基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大棚環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)

摘要：為了實現(xiàn)溫室大棚內(nèi)的溫度、濕度和CO2濃度的數(shù)據(jù)采集，設(shè)計了一種超低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)布線復(fù)雜、維護困難等問題。分析了無線測量節(jié)點所采用微控制器、傳感器和無線收發(fā)器的工作特點以及功耗，描述了無線節(jié)點的結(jié)構(gòu)原理，給出了系統(tǒng)軟件的設(shè)計方案和通信方法。實測結(jié)果表明，所設(shè)計的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單可靠，功耗較小，通信距離較遠，達到了大棚環(huán)境參數(shù)測量的設(shè)計要求。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；超低功耗；溫室大棚；溫濕度；CO2濃度

    隨著人們對新鮮蔬菜需求的不斷提高以及土地資源的日漸緊缺，生產(chǎn)效率較高的溫室農(nóng)業(yè)得到了迅速發(fā)展。溫室大棚內(nèi)溫濕度等因素對農(nóng)作物的生長有著直接影響，對溫室大棚內(nèi)的溫度、濕度及二氧化碳等參數(shù)的檢測和控制至關(guān)重要。傳統(tǒng)的溫室數(shù)據(jù)采集工作大多是采用人工抄表或預(yù)先布線的有線采集方式。人工方式的缺點是工作量大、費用高、難以保障數(shù)據(jù)的實時性和有效性，而有線數(shù)據(jù)采集存在著布線
費用高、測量節(jié)點位置變化時需要改變線路走向及長度等諸多不利因素。
    文中采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計了一種溫室大棚溫度、濕度及二氧化碳參數(shù)測量系統(tǒng)，具有超低功耗、不需布線、測量節(jié)點移動方便等優(yōu)點，克服了人工抄表和有線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的諸多缺點。

1 硬件設(shè)計
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的電路原理圖如圖1所示。它主要由MCU控制單元、射頻收發(fā)單元、溫濕度傳感器、二氧化碳濃度傳感器構(gòu)成。所有單元均采用低功耗器件，MCU采用中穎電子的具有休眠功能的SH79F64單片機，溫度和濕度測量單元采用SENSIRON公司的具有休眠功能的SHT75溫濕度傳感器，CO2濃度測量采用GSS公司的功率僅為3．5 mW的COZIR傳感器，射頻收發(fā)單元采用SILICON LABS公司的具有休眠功能的SI4432無線收發(fā)器。所有器件均采用3．3 V供電，便于電池集中供電。

