一種雞舍環境監測的無線傳感器網絡節點的設計

游 洪， 嚴文強， 李雪冬，黃桂林

(南京農業大學工學院，江蘇南京 210031)

一種雞舍環境監測的無線傳感器網絡節點的設計

游 洪， 嚴文強， 李雪冬，黃桂林*

(南京農業大學工學院，江蘇南京 210031)

為實現對雞舍環境中溫濕度、二氧化碳和氨氣濃度的實時監測，設計了基于UTC4432的無線傳感器網絡的節點模塊。該模塊是以無線透傳模塊UTC4432為收發模塊，傳感器將采集的數據信息傳送給主控芯片STM32進行處理，再經無線模塊發送給主節點，實現數據的監測和發送。該節點模塊具有體積小、功耗低、實時性強等特點，同時具有很好的適用性，發展前景廣闊。

無線傳感器網絡；UTC4432；STM32；雞舍環境監測

目前，在現有的環境監測設備中，主要采用有線的方式，因其具有良好的實時性和安全性。作為國內外的熱門技術，無線傳感器網絡也越來越得到人們的關注，運用到環境監測中的無線傳感器網絡技術也越來越多。如運用面很廣的基于ZigBee[1-3]的無線模塊，因其傳輸距離遠和組網規模大而得到很好的利用，也有基于CC2420[4]無線模塊和nRF24L[5]無線模塊的，在國外現有比較典型的無線模塊節點有美國DARPA支持下開發的Smart Dust和NEST項目開發的Telos節點，以及美國加州大學Berkeley分校的Mica系列節點[6]。在該研究中節點的設計上，采用微處理器STM32為處理器，UTC4432為無線模塊作為節點，從而對環境進行監測，及時掌握環境變化。

1 系統整體結構

無線傳感器節點的各部分組成結構如圖1所示。在該模塊的節點設計中，采用了ST(意法半導體公司)的144位嵌入式微控制處理器STM32F103RCT6[7-8]。STM32芯片在各方面都表現優異，包括外設、功耗控制、成本，同時具有較好的穩定性，能適應一些惡劣的環境。在與UTC4432進行通信時，不需要進行SPI配置，可直接進行數據信息傳輸；采用UTC4432為無線收發模塊，該模塊是工作于430～450 MHz免費ISM頻段，適合多節點的特殊場合，當需要多節點進行通信時，該模塊具有很好的適用性；對傳感器模塊，主要采用數字式的溫度傳感器和模擬量輸出的CO2和NH3傳感器，該模塊不用進行比較復雜的程序書寫；電源模塊的作用是將電壓穩定在3.3、5.0和6.0 V。

圖1 無線傳感器節點結構

2 節點硬件電路設計

節點的硬件電路圖如圖2所示，實物圖如圖3、4所示。圖2中PA8、PA6分別接CO2和NH3的AOUT口，通過傳感器的模擬后采集數據。節點的整體結構包含控制模塊、無線發射模塊、傳感器模塊以及電源模塊。

圖2 節點硬件電路示意

圖3 節點實物圖正面

圖4 節點實物圖反面

2.1 微處理器模塊 STM32系列是基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex-M3內核。其特性主要為：①按性能分為STM32F103系列增強型和STM32F101系列基本型，其時鐘頻率分別為72和36 MHz，同時內置32～128 K的閃存；②工作電壓低，為2.0～3.6 V，能容忍5.0 V的I/O管腳；③具有優異的安全時鐘模式以及帶喚醒功能的低功耗模式；④內部帶有RC振蕩器，同時內嵌復位電路；⑤工作溫度范圍為-40～85 ℃或125 ℃；⑥對增強型最多達13個通信接口，包括2個IIC接口、5個USRAT接口、3個SPI接口、1個CAN接口(2.0B)、1個USB2.0全速接口、1個SD IO接口。

2.2 無線射頻模塊 UTC4432是一款具備收發一體、超遠距離、超低功耗的無線透明傳輸模塊。通常工作在433 MHz免費ISM頻段，支持無線喚醒功能，提供多個頻道選擇，同時，透明傳輸無需編程，可通過PC設置常規參數，也可以在線進行修改，一次能發送長達512字節的數據包，在開闊地能傳輸2 000～2 500 m。

UTC4432基本特性如下：①帶串行接口，支持1 200 / 2 400 / 4 800 / 9 600 / 19 200 / 38 400 / 57 600 bps頻率的波特率；②工作頻率范圍為430～450 MHz免費ISM頻段，很適合多節點的特殊場合；③功耗低，支持無線喚醒功能，在休眠狀態下僅為1.5 μA，能滿足低功耗要求的設備；④采用GFSK調制，能高效糾錯編碼，抗干擾能力強；⑤接收靈敏度能達到-121 dBm,同時采取數字緩沖，一次能發送長達512字節的數據。

