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
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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)備進行相關(guān)控制)用來接收計算機傳來的遠程控制信息，以便對溫室環(huán)境參數(shù)進行適當(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，所有數(shù)據(jù)都由計算機進行復(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與遠程控制中心進行交互，從而實現(xiàn)溫室環(huán)境的遠程監(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)多跳路由后到達匯聚節(jié)點，最終通過Internet到達控制中心?？刂乒?jié)點用來接收計算機傳來的遠程控制信息，對溫室環(huán)境參數(shù)進行調(diào)控。
3.1 測量節(jié)點硬件
傳感器測量節(jié)點由傳感器模塊、微處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊組成。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
[!--empirenews.page--] (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)備進行相關(guān)控制，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。
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。
(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進行電平轉(zhuǎn)換，通過COM口與計算機進行通信。
(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)過較遠的距離傳輸?shù)接嬎銠C，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)，確保程序運行的穩(wěn)定性和可靠性，便于程序的維護和更新，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?；诖?，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。[!--empirenews.page--]
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單片機就可以了。
(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。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。
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來進行統(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。
參考文獻
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