基于无线传感器网络的木材干燥监测系统设计

刘 帅 ，王 红 ，2，吴舒辞

(1. 中南林业科技大学，湖南 长沙 410004；2. 湖南省科学技术厅，湖南 长沙 410013)

基于无线传感器网络的木材干燥监测系统设计

刘 帅1，王 红1，2，吴舒辞1

(1. 中南林业科技大学，湖南 长沙 410004；2. 湖南省科学技术厅，湖南 长沙 410013)

本文对无线传感器网络在木材干燥中的应用进行了探索性研究，提出基于无线传感器网络的木材干燥监测系统，初步介绍了系统总体结构、传感器节点的硬件和软件资源。该系统由干燥窑无线监测网络和监控中心两个部分组成，可实时、在线、精确获取干燥窑各类环境参数，具有部署灵活、维护方便、成本低廉、扩展性好等优点。

木材干燥监测系统；无线传感器网络；系统设计

木材干燥是一个复杂的过程，一般要经过升温预热、干燥、调湿、冷却等处理阶段。目前，木材干燥大多采用半自动或全自动控制系统，以干燥窑内干燥介质的温度、湿度、热风循环速度及木材含水率等参数作为干燥过程的控制依据。同时，窑内各参数的测量值还直接反映了木材干燥质量的好坏、干燥周期的长短和干燥能耗的高低。因此，对干燥窑内环境参数进行连续、实时、精确地监测在木材干燥相关研究中具有重要意义[1-2]。

近年来，有不少关于木材干燥监测和控制方面的研究报道：例如，采用双CPU为主控制器的智能化木材干燥窑数据采集系统[3]；基于DSP的木材干燥窑多路参数测试系统[4]；LK型木材干燥过程电子智能控制系统[5]；木材干燥窑远程控制系统[6]等。上述系统多采用串行通信或现场总线等有线通信技术。然而，由于干燥窑内温、湿度分布不均匀，实际应用中往往需要在窑内不同的位置部署众多数据采集器件，这样必然导致窑内线缆纵横交错，增大了监测系统安装、调试及维护的成本和难度；且干燥室内环境恶劣，湿热空气中含有大量由木材中溢出的酸性物质（如醋酸、蚁酸等），极易导致通信电缆受腐蚀损坏；再者，过长的通信线路还会造成信号失真，从而大大降低了监测系统的可靠性。由此可见，基于有线方式的数据采集难以满足干燥生产的实际要求，不利于木材干燥过程的实时监控。文献[15]提出木材干燥含水率监测系统WPS（Wireless Probe System），采用电测法测试干燥窑内木材含水率，通过无线传输方式将数据发送至监控室，解决了有线方式所引起的问题。但是，该方案并未合理考虑无线信道争用问题，若有两个以上发射机同时发送数据，则会造成发送冲突。当干燥窑规模较大，窑内采集点较多时，会频繁发生以上“碰撞”，白白消耗发射机有限的电池能量，并造成监控室丢失该部分数据。

无线传感器网络（wireless sensor network，WSN）是一种刚刚兴起的网络技术，通常是由大量部署在监测区域的微型传感器节点以无线通信方式所组成的一个全分布式网络系统，具有部署灵活、成本低廉、维护方便等优点，目前广泛应用于军事、医疗、自然灾害监测、设施农业等领域[7-9]。笔者在文献[15]研究成果的基础上，试图将无线传感器网络技术应用于木材常规干燥过程中，提出具有分布式数据采集、无线传输、智能分析与控制等功能的木材干燥实时监测系统，并初步介绍了系统的总体架构、硬件及软件平台。

1 系统总体设计

1.1 需求分析

综合分析木材干燥过程的需求和特点，对监测系统提出如下设计要求[10]：

（1）实现干燥窑内设施环境的监测，即在远离干燥现场的场合，对干燥窑内的温度、湿度、木材含水率等参数进行实时、在线监测。

（2）能够精准控制窑内设施，如加热阀、喷蒸管、进排气执行器、风机方向及转速等，以调节窑内环境，保证干燥质量，节能降耗。

（3）木材常规干燥处理以湿热空气作为干燥介质，强制对流作为主要传热方式，使得窑内的温湿度分布不均匀，材堆各处的木材含水率也各不相同。为全面衡量木材的干燥状况，需进行分布式数据采集。

