基于果園環境信息監測的無線傳感器網絡節點設計

劉燕德，趙文星，周衍華，吳至境，熊松盛，劉德力

（1.華東交通大學 機電工程學院，江西 南昌 330013；2.光機電技術及應用研究所 江西 南昌 330013）

在果樹生產過程中，園區氣象等生態環境因子對果樹生長發育、生產管理決策以及病蟲害發生發展與預防等具有重要的影響，因此果園生態環境信息的自動采集和遠程傳輸對于指導實際生產具有十分重要的意義[1]。傳統的果園環境信息主要是依靠人工來獲取，這樣費時費力而且效率很低。本文設計了一種用于對果園環境信息進行實時監測的無線傳感器網絡節點，來實現數據的準確測量并可靠傳輸，這大大地減小了傳統數據采集過程中受時間和空間等因素的限制。只有及時獲取果園環境信息并進行調控，果樹的品種優勢才能充分發揮。通過了解果園環境的微氣象信息，可以實現對果樹環境信息進行動態監控：達到滿足果樹的營養需求、節約用水、監測果樹病蟲害的目的，最終實現果樹栽培中各項關鍵參數更精確的控制[2]。進行A/D轉換，經處理器處理后由射頻模塊發送到相鄰節點，同時該節點也要執行數據轉發功能，即把相鄰節點發送的數據發送到匯聚節點或離匯聚節點更近的節點[3]。果園環境信息傳感器節點由數據采集模塊、微控制器模塊、射頻通信模塊和電源模塊4部分組成，硬件結構簡圖如圖1所示。數據采集模塊負責果園環境信息的采集和數據轉換；微控制器模塊控制節點的操作，存儲和處理本身采集的數據以及其他節點發來的數據。

圖1 硬件結構簡圖Fig.1 Structure diagram of the hardware system

1 節點硬件設計

傳感器節點的設計是果園環境信息監測的核心，主要是通過傳感器采集果園環境的數據（溫度、濕度、光照等），然后

1.1 微控制器模塊

微控制器是整個系統的核心，為了節省系統電源，微控制器采用定時休眠、定時喚醒的工作方式。在喚醒后的工作狀態，微控制器打開傳感器的供電電源，定時讀取傳感器采集的數據并進行計算處理。定時打開射頻模塊，與基站進行定時聯絡以及發送和接收數據。

選用低功耗的MSP430F149芯片，它是一種新型的混合信號處理器，采用了美國德州儀器（Texas Instruments）公司最新低功耗技術（工作電流為0.1~400 p A），它將大量的外圍模塊整合到片內，特別適合于開發和設計單片系統。具有16位CPU和高效的RISC指令系統，兩路USART通信串口，可用于UART和SPI模式：片內有精密硬件乘法器、兩個l6位定時器，6個并行口，48條I/O口，具有64 kB的閃存.用于存儲采集數據[4]。

1.2 數據采集模塊

數據采集模塊是對果園的溫度、濕度、光照強度等信息進行采集，然后將采集到的數據通過A/D轉換送給單片機進行處理。

1.2.1 光照強度單元

光頻轉換器TSL230是美國TI公司的最新智能傳感器，它可直接對可見光進行頻率轉換；其靈敏度、分頻輸出可由程序控制。S0、S1為靈敏度控制端，實際上是通過改變芯片上的感光窗口的面積來改變靈敏度；S2、S3量程選擇端；OUT為頻率信號輸出，進入單片機的捕獲輸入，程序中選擇上升沿捕獲有效，通過計算兩次捕獲時間內計數器的數值差，便可以計算出輸出的頻率值[5]。TSL230B與MSP430F149的接口電路圖如圖2所示。

圖2 TSL230B的接口電路圖Fig.2 The interface circuit of TSL230B

1.2.2 溫濕度傳感器單元

溫濕度傳感器采用SHT11。SHT11是瑞士Sensirion公司推出的基于CMOSensTM技術的新型溫濕度傳感器，它可以直接提供溫度在-40~120℃范圍內且分辨率為14 bit的數字輸出和濕度在0~100%RH范圍內且分辨率為l2 bit的數字輸出[6]。SHT11電源供電要求為2.4~5.5 V，電源和時鐘信號均由微處理器提供，數據線管腳三態輸出，因此需要外界一個上拉電阻將信號拉高。圖3 SHT11接口電路圖。

圖3 SHT11接口電路圖Fig.3 The interface circuit of SHT11

1.3 射頻通信模塊

射頻通信模塊負責低功耗短距離節點間的通信，交換控制信息和收發采集數據。

采用nRF2401芯片實現的無線傳輸模塊。nRF2401通過外接晶體為它提供工作所用的時鐘。nRF2401還必須有天線電路，這樣才能進行數據的收發。nRF2401通過SPI口與MSP430單片機進行連接，由于nRF2401的SPI口只有1個數據管腳（DATA管腳），所以該管腳直接與MSP430單片機的SPI口的數據收發管腳（MOSI、MISO）進行連接。如圖4所示為nRF2401芯片接口電路圖。

