1硬件设计
1.1汇聚节点
汇聚节点主要负责温度数据的汇聚收集和传送，起着类似中继器的作用，由SI4463无线模块、485通信模块及光电隔离模块等构成。系统选用意法公司STM8L152C6T6低功耗微处理器，自带ADC，SPI，I2C，UAＲT和多个定时器，具有多种电源管理模式且待机功耗低，能够有效节省运行［3］。包括5.4μA低功耗运行模式，3.3μA低功耗待机模式，1μA主动停止模式和350nA的停止模式。本系统采用低功耗待机HALT模式。为了防止工业环境中的信号干扰，汇聚节点在485通信电路上添加6N137和P521光电隔离模块，采用综合屏蔽技术和电源滤波技术，减小电磁波辐射和车间交流电压在行车启动停止时造成的干扰。完整节点的硬件结构如图2所示。射频收发芯片采用SILICONLABS公司2012年推出的SI4463芯片，它工作频段为119～1050MHz，最高输出功率可达+20dB，传输距离可达2km。它不仅工作频段比SI4432［4］更宽，在节能方便更突出。同处于待机状态时，SI4463电流仅为50nA，而SI4432待机电流高达800nA。在功率同样为+10dB时SI4463的发射电流18.0mA，接收电流10.0mA;而SI4432的发射电流为25.0mA，接收电流为18.5mA。在保证超低功耗的同时，电路设计简单且成本低。
1.2温度感知节点
温度感知节点主要负责温度信号的采集和无线传输。由SI4463无线模块、温度信号调理放大模块、电源处理模块和液晶显示模块等组成。PT100对窖池内温度参数进行采样，然后通过信号调理电路对采集到的电压信号经过AD620AＲ进行放大处理，使其更加适合A/D转换［5］。模拟信号通过STM8L内部模拟数字转换器转换为数字信号显示在液晶屏幕上，或根据指令把数据发送给汇聚节点。
1.2.1温度信号采集放大模块PT100采用桥式三线制方式测试温度，出来的信号是MV级甚至更小，因此需要先进行信号的放大调理后才能进行A/D转换，Ad620AＲ是仪用放大器，输入偏置电流小，精度高，增益调节简单方面，在AD620AＲ的1脚和8脚外接电阻ＲG就可以实现放大电路的增益，如图3所示。其中增益满足公式:G=1+49.4K/ＲG(1)这里取ＲG=499，放大100倍。STM8L内嵌的ADC1是12位的逐次比较型模拟数字转换器。提供多达22个多功能的输入通道。A/D转换的各个通道可以执行单次和连续的转换模式。选定通道后通过置位ADC_CＲ1寄存器里面ADON位启动，置位STAＲT位开始转换，一旦转换完成，转换后的数据存储在ADC_DＲ寄存器中。为了提高精度，温度与电阻之间采用最小二乘法进行线性拟合，测量精度优于±0.1℃。
1.2.2电源处理模块温度感知节点采用锂电池3.6V供电，为了延长电池使用寿命，电源处理模块选用低输入电压同步升压转换器TPS61系列，它的最低输入电压0.3V，单个芯片就能组成升压式电源，效率高。在Vin大于1.2V，输出3.3V，输出电流600MA时，其效率可大于90%。输入电压为0.5V时，在满负载时也能启动工作，输入电压范围宽在0.3～5.5V之间。理论上可将一次性碱性电池用到电压降到0.5V，提高电池使用寿命。这里VAUX接0.1μf电容接地，它在启动时向C21充电到一定值后，开关管才导通，对开关管起缓冲作用。
2软件设计
系统软件主要包括前端温度感知节点程序、汇聚节点程序和上位机程序三部分。其中温度感知节点和汇聚节点程序是无线网络的开发程序，实现数据的采集和发送［6］。上位机程序可以实现数据在计算机上的实时显示和存储。这两部分程序相互配合，共同完成了数据的采集、传输和对网络的管理。本系统软件设计注重低功耗、数据采集实时性、系统稳健性及可靠性。
2.1汇聚节点程序