UTC4432與MCU的接口電路如圖5所示。

圖5 UTC4432與MCU的接口電路

模塊與STM32連接時，SET_A與SET_B分別接STM32的兩個GPIO口，模塊的TXD和RXD分別接STM32串口的RX和TX引腳，AUX腳接STM32的外部中斷引腳(AUX非必須，可以懸空)，3.3和5.0 V電源同時給模塊供電。

2.3 電源模塊 由于傳感器節點的體積較小、電源更換不方便，該節點采用12.0 V、容量為3 500 mAH的高容量聚合物(鋰電池)可充電電池，通過降壓芯片轉化為3.3～6.0 V，節點在不停地轉發數據，同時在4種狀態之間發生轉化。電源模塊電路圖如圖6所示，實物圖如圖7所示。

圖6 電源模塊電路示意

圖7 電源模塊實物示意

2.4 傳感器模塊 在溫濕度監測上，該研究采用的是DHT22數字溫濕度傳感器，部分參數如表1所示。該傳感器采用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，具有極低的功耗，信號傳輸可達20 m以上。

在CO2和NH3監測上，該研究采用龍戈電子的MG811型號和MQ137型號，其中CO2傳感器電路原理圖如圖8所示。在結構的設計上主要由LM393和MG811氣體感應探頭組成，該裝置具有TTL電平信號燈輸出指示，模擬量輸出電壓為0～2.0 V，濃度越高輸出電壓越高，帶有溫度補償特性，適用于家庭和環境中的CO2濃度測量，測試范圍為0～10 000 mg/kg，同時具有很好的靈敏度和選擇性。

表1 溫濕度參數

圖8 CO2傳感器電路原理示意

NH3傳感器模塊主要由NH3氣體傳感器組成，工作電壓為5.0 V，采用雙路信號輸出，同時帶有電平信號輸出，以及報警知識燈，測試范圍為5～500 mg/kg，靈敏度大于3%，對環境中的NH3濃度具有很好的監測性，在該節點的設計上主要采用模擬量輸出。

NH3傳感器原理圖如圖9所示。

圖9 NH3傳感器原理示意

3 節點軟件設計

軟件設計流程圖如圖10所示。完成STM32、UTC4432、傳感器的初始化后，配置寄存器寫入相應的初始化RF控制字。在節點軟件的設計上，采用C語言[9]進行程序編寫，開發環境是由美國Keil Software公司出品的51系列兼容C語言軟件開發系統[10]，它提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器和功能強大的仿真調試器等調試工具，同時具有方便易用的集成環境、強大的軟件仿真調試工具。運用于STM32微處理器在Keil軟件上的編寫過程，結合Keil軟件自身的編譯工具及相應參數的設置。

圖10 軟件設計流程示意

在無線節點設計的軟件部分需要完成的工作：①初始化：通過硬件部分的連接關系，完成各個參數和接口之間的初始化，這個過程包括對STM32F103RCT6的初始化、UTC4432的初始化以及各個傳感器的初始化。②數據信息傳輸：將傳感器采集來的數據信息通過無線發射模塊傳送給中繼節點，處理后進而傳送給監控中心。在該節點的設計上，由于采用12.0 V的電源供電，同時檢測種類較多，所以采用功耗相對較低的時鐘驅動方式，定時啟動，進行傳感器的數據信息采集，然后將信息發送出去，不需要的時候轉入睡眠模式。

在數據信息的發送上，采用定時發送，定時排險，在節點的設計上，定時啟動時采集數據信息，然后將數據發送給監控中心，之后轉入睡眠模式。

4 結論

隨著雞舍養殖環境的變化，對養殖環境的監測提出了更高的要求。集成電路和無線通信在各個領域的運用也越來越廣泛[11]，無線傳感器檢越來越受到人們的喜愛。利用以UTC4432為基礎的無線模塊解決了雞舍環境監測中存在的監測區域小、數據采樣率低、工作量大、成本投入大的缺點[12]，具有廣闊的運用前景，適合絕大多數環境監測中信息采集的需要。在整個設計過程中，按照設計要求基本實現了目標，但也存在著不少問題，如電路設計缺少經驗，射頻知識掌握不多，沒有采用先進的表面貼片封裝天線，減小體積，設計更小的板子。但總體來講，基本上達到了目標。

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南京農業大學SRT國家級立項(201310307073)。

游洪(1990- )，男，四川廣安人，本科生，專業：雞舍養殖環境的無線監測系統。*通訊作者，講師，碩士，從事智能環境監測及EDA方面的研究。

2014-05-04

S 126

A

0517-6611(2014)15-04901-03

鳴 謝 在項目的研究過程中，得到了尹文慶教授和黃桂林老師的大力幫助，在此表示由衷的謝意。