（4）能够适应干燥窑在数量上的扩展，实现对干燥窑的群控管理。

（5）发生异常情况需向监控中心报警，比如因调控失灵引起的窑内环境异常。

结合木材干燥需求分析及无线传感器网络技术特点，本文后续部分将提出系统总体设计思路并介绍系统软硬件资源。

1.2 体系结构及工作原理

监测系统主要由无线传感监测网络和监控中心两部分组成，以实现木材干燥过程的实时监测和精准控制，其体系结构和工作原理如图1所示。考虑到干燥窑的集群管理，需进行多个窑的分布式控制。监测网络一般采用分簇的网络结构[11]，将同一个干燥窑内所有传感器节点划分为一个簇。为降低系统复杂性，簇内节点采用相对简单的星型网络拓扑结构，即簇内节点彼此互不通信，但以单跳无线方式与本簇网关节点进行通信。

图1 监测系统的体系结构Fig.1 Monitoring system architecture

传感器节点作为无线传感器网络的基本组成单位，具备数据处理和无线通信能力。为区分不同功能的无线传感器节点，笔者定义了两类节点：采集节点和网关节点。采集节点负责将采集到的温湿度、木材含水率等数据发送至网关节点，网关节点再通过传送网（如GSM）将收集的原始数据上传给基站。网关节点作为连接干燥窑和外界的桥梁，负责转发所有进出干燥窑的数据和信号。

基站汇总各个网关传送来的数据，存档于数据库服务器中。与此同时，监控中心的中央计算机实时读取数据库服务器中的数据，分析各干燥窑情况并作出控制决策，将产生的控制信号经基站转发出去。

监测系统还应提供Internet远程数据访问功能，用户可以通过远程客户端调取数据库服务器中的存档数据，使身处异地的木材干燥专家能够及时了解干燥进度，在线会诊木材干燥过程中所出现的问题。

2 硬件设计

2.1 采集节点

传感器节点是一个微型嵌入式系统，负责指定监测区域数据的采集和收发工作，它主要由以下四个部分构成：感知器、微处理器、无线通信模块、电源。在设计传感器节点时，需综合考虑成本、能耗、通信质量、耐腐蚀性等问题。传感器节点的硬件结构框图如图2所示。

图2 传感器节点的硬件结构Fig.2 Hardware configuration of sensor nodes

感知器主要负责感知、收集监测区域的环境数据，并将其转换为数字信号，它由工业用传感器、A/D转换及外围电路组成。传感器是实现数据采集的主要元器件，根据所采集数据的不同，需选用不同的传感器。例如，窑内干燥介质的温度采集可选用耐腐蚀的铂电阻测温传感器PT100[12]，其技术参数如表1所示。

表1 传感器技术参数Table 1 Specifications of sensor

微处理器是传感器节点的核心部件，负责执行组网协议、信号处理、数据暂存、电池能量管理、节点任务调度等工作。微处理器可选用TI公司推出的MSP430[13]，它具有128 kB闪存、8个10 bit的模数转换及2个数模转换接口，支持TinyOS嵌入式操作系统，具有良好的计算性能且功耗较低。无线通信模块负责传感器节点与网关通信，收发感知器所采集的数据。考虑成本、能耗、数据传输率等因素，可选用低功耗低成本CC2420芯片及其配套天线，该芯片工作频率在2.4 GHz，兼容IEEE 802.15.4及ZigBee协议，自带8 Mbit的闪存，具备稳定的性能。电源主要由单节锂电池、电源保护电路、电池监测芯片及相关外围电路组成，为传感器节点提供稳定的能量供应及电路保护功能。考虑木材干燥窑高温高湿及酸性环境，传感器节点直接与空气接触的部分需进行耐腐蚀处理，比如可以在外壳涂上SEBF材料[14-17]。

2.2 网关节点

网关节点要求处理能力强、运行速度快，且由于转发大量数据，还需要较大的存储空间，因此CPU选用具有丰富片上资源的ARM9微处理器S3C2410。为增强系统的可靠性，网关节点外接不间断电源UPS。由于干燥窑相对封闭的环境会屏蔽来自外界的无线信号，可以考虑将网关节点布置在窑壁中，做到窑内和窑外两头连通。因此，需为网关节点配备两套无线通信模块：与窑内节点通信的CC2420芯片及其配套天线和与基站通信的GSM模块TC35。

