基于Web网络的实时无线温度监控系统
Jer Hayes, Karl Crowley and Dermot Diamond
Adaptive Sensors Group, School of Chemical Sciences, Dublin City University, Glasnevin, D9, Ireland Email: dermot.diamon@dcu.ie, Tel: 353 1 17005404
摘要：本文设计一种允许同时对两艘或两艘以上的渔船进行温度监测的无线传感网络系统。无线温度数据记录仪分布在渔船和通信基站之间，这就使得渔船实际上是一个独立无线传感网络。这种无线传感网络的存在使得实时温度检测和温度信息可以在互联网上被访问。过去，基于Web网络的实时温度检测系统使用的是单个传感器网络来监测温度，因此用户只能监测到一艘渔船上的温度传感器。本论文设计的系统集成了多个传感器网络，并允许用户对两个或更多的网络进行监控。此外，本系统使用短信发送预警信息和近期的监测所得的温度数据。本系统建立在网络服务器和无线数据记录仪之上，系统运行在GSM网络中。
关键词：无线传感网络，Web网络，温度，GSM
1.引言
温度的监测在食品工业中占有极其重要的地位，特别是与贝类有关的食品工业。贝类对储存和运输时的环境温度特别敏感。例如，在爱尔兰，海螺必须保持在2摄氏度至10摄氏度之间，否则海螺将会过期[2]。过期会导致变质，而且这种变质会很快发生。因此，当食品超出推荐温度范围时，生产者能够采取适当的行动是至关重要的。当然，人工对食品进行温度监测的方式是非常耗时的，对于多个储存容器来说，在被发现之前很长一段时间内，容器内温度都可能处于一个危险的水平。因此，需要一种自动的温度监测解决方案。
就捕鱼业而言，一般来说，温度传感器现在已经普遍应用于仓库和货车上的冷藏库。这些冰箱只提供环境条件的指示，而不提供产品的温度。不幸的是，在捕鱼业中，温度监测系统并不常用捕鱼业的整个生产链的主要末端，例如船上的拖网，特别是小船，因为许多小船缺乏制冷装置。这些小船上的渔获物，例如鲭鱼，有时通过在盒子里加冰来冷藏。自动温度监测技术的使用可以省去费时的手工检查，并可以提供从捕获到交付的完整温度日志。基于热敏电阻的电子温度记录仪可以填补这一环节的空白。这些可以是基于可接触的，在传输链的末端下载温度数据，例如iButton (Thermochron iButtons, Maxim, Dallas, TX)，也可以是无线的，在无线环境中数据被处理并实时下载。在之前的研究中，得出的结论是无线方式更适合渔业[6]。
指导这项工作的另一个重要因素是最近对可追溯性法律的修改。欧盟通过了《普通食品法》，于2005年1月生效。这条法律以食品完全可追溯的原则为指导。新的强制性追溯规定适用于所有食品、动物饲料、食品生产动物，以及从农业部门到加工、运输、储存、分销和零售到消费者的所有类型的食物链经营者。温度监测必须符合更广泛的可追溯链，因此，我们将叙述的系统允许系统数据库与其他系统数据库(例如海鱼拍卖)之间的数据集成。
对温度自动记录和可追溯性的需求导致了无线温度记录系统[4]的开发，本文概述的系统就是该系统的下一代。与旧系统相比，新系统的独特之处在于可以同时部署多个无线温度传感器网络。新系统在现实环境中的部署(见[3])也为移动用户开发了一个特殊的界面，并允许用户使用SMS启动/停止试验和查询试验的温度范围。该系统的典型部署包括最初在拖网渔船上设置无线传感器网络，在捕获时部署数据记录仪。在到达港口或到达加工厂之前，可以记录温度历史。我们之前已经概述了这样的部署[4,5]，但是这项工作涉及到一个单独的无线网络，而不涉及一个以上的无线传感器网络。
2.系统描述
系统总体模型如图1所示，该系统可以从两个层次来看待：
（1）无线传感器网络(WSN)。
（2）用于控制WSN并处理WSN产生的数据的web-server子系统。
图1 系统整体模型
系统的第一层WSN由一个基站和几个数据记录器组成。这些数据记录器通过无线射频将数据传输到基站，然后通过GSM调制解调器通过GSM网络与基站联系。数据由记录器识别号、模数转换器(ADC)值、时间和最后的日期组成。目前，一个或多个传感器网络可以构成这一层次的系统。
第二层是控制无线传感器网络和处理无线传感器网络产生的数据的子系统。这主要是通过web接口完成的，web接口控制与基站的交互，并将来自基站的数据收集到本地数据库中。网络接口和基站之间的连接是通过GSM网络进行的。在试验期间，可以按用户定义的时间间隔自动检索基站上的数据。通常，数据以15分钟的间隔传输到服务器。温度值作为ADC值传递给子系统，web服务器在将数据存储到本地数据库之前从ADC值计算温度值。除了请求数据下载外，服务器还可以设置或检查基站实时时钟，清除EEPROM内的所有数据(在成功下载后执行)，并检查电池电压。
