西藏糧倉(cāng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)研究

唐松，尼瑪扎西，格桑多吉，高定國(guó)（西藏大學(xué)工學(xué)院，拉薩850000）

西藏糧倉(cāng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)研究

唐松，尼瑪扎西，格桑多吉，高定國(guó)
（西藏大學(xué)工學(xué)院，拉薩850000）

針對(duì)西藏糧倉(cāng)監(jiān)測(cè)中存在的缺點(diǎn)，提出了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，包括WSN節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)、處理模塊設(shè)計(jì)、傳輸模塊設(shè)計(jì)、傳感器模塊設(shè)計(jì)和軟件測(cè)試，其中軟件測(cè)試又包含指示燈和外部晶振軟件測(cè)試、串口軟件測(cè)試和溫濕度傳感器SHT11軟件測(cè)試。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)；軟件測(cè)試

西藏糧食生產(chǎn)的一個(gè)重要過(guò)程是科學(xué)儲(chǔ)藏糧食，如果監(jiān)控不力導(dǎo)致糧食變質(zhì)將會(huì)造成糧食的損失。西藏糧倉(cāng)的主要監(jiān)控物理量是溫度和濕度，采用傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)手段是線纜布控，人工成本和監(jiān)控設(shè)備的投入偏高，管理模式相對(duì)落后，因此糧食儲(chǔ)藏的關(guān)鍵在于對(duì)糧倉(cāng)實(shí)行實(shí)時(shí)、精細(xì)化管理。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)自組織構(gòu)成，融合了傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理、融合和傳輸，在軍事和民用領(lǐng)域均有著非常廣闊的應(yīng)用前景。在糧倉(cāng)中構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)糧倉(cāng)各處溫濕度的低成本、高效監(jiān)測(cè)，其中組成糧倉(cāng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的最小單元是普通傳感器采集節(jié)點(diǎn)，它將監(jiān)控的溫度、濕度信息傳輸給簇首節(jié)點(diǎn)，最終由相關(guān)路由傳輸至匯聚節(jié)點(diǎn)(sink)，匯聚節(jié)點(diǎn)經(jīng)融合和處理數(shù)據(jù)，通過(guò)廣域網(wǎng)將信息傳送至后臺(tái)監(jiān)控中心。為了滿足西藏糧倉(cāng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)成本低、功耗小的要求，節(jié)點(diǎn)中央處理器采用8bit的嵌入式單片機(jī)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的主要功能部件如下：處理器ATmega128L，溫濕度傳感器SHT11，無(wú)線接收和發(fā)送管理器CC2420。

1　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

西藏糧倉(cāng)WSN普通節(jié)點(diǎn)、簇首節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)主要模塊包括以下四個(gè)方面：能量供給模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)無(wú)線傳送模塊，圖1為其框架圖，其主要完成糧庫(kù)溫濕度數(shù)據(jù)的采集和逐級(jí)傳輸，最終將數(shù)據(jù)匯總到監(jiān)控中心。

能量供給模塊所需電量較少，其供電依靠2節(jié)5號(hào)AA電池；傳感器數(shù)據(jù)采集模塊采用的是靈敏度高的溫濕度傳感器SHT11；數(shù)據(jù)處理模塊采用ATmega128L，主要功能是融合、處理SHT11采集的數(shù)據(jù)，控制連接的模塊，選擇WSN的路由協(xié)議，管理此節(jié)點(diǎn)的能耗，以及節(jié)點(diǎn)的定位和同步執(zhí)行；數(shù)據(jù)無(wú)線傳送模塊主要組成部件是耗能很低的射頻芯片CC2420，以及其外圍連接的電路，模塊的正常運(yùn)作需要通過(guò)相應(yīng)的通信協(xié)議和軟件實(shí)現(xiàn)。

2　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.1處理模塊設(shè)計(jì)