    上位機無線模塊硬件設(shè)計可采用類似結(jié)構(gòu)，取消傳感器部分，增加SILICON LABS公司的CP2102單芯片USB與UART橋接單元，通過USB口連接PC機。PC通過USB接口給無線模塊供電。
1．1 MCU單元
    MCU采用中穎電子生產(chǎn)的SH79F64低功耗單片機，SH79F64是一顆低功耗高性能8位芯片，SH79F64內(nèi)嵌加強8051核，具有高速高效率特性。在同樣振蕩頻率下，較之傳統(tǒng)的8051芯片它具有運行更快速的優(yōu)越特性。它保留了標準8051芯片的大部分特性。這些特性包括內(nèi)置256字節(jié)RAM和3個16位定時器／計數(shù)器，2個EUART，外部中斷INT0和INT1。此外，SH79F64還集成了外部2776字節(jié)RAM(不包括LCD RAM)，1路8位PWM輸出，外部中斷INT2和INT3，可兼容8052芯片的16位定時器／計數(shù)器(Timer3)和適合存儲程序和數(shù)據(jù)的64k字節(jié)flash以及1 k字節(jié)類EEPROM存儲器。
    除具有普通單片機的功能，SH79F64還具有其他特點：
    1)強大的處理能力  SH79F64雖然是8位單片機，但是機器周期為1個振蕩器周期，而傳統(tǒng)型51內(nèi)核機器周期為12個振蕩器周期。其指令執(zhí)行效率約為同頻率的傳統(tǒng)8051的8～10倍。另外還提供增強型的乘／除法指令，支持16 bitx8bit和16 bit÷8 bit運算，提供雙DPTR指針，用戶在使用查表，數(shù)據(jù)搬移等操作時會更方便。
    2)豐富的數(shù)據(jù)存儲區(qū)域  SH79F64提供64 k字節(jié)FLASH ROM，每1 k字節(jié)為1個扇區(qū)(SECTOR)，每個扇區(qū)可分別進行加密。如果沒有加密，每個扇區(qū)可分別單獨進行編程和擦除。整體擦除(MASS ERASE)可以擦除所有扇區(qū)。SH79F64的全部64 k BYTE都可用于存儲程序和數(shù)據(jù)，存放在FLASH ROM中的程序可以對不在同一扇區(qū)的FLASHROM編程(SSP模式)，因此可以當作EEROM來使用。另外提供1 k字節(jié)的客戶信息區(qū)／類EEPRO M塊區(qū)用于存放用戶數(shù)據(jù)，每個扇區(qū)(SECTOR)為256字節(jié)。
    3)高性能模擬技術(shù)及豐富的片上外圍模塊  SH79F64內(nèi)部集成的有：3個16位定時／計數(shù)器T0、T1和T2，1個16位定時器T3，看門狗定時器，1路8位PWM定時器，4／5x40／39段LCD驅(qū)動器，EUART、IR、TWI和SPI等標準通信模塊，8通道10位AD轉(zhuǎn)換器，蜂鳴器輸出等。
    4)超低功耗  其供電電壓為2．4～3．6 V，內(nèi)建低電壓復(fù)位功能和低電壓檢測功能。系統(tǒng)可采用雙時鐘方式，支持兩種省電模式：IDLE模式和掉電模式。當系統(tǒng)時鐘采用高速時鐘，外圍模塊采用32 768 Hz時鐘時，掉電模式將停止CPU時鐘信號，用于定時器3的時鐘可以開啟，此時的工作電流不超過20μA。
    MCU是無線測量節(jié)點的核心，在無事件發(fā)生時工作于掉電模式，當無線模塊收到數(shù)據(jù)時會通過IO口喚醒SH79F64進人活動工作狀態(tài)。SH79 F64功能豐富，編程方式靈活，完全可以滿足無線測量節(jié)點的設(shè)計需求。
1．2 無線收發(fā)單元
    Si4432芯片是Silicon Labs公司推出的一款高集成度、低功耗、多頻段的EZRadioPRO系列無線收發(fā)芯片，早期生產(chǎn)的V2版本不太穩(wěn)定，改進后的B1版本性能比較穩(wěn)定。其工作電壓為1．8～3．6 V，20引腳QFN封裝(4 mmx4 mm)，可工作在240～930 MHz的頻段；內(nèi)部集成分集式天線、功率放大器、喚醒定時器、數(shù)字調(diào)制解調(diào)器、64字節(jié)的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)FIFO，以及可配置的GPIO等。Si4432在使用時所需的外部元件很少，1個30 MHz的晶振、幾個電容和電感就可組成一個高可靠性的收發(fā)系統(tǒng)，設(shè)計簡單，且成本低。
    Si4432的接收靈敏度達到-121 dB，可提供極佳的鏈路質(zhì)量，在擴大傳輸范圍的同時將功耗降至最低；最小濾波帶寬達2．6 kHz，具有極佳的頻道選擇性；在240～930 MHz頻段內(nèi)，不加外部功率放大器時的最大輸出功率就可達+20 dBm，設(shè)計良好時收發(fā)距離最遠可達2km。Si443 2可適用于無線數(shù)據(jù)通信、無線遙控系統(tǒng)、小型無線網(wǎng)絡(luò)、小型無線數(shù)據(jù)終端、無線抄表、門禁系統(tǒng)、無線遙感監(jiān)測、水文氣象監(jiān)控、機器人控制等諸多領(lǐng)域。
    Si4432有多種工作模式，本設(shè)計用到其中的3種模式：發(fā)射模式，接收模式，睡眠模式。當芯片工作在睡眠模式時，外部晶振關(guān)閉，喚醒定時器采用內(nèi)部的32．768 kHz晶振作為時鐘源，它每周期在nIRQ腳上產(chǎn)生一個低電平，這個信號可以通過外部中斷喚醒SH79F64，SH79F64通過SPI口讀取相關(guān)寄存器狀態(tài)就可發(fā)現(xiàn)Si4432是否收到前導碼或同步碼，從而決定是否讓Si4432進入接收狀態(tài)。Si4432在睡眠狀態(tài)時，電流僅為1μA。

