农田环境信息监测的无线传感器网络节点设计

２０１１年第３０卷第４期　传感器与微系统（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ　ａｎｄ　Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）８７　设　计　与　～翩～　造　农田环境信息监测的无线传感器网络节点设计　熊伟丽，贾　岩，邵金涛，徐保国　（江南大学物联网工程学院自动化系，江苏无锡２１４１２２）　摘要：针对电子信号干扰、能耗大等因素对通信能力造成的影响，设计了基于低功耗微处理器ＭＳＰ４３０　的无线传感器网络节点。通过使用ＭＣＵ的不同工作模式和对无线射频模块的不同状态等节能措施，增强　了节点通信能力，大幅度降低了节点的能耗。经过背景项目实际农田环境的测试证明：节点不仅能够完成　对农田环境要求信息进行准备采集，网络通信效率也得到了很大提高。　关键词：无线传感器网络；农田环境；节点；能耗　中图分类号：ＴＰ　３９３　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００－９７８７（２０１１）０４－００８７－０３　Ｄ　‘Ｄｅｓｉｔ　ｍ　０ｆ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ￣０ｔ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒ　Ｓ　ｎｏ　ｅｓ　Ｉ－，ｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ　ｎｏｄｅｓ　ｆｃ　ｆａｏｒ［ａｒｍ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　●　・　■・　●；　ＸＩＯＮＧ　Ｗｅｉ－ｌｉ，ＪＩＡ　Ｙａｎ，ＳＨＡＯ　Ｊｉｎ—ｔａｏ，ＸＵ　Ｂａｏ—ｇｕｏ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｉｎｔｅｒｎｅｔ　ｏｆ　Ｔｈｉｎｇｓ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｊｉａｎｇｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，　Ｗｕｘｉ　２１４１２２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ　ａｔ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｓｉｇｎａｌ，ｌａｒｇｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｆ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　ｃａｐａｂｉｌｉｔｉｅｓ，ａ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ　ｎｏｄｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｌｏｗ—ｐｏｗｅｒ　ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ＭＳＰ４３０　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｕｓｉｎｇ　ｅｎｅｒｇｙ—ｓａｖｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ＭＣＵ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅ　ａｎｄ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｍｏｄｕｌｅ　ｓｔａｔｕｓ，ｔｈｅ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ　ｉｓ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｏｆ　ｎｏｄｅ　ｉｓ　ｒｅｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ　ａｃｔｕａｌ　ｔｅｓｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ　ｃａｎ　ｇｅｔ　ａｃｃｕｒａｔｅ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ　ｏｆ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ；ｆａｒｍ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ；ｎｏｄｅ；ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　０引　言　的无线传感器节点。