ATmega128L是8bit微控制器，基于AVR RISC結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)技術(shù)運(yùn)用能耗很低的CMOS工藝。該芯片內(nèi)部采用資源充足、功耗很低的Harvard布線結(jié)構(gòu)；片內(nèi)集成了存儲(chǔ)容量為4 KB的E2PROM存儲(chǔ)器、存儲(chǔ)容量為4 KB且可外接擴(kuò)展存儲(chǔ)容量至64 KB的SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)容量為128 KB的Flash存儲(chǔ)器。此芯片還具有如下特征：可選用ISP編程或JTAG編程方式；總線接口為I2C、SPI和USART1/0；片上模擬比較器和振蕩器、可自主編程設(shè)置的看門狗定時(shí)器和PWM通道（8個(gè)）；8位和16位計(jì)數(shù)/定時(shí)器各2個(gè)，10位ADC通道（8個(gè)），工作模式都可以根據(jù)具體的情況選用不同的類型。為了盡量節(jié)約監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的能耗，ATmega128L的工作模式除正常模式以外，還具有低能耗操作模式，共有六種相異的功耗層次模式，以適應(yīng)不同功耗模式的需求。圖2為選用ATmega128L的節(jié)點(diǎn)處理模塊的接口電路圖。

2.2傳輸模塊設(shè)計(jì)

傳輸模塊采用工作頻率為2.4 GHz IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的CC2420芯片，CC2420芯片是可以發(fā)送和接收信號(hào)的射頻收發(fā)器，兼容ZigBee協(xié)議，還擁有許多其他功能。傳輸模塊的制造技術(shù)為0.18 μm CMOS工藝，采用集成度高、擴(kuò)展性強(qiáng)的SmartRF03技術(shù)，所需外接部件很少，可靠性很高；具備以下易于集成的典型特征：調(diào)制方式為QPSK模式，最大速率可達(dá)到250 kb/s的接收、發(fā)送波特率；外接口使用可以直接連接處理核心AT?mega128L的SPI接口；體積小、功耗少、工作電壓低且工作電壓范圍廣（2.2～3.7 V）。西藏糧倉(cāng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳輸模塊接口電路如圖3所示。

2.3傳感器模塊設(shè)計(jì)

數(shù)字化顯示、靈明度高的溫濕度傳感器SHT11是西藏糧倉(cāng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器模塊，此傳感器模塊具備如下優(yōu)點(diǎn)：

1）可靠性和穩(wěn)定性很強(qiáng)，制作技術(shù)應(yīng)用CMOS工藝，即使糧倉(cāng)中浸水，感測(cè)頭完全浸于水中仍能進(jìn)行正常監(jiān)控，完成數(shù)據(jù)的傳輸；

2）極小的封裝體積，便于運(yùn)輸和布控，完成通信、監(jiān)測(cè)任務(wù)后，工作模式自主切換至低能耗的模式；

3）具有很高的監(jiān)測(cè)精確度，由于濕度和溫度傳感器共同集成于SHT11，SHT11可以使得露點(diǎn)計(jì)算具有高質(zhì)量，以及濕度測(cè)量值帶有精確度高的溫度補(bǔ)償；

4）提供DATA、SCK兩種二線數(shù)字串行接口，簡(jiǎn)潔化接口處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)方便、快捷地傳輸，支持?jǐn)?shù)據(jù)循環(huán)冗余碼校驗(yàn)傳送，實(shí)現(xiàn)高可靠地傳輸數(shù)據(jù)；

5）集成度高，加熱、模數(shù)轉(zhuǎn)換、變換信號(hào)、監(jiān)控濕度和溫度等功能，被集成到SHT11一個(gè)模塊上。

為了完成監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的傳輸，SHT11需要與處理器芯片ATmega128L相連接，這通過(guò)I2C接口實(shí)現(xiàn)。