圖4 nRF2401芯片接口電路圖Fig.4 The interface circuit of nRF2401

由圖4可以看出，nRF2401芯片的CE、CS、DR1和PWR_UP管腳分別與MSP430單片機的P1.0、P1.1、P1.2和P1.3管腳進行連接。P1.0、P1.1和P1.3管腳只是用來控制nRF2401芯片的工作狀態，而P1.2管腳用來指示nRF2401是否接收數據，由于P1口的管腳有中斷功能，因此可以將P1.2管腳設置成中斷方式。由于nRF2401的SPI口只有1個數據管腳（DATA），因此將DATA管腳分別與MSP430單片機的SPI口數據收發管腳（MOSI、MISO）進行連接。由于SPI口的2個數據管腳都連接到nRF2401芯片的DATA管腳，因此MSP430單片機的SPI口的數據管腳都需要串接10kΩ的電阻。由于DR1是高電平有效，因此需要將P1.2管腳拉低。

1.4 電源模塊

電源模塊提供節點的能量，通常選用體積小、容量高的電池，以確保節點的微型化和長壽命。

2 節點軟件設計

2.1 節點工作流程

傳感器節點的數據傳輸采用基于802.15.4標準的ZigBee無線傳輸協議，采用了協議棧Z-Stack。當節點通電之后，先初始化，系統進入低功耗模式，當傳感器收到采集數據請求時，節點被喚醒，開始采集數據，確認采集到后，將數據進行簡單的處理、儲存，并在設定的時間內.嘗試把數據發送出去，當成功發送后，則回到低功耗模式。工作流程如圖5所示。

圖5 節點工作流程圖Fig.5 Flow chart of the note design

2.2 無線傳輸設計

開發以IAR WorkbenchV3.1為平臺，采用C語言編寫，軟件編程的基本思路是：先對SPI、nRF2401控制端口初始化；使能SPI、UART端口，使能ADC，對nRF2401芯片初始化；無線傳輸軟件設計包括初始化程序、管腳模擬程序和數據收發程序。

2.2.1 收發模式

nRF2401芯片的收發模式有突發（ShockBurstTM）收發模式和直接收發模式兩種，這里只介紹ShockBurstTM收發模式。收發模式由器件配置字決定。

在ShockBurstTM收發模式下，主要有以下特點：

1）使用片內的FIFO，數據從單片機低速送入，由nRF2401高速發送，這樣可以盡量節能。

2）射頻協議由芯片內部進行處理，這樣非常方便進行程序開發。

3）nRF2401自動處理數據幀的頭和CRC校驗碼，在接收數據時，自動把數據幀的頭和CRC校驗碼移去；在發送數據時，自動加上數據幀的頭和CRC校驗碼。

下面介紹在ShockBurstTM模式下的收發流程。

1）ShockBurstTM發送流程

在發送狀態下，主要通過CE、CLK1、DATA這3個管腳來實現數據的發送。nRF2401突發模式下的數據無線發送流程圖，如圖6所示。

圖6 nRF2401突發模式下的數據無線發送流程圖Fig.6 Flow chart of the wireless data transmission of ShockBurstTM design

具體流程如下：

1）當單片機有數據要發送時，先把CE置高，使nRF2401進入發送模式。

2）單片機把地址和要發送的數據通過SPI口寫入nRF2401的FIFO。

3）單片機將CE置低，使nRF2401開始以ShockBurstTM模式發送數據。

2）ShockBurstTM接收流程

在接收狀態下，主要通過CE、CLK1、DR1和DATA這4個管腳來實現數據的接收。nRF2401突發模式下的數據無線發送流程圖，如圖7所示。

圖7 nRF2401突發模式下的數據無線接收流程圖Fig.7 Flow chart of the wireless data receiving of ShockBurstTM design

具體流程如下：

1）單片機將CE置高，進入接收狀態。

2）延時200μs后，nRF2401進入監視狀態，等待數據包的到來。

3）當接收到正確的數據包后，nRF2401自動把數據幀的頭、地址和CRC效驗碼去掉。

4）nRF2401將DR1置高來通知單片機有數據到來。

5）單片機將數據從nRF2401讀出。

6）所有數據讀完以后，nRF2401把DR1置低。如果CE繼續設置為高，則繼續等待下一個數據包；如果CE為低，開始其他工作流程。

3 結 論

根據果園環境信息監測的需求，文中將MSP430單片機和nRF2401相結合進行了無線傳感器節點的設計，通過果園微氣象信息的監測，來實現對果園的數字化管理，為果園系統的設計指明了方向。由該節點組成的無線傳感器網絡在小規模實驗中已表現出良好的工作效果，可在特殊環境下實現監測區域內信號的采集、處理與傳輸。

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