基于單片機(jī)的糧庫(kù)無(wú)線溫濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

引 言

科學(xué)儲(chǔ)糧是糧食生產(chǎn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，若管理不當(dāng)，糧食發(fā)霉或生蟲會(huì)造成極大的浪費(fèi)。糧庫(kù)管理中最重要的問(wèn)題是監(jiān)測(cè)糧堆中的溫、濕度變化。國(guó)家為糧食儲(chǔ)藏每年支付很高的費(fèi)用，主要是因?yàn)楸O(jiān)測(cè)設(shè)備的成本過(guò)高，管理方式不夠先進(jìn)。隨著無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及傳感器技術(shù)的發(fā)展，使得研制低成本的先進(jìn)糧庫(kù)溫濕度監(jiān)測(cè)方法成為現(xiàn)實(shí)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）是將大量低功耗、低成本的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)布置到相關(guān)區(qū)域，各傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織快速形成的一種分布式網(wǎng)絡(luò)。WSN具有廣闊的應(yīng)用前景，例如災(zāi)難預(yù)警與救助、環(huán)境監(jiān)測(cè)和生物多樣化勘測(cè)、智能樓宇、設(shè)備管理、機(jī)器監(jiān)視和維護(hù)、運(yùn)輸和信息通信業(yè)務(wù)等。在糧庫(kù)中構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)糧庫(kù)各處溫濕度的低成本、高效監(jiān)測(cè)。其中的傳感器節(jié)點(diǎn)是組成糧庫(kù)WSN的基本單位，節(jié)點(diǎn)將采集的溫濕度數(shù)據(jù)傳送給相鄰節(jié)點(diǎn)，根據(jù)采用的路由協(xié)議最終傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)（sink）。匯聚節(jié)點(diǎn)解析接收到的數(shù)據(jù)，連接到因特網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)信息的更廣泛傳遞。由此可知，節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)直接影響到糧庫(kù)WSN的性能。出于糧庫(kù)WSN低功耗、低成本的考慮，通常采用8位單片機(jī)為節(jié)點(diǎn)CPU。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了以高檔8位AVR單片機(jī)ATmega128L為核心，結(jié)合外圍溫濕度傳感器SHT11和無(wú)線收發(fā)芯片CC2420的糧庫(kù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

1 節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

糧庫(kù)無(wú)線溫濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要功能是采集糧庫(kù)溫濕度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。它由傳感器模塊、處理模塊、傳輸模塊和能量供應(yīng)模塊4個(gè)部分組成，如圖1所示。

傳感器模塊采用的是瑞士Scnsirion公司推出的溫濕度傳感器SHT11，通過(guò)I2C接口與處理模塊相連;處理模塊控制其他模塊以及WSN 的路由協(xié)議、同步定位執(zhí)行和節(jié)點(diǎn)的功耗管理等;傳輸模塊主要由低功耗無(wú)線通信芯片CC2420及其外圍電路組成，軟件上運(yùn)行相應(yīng)的通信協(xié)議;能量供應(yīng)模塊采用2節(jié) 5號(hào)AA電池供電。

2 糧庫(kù)無(wú)線溫濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.1 處理模塊設(shè)計(jì)

ATmega128L是Atmel公司于2001年推出的采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)的基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位微控制器。該芯片內(nèi)部采用Harvard結(jié)構(gòu)，具有極低的能耗和豐富的資源;具有片內(nèi)128 KB的Flash存儲(chǔ)器、4 KB的SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（可外接擴(kuò)展到64 KB）和4 KB的E2PROM存儲(chǔ)器。該芯片還有8個(gè)10位ADC通道，2個(gè)8位和2個(gè)16位硬件定時(shí)/計(jì)數(shù)器，可在多種不同模式下工作;8個(gè)PWM通道、可編程看門狗定時(shí)器和片上振蕩器、片上模擬比較器;USART0/1、SPI、I2C總線接口;可以采用JTAG編程和ISP編程兩種方式。除正常工作模式外， ATmega128L還具有6種不同等級(jí)的低能耗操作模式，每種模式具有不同的能耗。因此ATmega128L非常適合于低能耗的應(yīng)用場(chǎng)合。處理模塊選用 AT-mega128L，其接口電路如圖2所示。

2.2 傳輸模塊設(shè)計(jì)