3　西藏糧倉(cāng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟件測(cè)試

用AVR Studi04作為檢測(cè)工具對(duì)WSN節(jié)點(diǎn)進(jìn)行軟件測(cè)試，采用JTAGICE硬件仿真器，測(cè)試過(guò)程分模塊進(jìn)行。為了驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)中各模塊工作的穩(wěn)定性和可靠性，分別編寫對(duì)應(yīng)的測(cè)試程序。對(duì)節(jié)點(diǎn)軟件檢測(cè)前，需要定位ATmega128，這通過(guò)連接AVRStudi04可以實(shí)現(xiàn)。為了與頻率為7.3729MHz晶振產(chǎn)生的時(shí)鐘源相匹配，需要采用JTAG編程將ATmega128熔絲位變?yōu)橥獠繒r(shí)鐘。下文分別對(duì)測(cè)試模塊進(jìn)行軟件測(cè)試說(shuō)明，包括指示燈（黃燈）和外部晶振的軟件測(cè)試，串口軟件測(cè)試，以及溫濕度傳感器SHT11的軟件測(cè)試。全部的分層結(jié)構(gòu)Zig?Bee協(xié)議棧自頂層至下依次包括：高層應(yīng)用規(guī)范、安全層、網(wǎng)絡(luò)層、介質(zhì)訪問控制層、物理層。ZigBee聯(lián)盟制定ZigBee協(xié)議棧的應(yīng)用程序接口、安全層和網(wǎng)絡(luò)層的相應(yīng)規(guī)范。根據(jù)需求的不同，用戶可在應(yīng)用層自主定義某些簇(cluster)，還可以引用或參考已經(jīng)做出定義的簇。應(yīng)用程序接口主要任務(wù)是提供簡(jiǎn)單的應(yīng)用軟件接口(API)給用戶，包括Zig?Bee設(shè)備對(duì)象(ZDO：ZigBee DeviceObject)和應(yīng)用子層支持(APS：Application Sub-layger Support)等，使得應(yīng)用層能夠設(shè)置、控制設(shè)備對(duì)象。安全層(secu?rity layer)主要功能是存取、管理密鑰等。其中，網(wǎng)絡(luò)層定義實(shí)現(xiàn)星型網(wǎng)絡(luò)，介質(zhì)訪問控制層定義實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器。圖4為全部的分層結(jié)構(gòu)ZigBee協(xié)議棧層級(jí)圖。

3.1指示燈和外部晶振軟件測(cè)試

指示燈(黃燈)和外部晶振的軟件測(cè)試程序如下：

3.2串口軟件測(cè)試

串口軟件測(cè)試使用串口測(cè)試助手傳輸數(shù)據(jù)至串口，出現(xiàn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)被回傳現(xiàn)象，串口軟件測(cè)試編寫的程序如下：

3.3溫濕度傳感器SHT11軟件測(cè)試

溫濕度傳感器SHT11編寫的測(cè)試軟件程序如下：

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(責(zé)任編輯：趙建周）

The Design Research of Tibetan Granary Wireless Sensor Network Nodes

TANG Song,NIMA Zha-xi,GESAN Duo-ji,GAO Ding-guo
(Tibet University Institute of Technology,Lasa 850000,China)

For the Tibetan granary monitoring shortcomings at present,and it's put forward that the design of the new type of Tibetan granary monitoring system of wireless sensor network node,Including WSN node structure, processing module design,transmission module design,sensor module design and software testing which in?cludes Indicator and external crystal software testing,serial ports'software testing and temperature and humidity sensors SHT11 software testing.

wireless sensor network;node design;software testing

TP212

A

1673-2928（2015）02-0065-04

2014-07-12

計(jì)算機(jī)及藏文信息技術(shù)國(guó)家級(jí)教學(xué)團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目：跨語(yǔ)言社會(huì)輿情分析基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究(項(xiàng)目編號(hào)：61331013)。

唐松（1985-），男，安徽安慶人，碩士研究生，研究方向：網(wǎng)絡(luò)與信息安全。