西藏糧倉無線傳感器網絡節點的設計研究

唐松，尼瑪扎西，格桑多吉，高定國（西藏大學工學院，拉薩850000）

西藏糧倉無線傳感器網絡節點的設計研究

唐松，尼瑪扎西，格桑多吉，高定國
（西藏大學工學院，拉薩850000）

針對西藏糧倉監測中存在的缺點，提出了基于無線傳感器網絡的監控系統設計方案，包括WSN節點結構、處理模塊設計、傳輸模塊設計、傳感器模塊設計和軟件測試，其中軟件測試又包含指示燈和外部晶振軟件測試、串口軟件測試和溫濕度傳感器SHT11軟件測試。

無線傳感器網絡；節點設計；軟件測試

西藏糧食生產的一個重要過程是科學儲藏糧食，如果監控不力導致糧食變質將會造成糧食的損失。西藏糧倉的主要監控物理量是溫度和濕度，采用傳統的人工監測手段是線纜布控，人工成本和監控設備的投入偏高，管理模式相對落后，因此糧食儲藏的關鍵在于對糧倉實行實時、精細化管理。無線傳感器網絡由大量無線傳感器網絡節點通過無線通信技術自組織構成，融合了傳感器技術、信息處理技術和網絡通信技術，可實現數據的采集、處理、融合和傳輸，在軍事和民用領域均有著非常廣闊的應用前景。在糧倉中構建無線傳感器網絡，就可以實現對糧倉各處溫濕度的低成本、高效監測，其中組成糧倉監控網絡的最小單元是普通傳感器采集節點，它將監控的溫度、濕度信息傳輸給簇首節點，最終由相關路由傳輸至匯聚節點(sink)，匯聚節點經融合和處理數據，通過廣域網將信息傳送至后臺監控中心。為了滿足西藏糧倉監控網絡成本低、功耗小的要求，節點中央處理器采用8bit的嵌入式單片機。無線傳感器網絡節點的主要功能部件如下：處理器ATmega128L，溫濕度傳感器SHT11，無線接收和發送管理器CC2420。

1　無線傳感器網絡節點結構

西藏糧倉WSN普通節點、簇首節點和匯聚節點主要模塊包括以下四個方面：能量供給模塊、數據處理模塊、傳感器數據采集模塊和數據無線傳送模塊，圖1為其框架圖，其主要完成糧庫溫濕度數據的采集和逐級傳輸，最終將數據匯總到監控中心。

能量供給模塊所需電量較少，其供電依靠2節5號AA電池；傳感器數據采集模塊采用的是靈敏度高的溫濕度傳感器SHT11；數據處理模塊采用ATmega128L，主要功能是融合、處理SHT11采集的數據，控制連接的模塊，選擇WSN的路由協議，管理此節點的能耗，以及節點的定位和同步執行；數據無線傳送模塊主要組成部件是耗能很低的射頻芯片CC2420，以及其外圍連接的電路，模塊的正常運作需要通過相應的通信協議和軟件實現。

2　無線傳感器網絡節點設計

2.1處理模塊設計

ATmega128L是8bit微控制器，基于AVR RISC結構，生產技術運用能耗很低的CMOS工藝。該芯片內部采用資源充足、功耗很低的Harvard布線結構；片內集成了存儲容量為4 KB的E2PROM存儲器、存儲容量為4 KB且可外接擴展存儲容量至64 KB的SRAM數據存儲器和存儲容量為128 KB的Flash存儲器。此芯片還具有如下特征：可選用ISP編程或JTAG編程方式；總線接口為I2C、SPI和USART1/0；片上模擬比較器和振蕩器、可自主編程設置的看門狗定時器和PWM通道（8個）；8位和16位計數/定時器各2個，10位ADC通道（8個），工作模式都可以根據具體的情況選用不同的類型。為了盡量節約監控節點的能耗，ATmega128L的工作模式除正常模式以外，還具有低能耗操作模式，共有六種相異的功耗層次模式，以適應不同功耗模式的需求。圖2為選用ATmega128L的節點處理模塊的接口電路圖。

2.2傳輸模塊設計

傳輸模塊采用工作頻率為2.4 GHz IEEE 802.15.4標準的CC2420芯片，CC2420芯片是可以發送和接收信號的射頻收發器，兼容ZigBee協議，還擁有許多其他功能。傳輸模塊的制造技術為0.18 μm CMOS工藝，采用集成度高、擴展性強的SmartRF03技術，所需外接部件很少，可靠性很高；具備以下易于集成的典型特征：調制方式為QPSK模式，最大速率可達到250 kb/s的接收、發送波特率；外接口使用可以直接連接處理核心AT?mega128L的SPI接口；體積小、功耗少、工作電壓低且工作電壓范圍廣（2.2～3.7 V）。西藏糧倉無線傳感器網絡節點傳輸模塊接口電路如圖3所示。