web服务器允许通过桌面PC或任何支持internet的设备(例如PDA)查询数据库。用户还可以通过SMS服务器查询数据库。SMS服务器还可以与web界面交互，并允许用户启动、停止和监视试验。
所有这些部件都由一个单片机核心连接和控制。根据系统要求和组件需要Arduino家族，实现。在我们的原型中使用的核心包含六个模拟输入，使它能够利用多达六个温度传感器。这张图是用烧结工具制作的。尤其是Arduino Lilypad，因为它提供了最高程度的集成，所以被选为最佳候选。它有14数字10个引脚，6个模拟输入，16mhz工作频率，可使用SCI和SPI接口。当为bootIoader分配了2 KB的闪存时，可以使用16 KB的闪存。但是可以删除引导加载程序，并使用整个16kb。该微控制器具有1kb的SRAM和512b的EEPROM。此外，它利用了ATmega328核心，运行在8 MHz，并在2.7-5.5 V运行。使用该微控制器，该系统可以处理多达六个温度传感器，因此，可以提供更好的测量精度。Arduino Lilypad由6个引脚头编程，可以通过FTDI电缆连接到USB。这个微控制器的规格对于我们的系统规格来说已经足够好了。此外，Arduino微控制器家族是开源的，被认为非常容易编程。这个微控制器家族甚至得到了来自第三方的很多支持。富C库和一个特殊的开发IDE是可用的。例如，有一个库处理文件写入和读取到SD卡，这些SD卡在FATl6和FAT32文件系统中格式化。
2.1无线传感网络的技术细节
1）GSM基站和RF温度记录仪由英国惠斯顿布鲁克技术有限公司承建。基站目前有两个，包括一个433 MHz AM-HRX3接收机(LPRS Ltd)和一个TC35 GSM调制解调器(西门子)，具有128 KB的内存用于数据存储，并由一个12v铅酸电池供电。传输数据字符串是由基站接收通过am - hrx3 - 433射频接收机(433 MHz, IPR有限公司),是由PIC16LF870微处理器处理(5 v,芯片)和转移到EEPROM作为作为一个的20位字符串包含4位记录器ID, 4位hexa-decimal温度价值和12位
时间戳。基站通过RTC(实时时钟)来计时，并由锂离子电池供电。目前，一个基站还有一个LCD显示器，显示最后接收到的四个数据点(参见图2)。
图2 数据记录器
2.2程序编写
开机后，系统首先经过初始化阶段，其中引脚被定义为数字lOs、SCI、SPI和并行通信的输入和输出。与蓝牙模块的定义是一个串行通信的波特率定义为57600个基点使用单片机的主要Rx和Tx。接下来,使用液晶的液晶显示器设置图书馆通过设置针表1中提到的操作液晶屏在4位控制方式。接下来，通过定义2行16列的显示容量初始化LCD，然后向用户显示欢迎消息。下面是microSD卡的设置。Arduino Lilypad仅为SPI通信信号(数字输入、数字输出和时钟)绑定了11、12和13个引脚，使得芯片选择引脚可以由任意10个引脚定义。之后，软件会使用Arduino的SD卡库初始化microSD卡，并检查它是否可用。存储卡的状态保存在一个标志中，用于将来的操作进程。最后的设置是定义连接到蜂鸣器和数字输出的数字pin。连接到温度传感器的模拟引脚不需要初始化，因为默认Arduino设置符合要求。
大循环中的第一个操作阶段是命令阶段，系统在此阶段检查是否有通过蓝牙或串行通信接口传入的命令。如果没有传入字节，则跳过此阶段，代码将继续使用默认设置进入下一个阶段。但是，如果检测到传入的字节，软件将读取整个传入的数据字符串。因为这是一个标准的串行通信，所以数据的结尾应该是一个回车(CR)字节，后面跟着一个换行(LF)字节。该软件不断读取字节并将其推入字符串，直到检测到回车。这时处理字符串并解释命令。LF字节留在缓冲区中，在下次读取时被忽略。在原型软件中编写了三个命令来设置危险限制。命令由起始字节区分，其中设置最大限制命令以“0”字节开始，设置最低温度命令以“u”字节开始，设置超过1分钟的最高温度变化命令以“D”字节开始。之后应该接收一个空格，然后是浮点数据类型中极限的数值。然而，温度限制应该是摄氏度。
下一个阶段是从传感器获取数据。两个传感器将温度数据读取为电压值。然后检查这些值，以确保传感器工作正常，并将它们的状态保存在状态标志中。工作传感器的工作状态为33℃和45℃范围内的温度值，对应的电压值为0.79 2v和