    為了防止射頻干擾，無線收發(fā)單元采用射頻板材單獨制版，并用金屬罩對其進行屏蔽。本文的設(shè)計方案中，GP1接單片機的INT0口，GP2接P5．1口，GP3接P0．6口，GP4接P0．6．GP5接P5．0。
1．3 低功耗傳感器單元
    溫度和濕度測量單元采用SENSIRON公司的具有休眠功能的SHT75溫濕度傳感器，傳感器包括一個電容式聚合體測濕元件和一個能隙式測溫元件，并與一個14位的A／D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路在同一芯片上實現(xiàn)無縫連接。SHT75采用串行接口，它的分辨率可以根據(jù)現(xiàn)場的采集速率進行調(diào)整，一般情況下默認的測量分辨率分別為14 bit(溫度)、12bit(濕度)，如果在高速采集中就可分別降至12 bit和8 bit，溫度的量程范圍：-40～123．8℃，濕度的量程范圍：0～100％RH。它操作比較簡單，只需用一組“啟動傳輸”時序，就能實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟?，同時，在測量和通訊結(jié)束后，SHT75會自動轉(zhuǎn)入休眠模式，這大大減少了功耗。
    文中對SHT75采用3．3 V供電，SHT75的SCK腳接單片機的SCL口，DATA腳接單片機的SDA口。
    CO2濃度測量采用GSS公司的COZIR-W-100型傳感器，其功耗僅3．5 mW，可溫度補償，濕度補償，以及感知白天黑夜的環(huán)境狀態(tài)。預(yù)熱時間僅10 s，量程100％。性能：1)功耗3．5 mW；2)峰值電流33 mA；3)平均電流小于1．1 mA；4)電源3．3 V；5)T90小于4 s；6)標準型號溫度范圍0～50℃(可擴展-25～55℃)；7)濕度適用范圍0～95％RH；8)存儲溫度-30～+70℃；9)尺寸：傳感器18 mmx20 mm。
    COZIR連接簡單，除了3．3 V電源和地線外，還有RX和TX引腳可直接連接單片機的UART口。所有的通信均使用ASCII碼，命令格式按照文獻的規(guī)定執(zhí)行。傳感器有3種工作模式：命令模式(Command Mode)，流模式(Streaming Mode)和查詢模式(Polling Mode)。
    命令模式適用于從傳感器提取大批量數(shù)據(jù)時使用，此時傳感器處于停止測量狀態(tài)，其功耗小于3．5 mW。流模式是工廠默認模式，此時傳感器每秒產(chǎn)生2個測量數(shù)據(jù)，除了正處于測量的過程中以外，傳感器會及時處理收到的命令，所以傳感器在處理命令時可能會出現(xiàn)100 ms的延遲，這種工作模式的功耗為3．5 mW。查詢模式時傳感器并不產(chǎn)生數(shù)據(jù)，但是周期性的測量在后臺繼續(xù)，當傳感器收到讀取命令時，會將最近的測量值轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)送出。查詢模式的功耗與查詢頻率有關(guān)，但是幾乎接近3．5mW。
    文中將COZIR的通訊口接到單片機的EUART0口，COZIR工作在查詢模式(Polling Mode)。

2 軟件設(shè)計
    軟件的開發(fā)環(huán)境為Keil uVision3，使用C51語言。系統(tǒng)的無線通信部分采用標準MODBUS協(xié)議，為點對多點的通信方式。主機采用同樣的電路，去除傳感器部分，增加USB與UART橋接芯片CP2102，通過USB口連接PC機。PC機在安裝Silicon Labs公司提供的免費驅(qū)動程序后，通過USB接口虛擬出一個COM口。從機為無線測量節(jié)點，每一個節(jié)點都擁有一個唯一的地址，工作方式為主站輪詢，從站監(jiān)聽的方式。節(jié)點軟件的主要流程如圖3所示。

