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

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。

4.1 TinyOS簡(jiǎn)介

TinyOS是加州大學(xué)伯克利分校開(kāi)發(fā)的一種典型的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )操作系統，通過(guò)nesC語(yǔ)言可以開(kāi)發(fā)基于TinyOS的應用程序。TinyOS設計的目標就是代碼量小、耗能低、并發(fā)性高、魯棒性好，可以適應不同的應用，采用輕量級線(xiàn)程技術(shù)，事件驅動(dòng)模式，組件化編程等，從而使其成為面向無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的操作系統。TinyOS提供了Main配件，以及針對某些硬件的感知組件、執行組件、通信組件和硬件抽象組件。在這些組件的基礎上，用戶(hù)可以定制開(kāi)發(fā)應用組件，然后將所有組件連接起來(lái)，就構成了整個(gè)應用程序。

4.2 TinyOS的移植

TinyOS操作系統有很多版本，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(gè)Windows下的軟件，因此，要安裝一個(gè)在Windows平臺上運行的模擬linux開(kāi)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(kāi)發(fā)必備的編譯工具的安裝包；

(3)啟動(dòng)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(shí)已經(jīng)搭建好了TinyOS的開(kāi)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(chē)輸入：make cc2431em，如果順利的話(huà)，TinyOS將被編譯生成app.hex文件，只要把這個(gè)文件燒錄進(jìn)單片機就可以了。

(5)燒錄

插好仿真器，打開(kāi)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(xiě)了，燒寫(xiě)成功后，TinyOS就成功移植到CC2431上了。

5 傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的軟件設計

傳感器測量節點(diǎn)的主要功能就是接收PC機采集數據的指令、采集數據，然后將采集的數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)信道發(fā)送出去。匯聚節點(diǎn)的功能就是創(chuàng )建無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，配置網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)屬性，接收傳感器測量節點(diǎn)采集的數據，然后通過(guò)串口上傳到計算機。傳感器測量節點(diǎn)程序結構流程圖如圖5所示，匯聚節點(diǎn)程序結構流程圖如圖6所示。

在農業(yè)生產(chǎn)中，隨著(zhù)規?；?jīng)營(yíng)的出現，可能會(huì )建有很多個(gè)溫室，根據應用的設計，在每個(gè)溫室中都建有一個(gè)無(wú)線(xiàn)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(gè)溫室中的無(wú)線(xiàn)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(guò)控制中心的計算機來(lái)進(jìn)行統一管理，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(jiǎn)單，從而達到提高作物產(chǎn)量、改善品質(zhì)、調節生長(cháng)周期、提高經(jīng)濟效益的最終目的。而本文介紹的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)具有功耗低、體積小、工作可靠、易于擴展等優(yōu)點(diǎn)，基于該無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的溫室環(huán)境監控方案將會(huì )有很好的應用前景。