基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究

董永勝

(安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

在日常生活中，溫室環(huán)境種植已經(jīng)是人們生活中很常見的一個例子。傳統(tǒng)的溫室環(huán)境種植都是通過在溫室內(nèi)布置復(fù)雜的電線及相關(guān)的控制設(shè)備來實現(xiàn)對溫室環(huán)境的調(diào)控。這為對農(nóng)作物進(jìn)行施肥等活動造成了障礙，可能會在這些活動中把電線弄斷，從而給系統(tǒng)通信帶來問題。而利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不需要經(jīng)過布線這個環(huán)節(jié)，避免了相關(guān)問題的出現(xiàn)，達(dá)到了對溫室環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控的要求，同時由于采用了基于CC2431的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進(jìn)行設(shè)計，達(dá)到了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計時外形小、集成度高、功耗低、速度快、成本低的要求。

1 溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，網(wǎng)絡(luò)中采用傳感器測量節(jié)點和具有簡單執(zhí)行控制功能的控制節(jié)點構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。測量節(jié)點用來測量空氣溫度、濕度、光照強(qiáng)度等重要環(huán)境數(shù)據(jù)，控制節(jié)點(能對調(diào)溫、調(diào)濕等設(shè)備進(jìn)行相關(guān)控制)用來接收計算機(jī)傳來的遠(yuǎn)程控制信息，以便對溫室環(huán)境參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)控。測量節(jié)點采集的數(shù)據(jù)沿著其他測量節(jié)點通過多跳的方式進(jìn)行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個測量節(jié)點處理，信息經(jīng)由多跳路由后到達(dá)匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點將接收到的數(shù)據(jù)直接上傳到計算機(jī)，所有數(shù)據(jù)都由計算機(jī)進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)字信號處理，并通過數(shù)據(jù)庫對傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)和收集監(jiān)測數(shù)據(jù)等信息，最后這些數(shù)據(jù)還可以通過Internet與遠(yuǎn)程控制中心進(jìn)行交互，從而實現(xiàn)溫室環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2 CC2431簡介

CC2431是TI公司的產(chǎn)品，它是一個真正的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)ZigBee/IEEE802.15.4解決方案的片上系統(tǒng)，其內(nèi)部集成了CC2420射頻收發(fā)器，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)型8051 MCU內(nèi)核，128 KB可編程閃存，8 KB的RAM，精確的定位引擎等豐富的片內(nèi)資源，支持硬件調(diào)試，支持基于IAR7.20以上C51開發(fā)環(huán)境下的在線調(diào)試，提供強(qiáng)大、靈活的開發(fā)工具。CC2431體積小、功耗低、集成度高，非常適合于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計。它可工作在4種工作模式下，且工作模式之間的轉(zhuǎn)換時間較短，因而能夠滿足超低功耗系統(tǒng)設(shè)計的要求。

3 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件

傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點由傳感器測量節(jié)點、控制節(jié)點和匯聚節(jié)點組成。測量節(jié)點負(fù)責(zé)采集周圍環(huán)境信息，采集的環(huán)境信息經(jīng)多跳路由后到達(dá)匯聚節(jié)點，最終通過Internet到達(dá)控制中心?？刂乒?jié)點用來接收計算機(jī)傳來的遠(yuǎn)程控制信息，對溫室環(huán)境參數(shù)進(jìn)行調(diào)控。

3.1 測量節(jié)點硬件

圖2 測量節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)框圖

(1)傳感器模塊。由不同類型的傳感芯片組成，具有對溫度、濕度和光照強(qiáng)度的感知能力。其中溫、濕度傳感器采用I2C總線數(shù)字式溫、濕度傳感器SHTll，其體積小、能耗低、兩線數(shù)字接口、溫度量程為-40℃～85℃、相對濕度量程為0%～100%RH。光照強(qiáng)度傳感器選用TSL2550D，其功耗可以滿足無線傳感器低功耗系統(tǒng)設(shè)計的要求，其總線也易于與CC2431接口。

(2)微處理器模塊。采用集成在CC2431內(nèi)部的8051 CPU。集成的CPU有4種不同的內(nèi)存空間：代碼區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū)、擴(kuò)展數(shù)據(jù)區(qū)和特殊功能寄存器區(qū)，不同的內(nèi)存空間有利于代碼和數(shù)據(jù)的分離，提高CPU對內(nèi)存的訪問速度。