2．1 程序流程
    系統(tǒng)初始化時，MCU進入掉電模式，Timer3選擇32768 kHz晶振作時鐘源，定時1 min中斷。Si4432進入睡眠模式，開啟Si4432的Wake-up Timer，定時31s。有兩個事件會將MCU喚醒：Timer3定時和Si4432的nIRO引起的外部中斷。
    在Timer3的中斷服務(wù)子程序中做兩件工作：1)軟時鐘計時。由于系統(tǒng)對實時性要求不高，時鐘可以分鐘為最低計時單位。并且上位機可定期通過寫指令對時鐘進行校準；2)采集數(shù)據(jù)。從溫濕度傳感器和CO2濃度傳感器讀取數(shù)據(jù)并按規(guī)定格式存放在規(guī)定緩沖區(qū)，等待上位機讀取。
    MCU的INT0設(shè)置為低電平觸發(fā)，連接Si4432的nIRQ腳，每31秒Si4432的Wake-up Timer使得nIRQ腳產(chǎn)生低電平，從而引發(fā)MCU外部中斷。在中斷服務(wù)子程序中MCU通過SPI口讀取Si4432的iswdet和ipreaval位，以判斷是否接收到前導碼或同步碼。若有，則命Si4432進入RX狀態(tài)，繼續(xù)接收數(shù)據(jù)并處理，否則回到休眠狀態(tài)。上位機要喚醒無線節(jié)點，需連續(xù)發(fā)40 s(大于31 s)喚醒信號，這對于供電充分的上位機來說不是問題。
2．2 通信協(xié)議
    通信協(xié)議采用MODBUS協(xié)議的RTU傳輸模式。MODBUS協(xié)議是免費的用于工業(yè)現(xiàn)場的總線協(xié)議。在我國，MODBUS已經(jīng)成為國家標準GB／T195 82-2008?？梢灾С侄喾N電氣接口，如RS-232、RS-485等，還可以在各種介質(zhì)上傳送，如雙絞線、光纖、無線等。
    在本系統(tǒng)中，主機(PC)直接面對的是虛擬COM口，因此可方便地采用MODBUS協(xié)議，主機界面可采用簡單的串口調(diào)試工具，如SSCOM等，也可以由用戶自行開發(fā)。通過USB口連接主機的無線節(jié)點與從機之間采用透明傳輸，由上向下傳輸數(shù)據(jù)前需增加喚醒過程。從機(無線測量節(jié)點)向上發(fā)送數(shù)據(jù)時，則按照MODBUS幀格式組建數(shù)據(jù)包連續(xù)發(fā)送。
    MODBUS通信使用主——從技術(shù)，即僅一個設(shè)備(主設(shè)備)能初始化傳輸(查詢)。其他設(shè)備(從設(shè)備)根據(jù)主設(shè)備查詢提供的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)反應(yīng)。主設(shè)備可單獨和從設(shè)備通信，也能以廣播方式和所有從設(shè)備通信。如果單獨通信，從設(shè)備返回一個消息作為回應(yīng)，如果是以廣播方式查詢的，則不作任何回應(yīng)。
    在本系統(tǒng)中，通信地址的分配情況如下：
    *電子標簽區(qū) 0x0000～0x00BF
    *工作參數(shù)區(qū) 0x2000～0x2022
    *實時數(shù)據(jù)區(qū) 0x3000～0x307A
    其中電子標簽和工作參數(shù)位于MCU的類EEPROM區(qū)域，斷電情況下不會丟失。電子標簽用于存放無線節(jié)點的產(chǎn)品代碼等信息，工作參數(shù)用于存放無線節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸速率、頻段、無線發(fā)送功率等參數(shù)。實時數(shù)據(jù)區(qū)位于RAM區(qū)，在MCU掉電模式下能夠得到保存。實時數(shù)據(jù)的存放格式如表1所示。每次讀取的采樣數(shù)據(jù)和時間存放在兩個位置，一是地址0x3003-0x3008，二是沿地址0x3009-0x307A順序循環(huán)存放。

3 結(jié)束語
    文中設(shè)計的超低功耗大棚無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單，成本低，技術(shù)開發(fā)成熟，所采用的器件均為超低功耗器件，使得整個系統(tǒng)的功耗很低。由于大棚參數(shù)測量對實時性要求不高，無線節(jié)點的元器件大部分時間處于低功耗狀態(tài)，大大降低了系統(tǒng)的功耗。所采用的Si443 2無線收發(fā)器，在不增加外部功放電路的情況下，將其輸出功率設(shè)置為+20 dBm，在434 MHz頻段工作時，實測有效傳輸距離達600 m，誤包率低于1％，特別適用于分布面積較廣的大棚環(huán)境。該系統(tǒng)無線傳輸距離遠、無線測量節(jié)點功耗低，同樣適用于對實時性要求不高的倉庫環(huán)境監(jiān)測等應(yīng)用場合，具有較大的推廣價值和廣闊的市場前景。