的无线温湿度监控节点的监控方法，其特征在于：所述单片机CC430在数据包发送之前先进行射频信号检测，判断有没有其它节点正在发送，如果没有，则发送，如果有其它节点发送，则进入休眠状态，等待下一次射频采样定时器唤醒；在发送温湿度数据包之前，需要发送唤醒信号让下一节点苏醒过来进入接收状态。