ＭＳＰ４３０控制传感器采集农田土壤环　境参数，由无线收发模块ＮＲＦｇ０５将数据发送给相邻节点，　数据经无线传感器网络节点的多级转发最终送回主机，实　现对农田土壤环境的监测。　１硬件设计　无线传感器网络有传感器节点、汇聚节点２种，传感器　农田环境信息的准确掌握，对调高农作物的产量和效　益起到很重要的作用。无线传感器网络可以借助于节点中　内置的各种传感器来测量农田环境的温度、湿度、盐碱度等　环境参量。在无线传感器网络中，可能由于障碍物或电子　信号的干扰使得节点通信受影响；可能由于节点的能耗问　题影响了节点的工作　Ｊ。因此，如果设计一种能耗低，而　且通信能力强的传感器节点，实时得到准确的环境信息，则　可以对农田环境进行有效的控制。　节点负责采集农田环境信息，然后由汇聚节点发送给ＰＣ　机。　对传感器节点，一方面硬件必须低功耗，采用无线传输　且通信能力强；另一方面，软件必须支持多跳的路由协议。　ＩＥＥＥ　８０２．１５．４／Ｚｉｇ　Ｂｅｅ协议充分考虑了无线传感器网络　１．１传感器节点硬件设计　硬件结构包括微处理器模块、射频通信电路（ＲＦ）模　块、传感器模块、电源模块等４部分，传感器将农田环境信　的应用要求，是目前被业界普遍看好的一种无线通信协　议　。基于这些基本的思想，本文设计了以ｌ６位单片机　息转换为电信号，然后经过Ａ／Ｄ转换，微处理器将该信息　处理后通过无线传输单元传给汇聚节点　。硬件结构如　图１所示。　ＭＳＰ４３０为核心，结合外围传感器和无线收发模块ＮＲＦ９０５　收稿日期：２０１０－０８－１６　基金项目：国家“８６３”计划资助项目（２００６ＡＡ１０Ａ３０１）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（ＪＵＳＲＰ１０９２７）　８８　传感器与微系统　第３Ｏ卷　ＳＨＴ１０是一种高度集成的温湿度传感器芯片，提供全　量程标定的数字输出。该传感器包括１只电容性聚合体湿　度敏感元件和１只用能隙材料制成的温度敏感元件，这　２只敏感元件与１个１４位的Ａ／Ｄ转换器以及１个串行接　口电路设计在同一个芯片上面。因此，该传感器具有响应　时间快、精度高（湿度精度为±２．０％ＲＨ，温度精度为　±Ｏ．４Ｏ℃）、抗干扰能力强、低功耗等特点　Ｊ。另外，ＳＨＴＩＯ　图１传感器节点的硬件结构图　数字式传感器具有Ｉ　Ｃ总线数字接口与循环冗余码（ＣＲＣ）　Ｆｉｇ　１　Ｈａｒｄｗａｒｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｏｄｅ　１．１．１微处理器模块　一种集成Ａ／Ｄ转换功能的微控制器是合适的选择，它　即可简化设计又可节约能耗。另外，芯片还需要有足够的　处理能力、程序空间及数据空间　。　ＭＳＰ４３０系列微控制器是一种高集成度、功能丰富、功　耗低的１６位微控制器，它具有丰富的片内资源、多种节能　工模式和对Ｃ语言程序设计的支持，使得ＭＳＰ４３０系列微　控器非常适合于应用在嵌入式系统中。其内部集成有８路　１２位ＡＤ输入、２个ＳＰＩ接口（与ＮＲＦ９０５通信用）、６０　ｋ的　程序存储空间和２ｋ的ＲＡＭ。　ＭＳＰ４３０系列低功耗微控制器具有５种节电模式，每种　模式有不同的电源消耗。不同的操作模式、模式之间的切　换和在每种模式工作的时长决定了微控制器的能耗。在本　设计中充分考虑和利用了处理器的节电特性，合理进行了　工作模式切换，在保证处理能力和响应速度的同时，延长了　电池寿命。　１．１．２射频模块　传感器节点的射频模块采用挪威Ｎｏｒｄｉｃ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　新推出的４３３／８６８／９１５　ＭＨｚ射频收发芯片ｎＲＦ９０５。　ｎＲＦｇ０５工作电压为１．９－３．６　Ｖ，它采用优化的ＧＭＳＫ调制　技术，工作于４３３／８６８／９１５　ＭＨｚ　３个ＩＳＭ频道，频道之间的　转换时间小于６５０　ｓ。ｎＲＦｇ０５由频率合成器、接收解调器、　功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，ＳｈｏｃｋＢｕｒｓｔＴＭ工作　模式，自动处理字头和ＣＲＣ（循环冗余码校验），使用ＳＰＩ接　口与微控制器通信，配置非常方便。