CC2431的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在溫室環(huán)境監控系統中的應用
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溫室環(huán)境監控系統整體結構框圖如圖1所示，網(wǎng)絡(luò )中采用傳感器測量節點(diǎn)和具有簡(jiǎn)單執行控制功能的控制節點(diǎn)構成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。測量節點(diǎn)用來(lái)測量空氣溫度、濕度、光照強度等重要環(huán)境數據，控制節點(diǎn)(能對調溫、調濕等設備進(jìn)行相關(guān)控制)用來(lái)接收計算機傳來(lái)的遠程控制信息，以便對溫室環(huán)境參數進(jìn)行適當調控。測量節點(diǎn)采集的數據沿著(zhù)其他測量節點(diǎn)通過(guò)多跳的方式進(jìn)行傳輸，在傳輸過(guò)程中監測數據可能被多個(gè)測量節點(diǎn)處理，信息經(jīng)由多跳路由后到達匯聚節點(diǎn)，匯聚節點(diǎn)將接收到的數據直接上傳到計算機，所有數據都由計算機進(jìn)行復雜的數字信號處理，并通過(guò)數據庫對傳感器網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監測任務(wù)和收集監測數據等信息，最后這些數據還可以通過(guò)Internet與遠程控制中心進(jìn)行交互，從而實(shí)現溫室環(huán)境的遠程監控。
2 CC2431簡(jiǎn)介
CC2431是TI公司的產(chǎn)品，它是一個(gè)真正的基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )ZigBee/IEEE802.15.4解決方案的片上系統，其內部集成了CC2420射頻收發(fā)器，工業(yè)標準增強型8051 MCU內核，128 KB可編程閃存，8 KB的RAM，精確的定位引擎等豐富的片內資源，支持硬件調試，支持基于IAR7.20以上C51開(kāi)發(fā)環(huán)境下的在線(xiàn)調試，提供強大、靈活的開(kāi)發(fā)工具。CC2431體積小、功耗低、集成度高，非常適合于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的設計。它可工作在4種工作模式下，且工作模式之間的轉換時(shí)間較短，因而能夠滿(mǎn)足超低功耗系統設計的要求。
3 傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的硬件
傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)由傳感器測量節點(diǎn)、控制節點(diǎn)和匯聚節點(diǎn)組成。測量節點(diǎn)負責采集周?chē)h(huán)境信息，采集的環(huán)境信息經(jīng)多跳路由后到達匯聚節點(diǎn)，最終通過(guò)Internet到達控制中心?？刂乒濣c(diǎn)用來(lái)接收計算機傳來(lái)的遠程控制信息，對溫室環(huán)境參數進(jìn)行調控。
3.1 測量節點(diǎn)硬件
傳感器測量節點(diǎn)由傳感器模塊、微處理器模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊和電源模塊組成。其硬件結構框圖如圖2所示。
(1)傳感器模塊。由不同類(lèi)型的傳感芯片組成，具有對溫度、濕度和光照強度的感知能力。其中溫、濕度傳感器采用I2C總線(xiàn)數字式溫、濕度傳感器SHTll，其體積小、能耗低、兩線(xiàn)數字接口、溫度量程為-40℃～85℃、相對濕度量程為0％～100％RH。光照強度傳感器選用TSL2550D，其功耗可以滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)傳感器低功耗系統設計的要求，其總線(xiàn)也易于與CC2431接口。
(2)微處理器模塊。采用集成在CC2431內部的8051 CPU。集成的CPU有4種不同的內存空間：代碼區、數據區、擴展數據區和特殊功能寄存器區，不同的內存空間有利于代碼和數據的分離，提高CPU對內存的訪(fǎng)問(wèn)速度。
(3)無(wú)線(xiàn)通信模塊
①傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)在通信時(shí)消耗了大量的能量，選擇一款低功耗的無(wú)線(xiàn)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標準的低功耗通信芯片，具有快速喚醒和搜索外部設備功能，可以使節點(diǎn)更多地處于休眠狀態(tài)而節約功耗，而且其信道頻率和功耗等參數可以靈活設置。CC2431通信模塊的天線(xiàn)考慮到無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )通信質(zhì)量的要求，采用單極性天線(xiàn)，單極性天線(xiàn)在差分輸出與天線(xiàn)之間要求使用“平衡-不平衡變壓器”。
②無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)電源為電池供電系統，選用的電池為手機專(zhuān)用鋰電池。為了使系統在電池供電時(shí)，工作時(shí)間持續長(cháng)，在設計電源模塊時(shí)要考慮到節點(diǎn)的節能問(wèn)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點(diǎn)的能耗。
③LED燈用于顯示傳感器節點(diǎn)的運行狀態(tài)。
(4)電源模塊。為其他模塊提供能源。
3.2 控制節點(diǎn)
控制節點(diǎn)由驅動(dòng)器模塊、微處理器模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊和電源模塊組成。驅動(dòng)器模塊能對調溫、調濕等設備進(jìn)行相關(guān)控制，其硬件結構框圖如圖3所示。
3.3 匯聚節點(diǎn)的硬件研究
匯聚節點(diǎn)由微處理器模塊、無(wú)線(xiàn)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，其硬件結構框圖如圖4所示。
(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(yè)×264 B Flash存儲單元，用于存儲傳感器重要歷史數據。
(2)為提供以太網(wǎng)的接入通道，在該設計中，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、輸入和輸出數據的作用，這樣就可以將匯聚節點(diǎn)輕松連接到因特網(wǎng)以便于實(shí)現遠程控制。
(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)行電平轉換，通過(guò)COM口與計算機進(jìn)行通信。
(4)由于匯聚節點(diǎn)需要融合處理所有采集節點(diǎn)采集的數據，并且需要將數據經(jīng)過(guò)較遠的距離傳輸到計算機，因而能量消耗較大，因此其電源采用從市電轉換后介入的方式供電。
(5)LED燈用于顯示匯聚節點(diǎn)的運行狀態(tài)。
4 TinyOS操作系統的移植
嵌入式操作系統能夠簡(jiǎn)化嵌入式系統的開(kāi)發(fā)，確保程序運行的穩定性和可靠性，便于程序的維護和更新，但是由于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)是一個(gè)小型嵌入式系統，其硬件資源非常有限，需要高效利用其有限的內存、處理器和通信模塊，并且最大限度地減少系統能耗，延長(cháng)節點(diǎn)的使用壽命，因此傳統的嵌入式操作系統不能滿(mǎn)足其要求?；诖?，本文移植了針對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )特點(diǎn)而開(kāi)發(fā)的操作系統TinyOS。
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