3 软件设计

木材干燥监测系统的软件采用模块化设计，如图3所示，包括两大部分：监测中心系统软件和传感器节点软件。

图3 系统软件结构Fig.3 Components of system software

3.1 监测中心系统软件

监测中心系统软件由以下几个部分组成：系统初始化模块、数据存储模块、数据处理模块、输出控制模块、辅助模块。系统初始化模块负责基本的系统设置，如根据木材种类及厚度等合理设置传感器节点的工作模式、节点采样时间间隔、干燥基准等。数据处理模块主要负责对所接收的原始数据进行智能化处理，包括数据融合、数据自动补偿、非线性拟合等，从而产生能准确反映干燥窑内环境的数据，以供输出控制模块决策。输出控制模块通过向窑内干燥设施发出控制命令，如控制加热阀、喷蒸管等，实现干燥窑内温湿度自动调节。数据存储模块主体上是一台数据库服务器，负责保存所有原始采集数据，备份系统日志文件，提供系统查询服务。原始采集数据应该包含完整的信息：采集时间、干燥窑编号、节点编号、参数值等，并以文件的形式存储在数据库服务器对应表格中。辅助模块的功能：实时数据的图形化显示、报表打印、异常情况报警。

3.2 传感器节点软件

传感器节点软件以TinyOS操作系统为软件支撑平台，实现节点任务调度、网络配置、终端数据采集等基本功能，还涉及时间同步、节点休眠与唤醒等算法。由于木材干燥周期长，工作量大，监测系统需不停机持续运行较长时间，因此，除了要给传感器节点备足电池，还要充分考虑传感器节点节能降耗措施。在系统初始化阶段，由网关节点统一负责为每个节点制定任务调度方案，不同的传感器节点占据不同的发送时隙，避免多个节点同时发送数据。为了节约能耗，空闲时节点处于休眠状态，有任务时节点自我唤醒。根据任务调度情况，节点可进行工作状态的切换，例如，当采样时刻到来时采集数据，当发送时刻到来则发送数据，具体如图4传感器节点状态图所示。通过控制数据采样间隔和采取休眠低功耗工作方式，单节锂电池一次充电，可供传感器节点工作半年以上。

4 系统试运行

图4 传感器节点状态转移Fig.4 State transition of sensor node

监测系统在长沙县某木材加工厂的小型砖混结构干燥窑中进行了初步试验。在干燥窑中部署了4个传感器节点，包括1个网关节点和3个采集节点。监测对象为窑内的温度和湿度。基站使用笔记本电脑替代，其上运行监测系统软件和数据库系统SQL server 2005。基站外接GSM模块TC35，接收网关节点传回的数据，同时在后台写入数据库的数据表中保存。监测系统软件用VC++6.0编写，目前已经实现图形化显示、波形处理、数据存储等功能。图5为温度数据的部分采集结果。

图5 实时温度数据Fig.5 Real-time temperature data

5 小 结

近年来，随着木材加工行业的快速发展，对木材干燥处理的自动化、智能化要求正逐渐提高。笔者尝试将无线传感器网络技术应用于木材干燥过程的实时监测，并提出监测系统的设计方案。目前，该系统已初步实现了数据的分布式采集、无线传输及实时显示等功能，系统的其它软硬件功能正在加紧调试，后续研究工作主要包括：

（1）完善监测中心系统软件，实现数据处理、查询、打印、报警等功能；

（2）在线检测木材应力，密切关注木材干燥质量；

（3）设计一种控制用无线传感器节点：控制节点，通过电磁阀驱动窑内干燥设施，如加热器、喷蒸管等，以调节窑内干燥环境，确保木材干燥质量。

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A design for monitoring system of lumber drying based on wireless sensor networks

LIU Shuai1, WANG Hong1,2, WU Shu-ci1

(1. Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China; 2. Hunan Provincial Science & Technology Department, Changsha 410013, Hunan, China)

∶ By doing a series of exploratory research for the application of wireless sensor networks to lumber drying, a monitoring system of lumber drying based on wireless sensor networks was put forward and a brief introduction of its general structure as well as its hardware and software resources of sensor’s nodes were given. Consisting of wireless monitoring networks for drying kiln and monitoring center, the system can acquire kinds of parameters from the drying kiln just-in-time, on line and precisely, with advantages of flexible arrangement, convenient maintenance, reasonable price and nice expansibility.

∶ monitoring system of lumber drying; wireless sensor networks; system design

S781.71；TP393

A

1673-923X(2013)11-0170-05

2013-08-16

湖南省自然科学基金项目（11JJ5020）；湖南省科技计划项目（2011FJ3074）；中南林业科技大学青年基金项目（QJ2010010B）

刘 帅（1980-），男，讲师，硕士，研究方向：林业信息化、智能检测技术；E-mail：xifang99@126.com

吴舒辞（1957-），男，江西永新人，教授，博士，研究方向：计算机应用技术

[本文编校：吴 毅]