ｎＲＦｇ０５功耗非常低，　以－１０ｄＢｍ的输出功率发射时电流只有１１　ｍＡ，工作于接　收模式时的电流为１２．５　ｍＡ，内建空闲模式与关机模式，易　于实现节能。　无线传输单元工作在４种状态，即发送、接收、空闲和　休眠。空闲状态也具有很高的功耗，几乎与接收模式不相　上下。在设计中采用了动态定时和应答机制，在保证传输　的前提下，尽量让无线传输单元处于休眠状态。　１．１．３传感器模块　温度传感器ＤＳ１８Ｂ２０是一种新型数字温度传感器，外　部电路非常简单，使用一个总线接口。其测量范围为－５５—　１２５℃，在－－１０－８５℃之间的测量精度为±Ｏ．５　ｏＣ，分辨率最　大可以设计为１２位，测量数据准确可靠。　数据传输校验，使它可以很方便地与其它微处理器、微控制　器等系统直接接口，很大程度上增加了对传感器接口开发　的方便性与可靠性。　１．２汇聚节点硬件设计　无线传感器网络中汇聚节点起着至关重要的作用，所有　传感器采集的信息需要通过汇聚结点传送给Ｐｃ机。汇聚节　点负责转发上层命令，接收下层节点请求和数据，具有数据　融合、路由选择等功能　。汇聚节点的硬件结构如图２。　抽　器模块　射频通信电路模块　ｆ…～…—］　嘲决　图２汇聚节点的硬件结构图　Ｆｉｇ　２　Ｈａｒｄｗａｒｅ　ｓｔｕｒｃｔｕｒａｌ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　Ｓｉｎｋ　ｎｏｄｅ　２软件设计　传感器节点上的软件负责完成现场数据的采集和通过　无线通信模块将采集数据包无线传送，传感器节点遵循休　眠一被唤醒一正常工作的工作模式　Ｊ。在休眠状态下，处理　器停止工作，而ＳＲＡＭ，ＳＰＩ端口以及中断系统继续工作，无　线模块处于低电流的接收状态。在无线模块接收到汇聚节　点或是临近节点发出的命令后，传感器节点被唤醒，处理器　对命令进行节点号判断，如果命令的对象是当前传感器节　点，则传感器节点进入工作状态，否则，传感器节点对命令　进行转发后再次进入休眠状态。传感器节点的工作流程如　图３所示。　图３传感器节点的工作流程　Ｆｉｇ　３　Ｗｏｒｋｉｎｇｆｌｏｗ　ｃｈａｒｔｏｆｓｅｎｓｏｒ　ｎｏｄｅ　第４期　熊伟丽，等：农田环境信息监测的无线传感器网络节点设计　８９　３测试结果与分析　１００　３．１　能耗　９５　姗　９Ｏ　经过实验，传感器节点在不同状态下能耗如表ｌ。　同　８５　表１节点能耗数据　８０　Ｔａｂ　１　Ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｄａｔａ　ｏｆ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｏｄｅ　７５　节点数　图５收包率仿真与实际测试数据　Ｆｉｇ　５　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ＲＸＤ　ａｎｄ　ａｃｔｕａｌ　ｔｓｅｔ　ｄａｔａ　４结论　基于低功耗微处理器ＭＳＰ４３０进行了应用于农田土壤环　境监测的无线传感器网络节点的设计，并进行了收包率的仿　真，与实测数据进行了对比，设计达到了预期的目标。该系　由表１可知，系统各模块的工作状态对系统的能耗影　统的设计与研究能够进一步提高农田土壤信息监测的自动　响较大。在关闭收发电路的情况下能节约大量能量，在微　化水平，对于推广农田土壤信息化具有重要的指导意义。　处理器处于休眠状态和其他模块均关闭的情况下能耗最　参考文献：　小。　［１］　Ｗａｎｇ　Ｎ，Ｚｈａｎｇ　Ｎ　Ｑ，Ｗａｎｇ　Ｍ　Ｈ．Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒｓ　ｉｎ　ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ　３．２收包率　ａｎｄ　ｆｏｏｄ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ　ｒｅｃｅｎｔ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｆｕｔｕｒｅ　ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ［Ｊ］．　为评估平台的收包情况，通过Ｍａｔｌａｂ对其收包率进行　Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　ｉｎ　Ａ　ｃｕｌｔｕｒｅ，２００６，５０：ｌ－－１４．　了仿真。该仿真实验是通过在一个ａ×ａ的区域中随机散　［２］马祖长，孙怡宁，梅涛．无线传感器网络综述［Ｊ］．