l078 V。如果两个传感器都工作，则取它们的平均值进行温度测量。在一个传感器工作的情况下，只有该传感器的值，同时输出一个警告消息通知用户与非工作传感器。但是，当两个传感器都不工作时，系统将停止运行，直到至少一个传感器工作为止。这个操作的最终结果是传递到下一阶段的温度值。
在此阶段中，定义了当前循环的所有系统输出。首先，使用公式1和2将电压温度值转换为摄氏温标和华氏温标。其他的转换也是可能的，因为这是一个方程的问题。然后，将产生的摄氏温度与三种危险条件极限进行比较。结果是断言和反断言相应的危险标志，该软件知道并用于提供适当的输出。
图3 程序执行流程图
3.系统低功耗设计
本系统的低功耗设计，除选用低功耗芯片外，重点控制收发芯片nrf401。当NRF401处于接收状态时工作电流约为l0mA。如果一直处于接收状态，那么整个系统的功率会过大，电池很快就会耗尽，所以我们应该尽量使nRF401处于休眠状态。但是，在休眠状态下nRF401无法接收数据。为了解决这一矛盾，我们可以使nRF401在接收状态下间歇工作。RF401从休眠状态到接收状态的转换时间为3ms，因此处于接收状态的时间不应小于3ms;由于nRF401在空中没有有效信号的情况下处于接收状态，会产生杂波干扰，因此在正常的唤醒调用之前，至少需要接收两个字节的唤醒代码。系统选择9600波特率发送双字节唤醒码，起始位和停止位均为20位，接收时间为2.08ms。
为了确保它可以被唤醒，应该适当地延长时间。当系统引入5ms延时时，发送周期为1s。如果有必要中央车站拨打nRF401叫醒电话，首先是发送叫醒代码，需要一个以上的周期长度来保证他们被叫醒。系统使用0x55作为唤醒码，即中心站在连续接收两个0x55后，在计数器开始工作时，维持基站处于接收状态而不进入休眠状态，发送0x55。如果基站在两个周期内没有收到有效的数据帧报头，则将其视为干扰杂波，nRF401重新进入休眠状态。设置好后，nRF401的平均工作电流可以降低到250a以下，可以显著降低系统功耗。
无线传输数据帧的每一帧包括初始头帧的两个字节、帧类型的一个字节、帧号的一个字节、数据的10个字节和校验和的一个字节。无线通信容易受到干扰，数据发送的时间越长，受到干扰的可能性越大。因此有规定，每个数据帧的有效长度为10个字节，缺少原始数据用来构成0。校验和是采用2模态数据加法的方法，保证中心站和基站接收的数据不会因为外界干扰而出现错误。
为了保证得到的数据正确，系统在每帧数据之前，发送4字节的0xCC和一个字节的0xF0(同步码)，以确保在到达有效数据帧的前一阶段，中心站和基站同时启动同步通信。
当系统在1000m2的智能温室中无线通信正常工作时，通过软硬件调试;温湿度值与实际值的误差率为5%，线性度较高，完全能够满足系统测量精度的要求。系统硬件设备的外层覆盖防水材料，使其在潮湿环境下可以正常工作与环境要求保持一致。该低功耗无线温湿度监测系统具有温湿度监测、数据分析、无线收发、在线调试等功能，在实际应用中取得了良好的效果。该系统满足智能温室的要求。
4.系统运行
新系统已用于监测海螺捕鱼量的温度历史(见[3])，与旧系统一样[4,5]。但是，以前没有同时部署两个或两个以上的传感器网络。web服务器允许用户开始一个或多个传感器网络的试验。该系统可以通过与基站GSM调制解调器相关联的移动电话号码识别不同的网络。
为了测试整个系统如何处理来自多个传感器网络的数据收集，两个基站被放置在都柏林城市大学化学科学学院的两个不同实验室中。第一个无线传感器网络(WSN1)包括一个基站和两个编号为10和12的伐木者。第二个无线传感器网络(WSN2)包括一个基站和两个编号为15和19的伐木者。试验大约在10:15开始，大约在17:40结束。数据如图4所示。从图中可以看出，这两个地方的温度相差至少2℃。
GSM的数据传输基本上是完美的，除了两种情况，其中一个基站的信号无法发出。当这种情况发生时，系统将等待数分钟，并尝试重新建立连接。建立连接后，将检索数据并清除基站的内存。
在试验期间，用户可以使用web接口从两个WSN访问温度历史记录。用户可以选择一个日期，然后在当天运行的所有试验中进行选择。每个基站都由一个唯一的移动电话号码和名称来标识，在试用期间，用户还可以通过SMS服务器“tx
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资料编号：[618]
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