(3)無線通信模塊

①傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在通信時消耗了大量的能量，選擇一款低功耗的無線通信芯片將有效地降低通信模塊的能量消耗。CC2431是一款符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的低功耗通信芯片，具有快速喚醒和搜索外部設(shè)備功能，可以使節(jié)點更多地處于休眠狀態(tài)而節(jié)約功耗，而且其信道頻率和功耗等參數(shù)可以靈活設(shè)置。CC2431通信模塊的天線考慮到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量的要求，采用單極性天線，單極性天線在差分輸出與天線之間要求使用 “平衡-不平衡變壓器”。

②無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點電源為電池供電系統(tǒng)，選用的電池為手機(jī)專用鋰電池。為了使系統(tǒng)在電池供電時，工作時間持續(xù)長，在設(shè)計電源模塊時要考慮到節(jié)點的節(jié)能問題。CC2431提供 4種電源管理模式：PM0、PM1、PM2和PM3，合理地使用這4種模式可有效地降低節(jié)點的能耗。

③LED燈用于顯示傳感器節(jié)點的運(yùn)行狀態(tài)。(4)電源模塊。為其他模塊提供能源。

3.2 控制節(jié)點

控制節(jié)點由驅(qū)動器模塊、微處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊組成。驅(qū)動器模塊能對調(diào)溫、調(diào)濕等設(shè)備進(jìn)行相關(guān)控制，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

除鎘沸騰層穩(wěn)定的第一要素在于控制反應(yīng)器內(nèi)適宜的渣量，當(dāng)沸騰層較“稀薄”時，可以通過補(bǔ)加鋅粉及調(diào)整底流加入來實現(xiàn)，但是鋅粉的過量加入增加了生產(chǎn)成本，并導(dǎo)致產(chǎn)出鎘渣品位不高，使下一步鎘渣處理流程加長。按初始設(shè)計理念，單槽鋅粉加入量按收鎘量的1.0～1.25倍進(jìn)行調(diào)整，可保障沸騰層形成所需的渣量。

圖3 控制節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.3 匯聚節(jié)點的硬件研究

匯聚節(jié)點由微處理器模塊、無線通信模塊、存儲器模塊、以太網(wǎng)接口模塊、串行接口模塊和電源模塊組成，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 匯聚節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)框圖

(1)存儲器模塊由1片Atmel公司出品的AT45DB041組成，直接接入CC2431 SPI輸入端。該芯片集成2 046頁×264 B Flash存儲單元，用于存儲傳感器重要歷史數(shù)據(jù)。

(2)為提供以太網(wǎng)的接入通道，在該設(shè)計中，使用DM9161作為以太網(wǎng)的物理層接口。DM9161是一款低功耗、高性能的 CMOS芯片，支持10 MB/s和 100 MB/s的以太網(wǎng)傳輸，它起編碼、譯碼、輸入和輸出數(shù)據(jù)的作用，這樣就可以將匯聚節(jié)點輕松連接到因特網(wǎng)以便于實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

(3)串行接口模塊由1片低功耗 MAX3232和 COM母口組成。CC2431串口端接入MAX3232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，通過COM口與計算機(jī)進(jìn)行通信。

(4)由于匯聚節(jié)點需要融合處理所有采集節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，并且需要將數(shù)據(jù)經(jīng)過較遠(yuǎn)的距離傳輸?shù)接嬎銠C(jī)，因而能量消耗較大，因此其電源采用從市電轉(zhuǎn)換后介入的方式供電。

(5)LED燈用于顯示匯聚節(jié)點的運(yùn)行狀態(tài)。

4 TinyOS操作系統(tǒng)的移植

嵌入式操作系統(tǒng)能夠簡化嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，確保程序運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，便于程序的維護(hù)和更新，但是由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是一個小型嵌入式系統(tǒng)，其硬件資源非常有限，需要高效利用其有限的內(nèi)存、處理器和通信模塊，并且最大限度地減少系統(tǒng)能耗，延長節(jié)點的使用壽命，因此傳統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)不能滿足其要求。基于此，本文移植了針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點而開發(fā)的操作系統(tǒng)TinyOS。

4.1 TinyOS簡介

TinyOS是加州大學(xué)伯克利分校開發(fā)的一種典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，通過nesC語言可以開發(fā)基于TinyOS的應(yīng)用程序。TinyOS設(shè)計的目標(biāo)就是代碼量小、耗能低、并發(fā)性高、魯棒性好，可以適應(yīng)不同的應(yīng)用，采用輕量級線程技術(shù)，事件驅(qū)動模式，組件化編程等，從而使其成為面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)。TinyOS提供了Main配件，以及針對某些硬件的感知組件、執(zhí)行組件、通信組件和硬件抽象組件。在這些組件的基礎(chǔ)上，用戶可以定制開發(fā)應(yīng)用組件，然后將所有組件連接起來，就構(gòu)成了整個應(yīng)用程序。