通信学　布ｎ个节点构成一个连通图，然后，随机选取ａ／ｌＯ个节点　报，２００４，２５（４）：１１４－－１２４．　作为汇聚节点（至少有一个汇聚节点），无线传输覆盖半径　［３］任丰原，黄海宁，林　闯．无线传感器网络［Ｊ］．软件学报，　２００３，１４（７）：１２８２－－１２９１．　为２ａ／ｎ并保证无盲区。仿真结果如图４所示。　［４］孙利民．无线传感器网络［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００５：　２７９－－２８０．　褂　［５］　李栋，张林，徐保国．无线温室信息监测系统设计［Ｊ］．微　计算机信息，２００９，２５（２－－３）：３８－－３９，６３．　［６］金保华，张勇，崔光照．基于ｎＲＦｇ０５的无线数据多点跳传　通信系统［Ｊ］．仪表技术与传感器，２００４，９：３９－－４０．　节点数　［７］赵明，徐科军，倪伟，等．一种无线传感器网络节点设计　图４收包率仿真结果　和通信协议研究［Ｊ］．仪器仪表学报，２００５，２６（８）：６３０－－６３５．　Ｆｉｇ　４　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ＲＸＤ　ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ　［８］Ｌｅｅ　Ｋ．Ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ　ａｎｄ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ［Ｃ］∥Ｐｒｏ—　根据仿真条件用了４０个节点进行了实际测试，仿真与　ｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　实际测试的收包率比较如图５所示。　（ＩＭＴＣ），Ｂｕｄａｐｅｓｔ，Ｈｕｎｇａｒｙ，２００１：２１－－２３．　由图５可以看出：仿真数据与测试数据基本一致，由于　作者简介：　仿真结果是在理想状态下的结果，由于受现实农田环境条　熊伟丽（１９７８一），女，河南洛阳人，副教授，硕士生导师，主要　件的限制，实际收包率要比仿真结果低一些。　研究方向为智能控制与优化、无线传感器网络路由算法。　ｐ　≥　（上接第７８页）　［８］　Ｙａｎｇ　Ｘｉａｏｄｏｎｇ，Ｆｅｎｇ　Ｌｉｎｌｉｎ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｆｉｅｌｄ　ｏｆ　［５］　Ｗａｎｇ　Ｊｕｎｈｏｎｇ，Ｍｅｉ　Ｋ　Ｋ．Ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｌｅａｋｙ　ｃｏａｘｉａｌ　ｌｅａｋｙ　ｃｏａｘｉａｌ　ｃａｂｌｅ　ｕｓｉｎｇ　ＦＤＴＤ［Ｃ］∥Ｔｈｅ　４ｔｈ　ＩＥＥＥ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　ｃａｂｌｅｓ　ｗｉｔｈ　ｐｅｒｉｏｄｉｃ　ｓｌｏｔｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ａｎｔｅｎｎａｓ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ　ａｎｄ　Ｍｏｂｉｌｅ　Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，Ｄａｌｉａｎ，２００８．　ａｎｄ　Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ，２００１，４９（１２）：１７２３－－１７３２．　［９］Ｔｅｉｘｅｉｒａ　Ｆ　Ｌ，Ｃｈｅｗ　Ｗ　Ｃ．ＰＭＬ．ＦＤＴＤ　ｉｎ　ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ　ａｎｄ　ｓｐｈｅｒｉｃａｌ　［６］　季忠，黎滨洪，王豪行，等．用射线跟踪法对室内电波传播　ｄｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　ａｎｄ　Ｇｕｉｄｅｄ　Ｗａｖｅ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，１９９７，　进行预测［Ｊ］．电波科学学报，１９９９，１４（２）：１６０－－１６４．　７（１１）：２８５－－２８７．　［７］　张昕，杨晓冬，郭黎利，等．适用于闭域或半闭域空间无线　作者简介：　通信用泄漏电缆研究［Ｊ］．哈尔滨工程大学学报，２００５，　冯琳琳（１９８１一），女，河北武安人，博士研究生，研究方向为天　２６（５）：６７２－－６７４．　线与电波传播。