傳輸部分采用Chipcon公司的CC2420芯片。它是Chipcon公司推出的首款符合2.4 GHz IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器。該器件包括眾多額外功能，是第一款適用于ZigBee產(chǎn)品的RF器件。它基于Chipcon公司的SmartRF03 技術(shù)，以0.18 μm CMOS工藝制成，只需極少外部器件，性能穩(wěn)定且功耗極低;具有工作電壓低（2.1～3.6 V均可工作）、能耗低、體積小等非常適合于集成的特點(diǎn);采用QPSK調(diào)制方式，最大收發(fā)波特率250 kb/s，外部采用SPI的接口，可以直接和微處理器芯片ATmega128L相連接。傳輸模塊接口電路如圖3所示。

2.3 傳感器模塊設(shè)計(jì)

傳感器模塊采用的是數(shù)字溫濕度傳感器SHT11。該芯片主要特點(diǎn)如下：

①高度集成，將溫度感測(cè)、濕度感測(cè)、信號(hào)變換、A/D轉(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個(gè)芯片上;

②提供二線數(shù)字串行接口SCK和DATA，接口簡(jiǎn)單，支持CRC傳輸校驗(yàn)，傳輸可靠性高;

③測(cè)量精確度高，由于同時(shí)集成溫濕度傳感器，可以提供溫度補(bǔ)償?shù)臐穸葴y(cè)量值和高質(zhì)量的露點(diǎn)計(jì)算功能;

④封裝尺寸超小，測(cè)量和通信結(jié)束后，自動(dòng)轉(zhuǎn)入低功耗模式;

⑤高可靠性，采用CMOS工藝，測(cè)量時(shí)可將感測(cè)頭完全浸于水中。

處理模塊ATmega128L通過(guò)I2C接口與SHT11相連。

3 節(jié)點(diǎn)軟件檢測(cè)

對(duì)設(shè)計(jì)好的節(jié)點(diǎn)分模塊進(jìn)行軟件檢測(cè)，針對(duì)各個(gè)不同模塊編寫測(cè)試程序驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)工作的可靠性。檢測(cè)工具為AVR Studi04，硬件仿真器為JTAGICE。在進(jìn)行軟件測(cè)試之前，先要通過(guò)連接AVRStudi04找到ATmega128，然后將其熔絲位更改為外部時(shí)鐘，使其對(duì)應(yīng)于7.372 8 MHz晶振提供的時(shí)鐘源。編程方式選用JTAG編程。本文僅就外部晶振及指示燈、串口、溫濕度傳感器SHT11和CC2420無(wú)線通信的軟件檢測(cè)進(jìn)行說(shuō)明。完整的ZigBee協(xié)議棧由物理層、介質(zhì)訪問(wèn)控制層、網(wǎng)絡(luò)層、安全層和高層應(yīng)用規(guī)范組成。ZigBee協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)層、安全層和應(yīng)用程序接口等由 Zig-Bee聯(lián)盟制定。其中安全層（security）主要實(shí)現(xiàn)密鑰管理、存取等功能。應(yīng)用程序接口負(fù)責(zé)向用戶提供簡(jiǎn)單的應(yīng)用軟件接口（API），包括應(yīng)用子層支持（Application Sub-layger Support，APS）和ZigBee設(shè)備對(duì)象（ZigBee DeviceObject，ZDO）等，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層對(duì)設(shè)備的管理。其中協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)在介質(zhì)訪問(wèn)控制層定義實(shí)現(xiàn)，星型網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)層定義。用戶可針對(duì)不同的需要在應(yīng)用層自行定義開(kāi)發(fā)，也可參考引用已定義的一些簇（cluster）。ZigBee協(xié)議棧示意圖如圖4所示。

3.1 外部晶振及指示燈檢測(cè)

外部晶振及指示燈（黃燈）的部分檢測(cè)程序如下：

3.2 串口檢測(cè)

使用串口調(diào)試助手往串口發(fā)送數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)發(fā)送的數(shù)據(jù)被回傳。檢測(cè)程序如下：

3.3 溫濕度傳感器SHT11檢測(cè)

溫濕度傳感器SHT11的部分檢測(cè)程序如下：

3.4 002420啟動(dòng)和SPI初始化檢測(cè)

CC2420運(yùn)行是否正常是節(jié)點(diǎn)能否正常通信的關(guān)鍵。

4 總 結(jié)

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)針對(duì)現(xiàn)階段糧庫(kù)監(jiān)控出現(xiàn)的問(wèn)題，提出了基于CC2420的糧庫(kù)無(wú)線溫濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案。WSN作為新興的學(xué)科交叉研究領(lǐng)域，在區(qū)域監(jiān)測(cè)和采集數(shù)據(jù)等方面具有突出的優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。