4.2 TinyOS的移植

TinyOS操作系統(tǒng)有很多版本，要移植的是TinyOS 2.0版本，采用的編譯器是 Keil。TinyOS 2.0必須在Linux平臺下才能工作，而Keil則是一個Windows下的軟件，因此，要安裝一個在Windows平臺上運(yùn)行的模擬linux開發(fā)環(huán)境的軟件——Cygwin。下面具體介紹移植步驟：

(1)安 裝 SmartRF04 Flash Programmer、Keil、Java 1.5 JDK、Cygwin軟件；

(2)下載TinyOS開發(fā)必備的編譯工具的安裝包；

(3)啟動 Cygwin，并在 Cygwin下安裝下載好的編譯工具安裝包；

(4)安裝 TinyOS 2.0。

將下載好的TinyOS 2.0的安裝包解壓縮，將解壓好的tinyos-2.0-contrib文件夾拷貝到Cygwinopt目錄下，此時已經(jīng)搭建好了TinyOS的開發(fā)環(huán)境。所有的例子都在 tinyos-2.0-contrib/diku/common/apps/下面 。 以 BlinkNoTimerTask為例，在Cygwin下面輸入：cd/diku/common/apps/BlinkNoTimerTask，然后回車輸入：make cc2431em，如果順利的話，TinyOS將被編譯生成app.hex文件，只要把這個文件燒錄進(jìn)單片機(jī)就可以了。

(5)燒錄

插好仿真器，打開SmartRF04 Flash Programmer軟件，在System-on-Chip選項卡下選擇app.hex文件，然后選擇“Perform actions”就可以順序燒寫了，燒寫成功后，TinyOS就成功移植到CC2431上了。

5 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的軟件設(shè)計

傳感器測量節(jié)點的主要功能就是接收PC機(jī)采集數(shù)據(jù)的指令、采集數(shù)據(jù)，然后將采集的數(shù)據(jù)通過無線信道發(fā)送出去。匯聚節(jié)點的功能就是創(chuàng)建無線網(wǎng)絡(luò)，配置網(wǎng)絡(luò)節(jié)點屬性，接收傳感器測量節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，然后通過串口上傳到計算機(jī)。傳感器測量節(jié)點程序結(jié)構(gòu)流程圖如圖5所示，匯聚節(jié)點程序結(jié)構(gòu)流程圖如圖6所示。

圖5 測量節(jié)點程序結(jié)構(gòu)流程圖

圖6 匯聚節(jié)點程序結(jié)構(gòu)流程圖

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，隨著規(guī)?；?jīng)營的出現(xiàn)，可能會建有很多個溫室，根據(jù)應(yīng)用的設(shè)計，在每個溫室中都建有一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，由于溫室中的環(huán)境都比較相似，因而，每個溫室中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的功能和技術(shù)也都是一樣的。如果所有溫室都通過控制中心的計算機(jī)來進(jìn)行統(tǒng)一管理，可以大大提高了工作效率，使溫室管理更加科學(xué)，控制更加簡單，從而達(dá)到提高作物產(chǎn)量、改善品質(zhì)、調(diào)節(jié)生長周期、提高經(jīng)濟(jì)效益的最終目的。而本文介紹的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有功耗低、體積小、工作可靠、易于擴(kuò)展等優(yōu)點，基于該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境監(jiān)控方案將會有很好的應(yīng)用前景。

[1]劉玉英，史旺旺.基于CC2430溫濕度監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計[J].微計算機(jī)信息，2009，25(10):130-131.

[2]李昊生，王汝傳，沙超.基于 CC2431的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計[J].電子工程師，2008，34(12):63-67.

[3]莊雄，楊永明，丁偉.基于CC2431的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2008，34(6)：98-101.

[4]張保華，李士寧，滕文星，等.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室測控系統(tǒng)研究設(shè)計 [J].微電子學(xué)與計算機(jī)，2008，25(5):154-157.

[5]宋寶業(yè)，許琳.帶定位引擎的射頻芯片 CC2431[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2007(11):44-46.

[6]王殊，閻毓杰，胡富平，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的理論及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.