2.3傳感器模塊設計

數字化顯示、靈明度高的溫濕度傳感器SHT11是西藏糧倉無線傳感器網絡的傳感器模塊，此傳感器模塊具備如下優點：

1）可靠性和穩定性很強，制作技術應用CMOS工藝，即使糧倉中浸水，感測頭完全浸于水中仍能進行正常監控，完成數據的傳輸；

2）極小的封裝體積，便于運輸和布控，完成通信、監測任務后，工作模式自主切換至低能耗的模式；

3）具有很高的監測精確度，由于濕度和溫度傳感器共同集成于SHT11，SHT11可以使得露點計算具有高質量，以及濕度測量值帶有精確度高的溫度補償；

4）提供DATA、SCK兩種二線數字串行接口，簡潔化接口處理，實現數據方便、快捷地傳輸，支持數據循環冗余碼校驗傳送，實現高可靠地傳輸數據；

5）集成度高，加熱、模數轉換、變換信號、監控濕度和溫度等功能，被集成到SHT11一個模塊上。

為了完成監控數據的傳輸，SHT11需要與處理器芯片ATmega128L相連接，這通過I2C接口實現。

3　西藏糧倉無線傳感器網絡節點軟件測試

用AVR Studi04作為檢測工具對WSN節點進行軟件測試，采用JTAGICE硬件仿真器，測試過程分模塊進行。為了驗證節點中各模塊工作的穩定性和可靠性，分別編寫對應的測試程序。對節點軟件檢測前，需要定位ATmega128，這通過連接AVRStudi04可以實現。為了與頻率為7.3729MHz晶振產生的時鐘源相匹配，需要采用JTAG編程將ATmega128熔絲位變為外部時鐘。下文分別對測試模塊進行軟件測試說明，包括指示燈（黃燈）和外部晶振的軟件測試，串口軟件測試，以及溫濕度傳感器SHT11的軟件測試。全部的分層結構Zig?Bee協議棧自頂層至下依次包括：高層應用規范、安全層、網絡層、介質訪問控制層、物理層。ZigBee聯盟制定ZigBee協議棧的應用程序接口、安全層和網絡層的相應規范。根據需求的不同，用戶可在應用層自主定義某些簇(cluster)，還可以引用或參考已經做出定義的簇。應用程序接口主要任務是提供簡單的應用軟件接口(API)給用戶，包括Zig?Bee設備對象(ZDO：ZigBee DeviceObject)和應用子層支持(APS：Application Sub-layger Support)等，使得應用層能夠設置、控制設備對象。安全層(secu?rity layer)主要功能是存取、管理密鑰等。其中，網絡層定義實現星型網絡，介質訪問控制層定義實現終端節點和協調器。圖4為全部的分層結構ZigBee協議棧層級圖。

3.1指示燈和外部晶振軟件測試

指示燈(黃燈)和外部晶振的軟件測試程序如下：

3.2串口軟件測試

串口軟件測試使用串口測試助手傳輸數據至串口，出現傳輸的數據被回傳現象，串口軟件測試編寫的程序如下：

3.3溫濕度傳感器SHT11軟件測試

溫濕度傳感器SHT11編寫的測試軟件程序如下：

[1]湯強.無線傳感器網絡層次拓撲控制算法研究[D].武漢：華中科技大學，2010．

[2]李建波.無線傳感網絡拓撲控制若干問題研究[D].合肥：中國科技大學，2009．

[3]任彥.無線傳感器網絡覆蓋與拓撲控制理論與技術研究[D].北京：北京交通大學，2008．

[4]金鑫.無線傳感器網絡層次型拓撲控制算法及相關問題的研究[D].合肥：中國科學技術大學，2008．

[5]路綱.無線自組織網絡拓撲結構研究[D].成都：電子科技大學，2009．

[6]張建輝.無線傳感器網絡拓撲控制研究[D].杭州：浙江大學，2008．

[7]陳志，王汝傳，孫力娟.無線傳感器網絡的自組織機制研究[J].電子學報，2007，35(5):854-857.

[8]張學，陸桑璐，陳貴海，等.無線傳感器網絡的拓撲控制[J].軟件學報，2007，18(4)：943-954.

[9]李少春，程良倫.一種自適應的混合型無線傳感器網絡拓撲控制算法[J].傳感技術學報，2010，23(3)：428-433．

[10]宋超，劉明，龔海剛，等.基于蟻群優化解決傳感器網絡中的能量空洞問題[J].軟件學報，2009，20(10)：2729-2743．

(責任編輯：趙建周）

The Design Research of Tibetan Granary Wireless Sensor Network Nodes

TANG Song,NIMA Zha-xi,GESAN Duo-ji,GAO Ding-guo
(Tibet University Institute of Technology,Lasa 850000,China)

For the Tibetan granary monitoring shortcomings at present,and it's put forward that the design of the new type of Tibetan granary monitoring system of wireless sensor network node,Including WSN node structure, processing module design,transmission module design,sensor module design and software testing which in?cludes Indicator and external crystal software testing,serial ports'software testing and temperature and humidity sensors SHT11 software testing.

wireless sensor network;node design;software testing

TP212

A

1673-2928（2015）02-0065-04

2014-07-12

計算機及藏文信息技術國家級教學團隊資助項目：跨語言社會輿情分析基礎理論與關鍵技術研究(項目編號：61331013)。

唐松（1985-），男，安徽安慶人，碩士研究生，研究方向：網絡與信息安全。