汇聚节点软件设计部分主要包括通过485总线与上位机交互和SI4463组内短距离无线通信两部分。初始化各模块后，汇聚节点进入等待中断状态，当上位机通过485总线查询温度数据时，进入中断程序。汇聚节点以广播形式通知组内成员预读命令后，同一信道的节点按照TDMA(时分复用)时隙向其逐一发送数据。节点间采用类似AＲQ重传机制来确保节点间实现数据的可靠传输，节点在数据包发送完成后，等待接收节点发来的ACK包来确认本次传输成功。考虑到时间开销，节点重传指令至多连续3次来实现准确及时地传输无线数据。汇聚节点软件流程图如图4所示。STM8L和SI4463之间使用4线SPI配置寄存器来设置包的结构、前导码长度以及同步字内容等。最后通过读写寄存器从FIFO中发送或者读取数据。组间采用跳频机制按照约定频率分配信道。系统初始化数据传输速率1.2kbps，频段433.5MHz，组间的跳频偏移为320kHz，经过验证可以有效地避免相互干扰。
2.2温度感知节点程序
温度感知节点采用锂电池供电，软件注重低功耗的处理，采用周期性唤醒机制，当各层初始化之后，系统进入STM8L中的低功耗模式HALT模式。程序使用STM8L中的ＲTC定时来唤醒到达工作时间的子节点，通信完成后，节点会关闭LCD液晶显示模块，SI4463无线模块，以及A/D转换等耗电模块，再次进入睡眠状态。除了ＲTC中断外，为了方便工人查看设置了按键中断，唤醒系统并进入中断处理事件，结束后继续进入HALT模式。这种软件构架可以极大地降低系统的功耗。温度感知节点程序流程图如图5所示。
2.3上位机程序
Labview是美国NI公司推出的一种图形化的编程语言的开发环境，是一个标准的数据采集和仪器控制软件。Labview集成了满足与系统采用的ＲS－232和ＲS－485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能［8］。基于Labview编写的上位机程序包括485总线通信和操作界面两部分。其中485通信部分为了防止串口通信过程中丢失数据，软件上加了简单的握手协议。汇聚节点每发送一个数据包给上位机时，上位机都会向汇聚节点发送应答信号，主要协议指令包括子节点温度的预读、读取和睡眠等，收到数据验证无误后存入SQL数据库。Labview调用仪器I/O中VISA驱动下的子VI进行串口通信，调用LABSQLFUNCTION的子VI与数据库连接。操作界面按照车间划分区域，显示实时数据，历史曲线或参数对比［9］。图6为某窖池从入窖时刻起的历史温度曲线图。
3运行结果分析
10组节点分别工作在432.50MHz，433.50MHz，434.50MHz等10个中心频率上，频率偏移取±320kHz，以1.2kps的传输速率发送5000个数据包。实验证明，在传输距离为1km时丢包率近乎为0，距离为1.6km时有一定的丢包率，但丢包率低于0.06%。本系统运行在长宽约为100m*35m的窖池发酵车间，共计窖池数目34*8，实际位置分布按区域划分为10组。温度数据2h采集一次，经过检验。二个月内10组误码率都近乎为0，720次数据采集中仅有一个组丢失一个窖池数据2次。温度感知子节点在休眠状态电流为7μA，发送数据电流为90mA，接收数据电流为25mA，工作时最大电流为100mA，由此推断一天最多消耗能量大约1.5mAh，采用3000mAh3.6V的锂电池供电，理论上系统可运行4年以上。
4结束语
本文提出了一种新颖可靠的测温系统，充分利用STM8L丰富的外设与高速处理能力，解决了包括基于STM8和SI4463的无线通信协议，工业环境中信号干扰还有低功耗处理等问题，并且有效提高了测量精度。另外，本系统利用基于Lab-VIEW的上位机软件可以方面快捷地处理各种实时数据，并对历史数据进行存储访问。农业论文参考文献现场实际应用效果令人满意，具有可靠的稳定性和实时性。该系统具有广阔的应用领域和良好地应用前景。
作者：王志勇 孙顺远 徐保国 单位：江南大学 物联网学院
