基于單片機的糧庫無線溫濕度傳感器網絡的監(jiān)測節(jié)點設計

引 言

科學儲糧是糧食生產的一個重要環(huán)節(jié)，若管理不當，糧食發(fā)霉或生蟲會造成極大的浪費。糧庫管理中最重要的問題是監(jiān)測糧堆中的溫、濕度變化。國家為糧食儲藏每年支付很高的費用，主要是因為監(jiān)測設備的成本過高，管理方式不夠先進。隨著無線通信網絡技術及傳感器技術的發(fā)展，使得研制低成本的先進糧庫溫濕度監(jiān)測方法成為現(xiàn)實。無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）是將大量低功耗、低成本的無線傳感器節(jié)點布置到相關區(qū)域，各傳感器節(jié)點通過自組織快速形成的一種分布式網絡。WSN具有廣闊的應用前景，例如災難預警與救助、環(huán)境監(jiān)測和生物多樣化勘測、智能樓宇、設備管理、機器監(jiān)視和維護、運輸和信息通信業(yè)務等。在糧庫中構建無線傳感器網絡，就可以實現(xiàn)對糧庫各處溫濕度的低成本、高效監(jiān)測。其中的傳感器節(jié)點是組成糧庫WSN的基本單位，節(jié)點將采集的溫濕度數據傳送給相鄰節(jié)點，根據采用的路由協(xié)議最終傳送到匯聚節(jié)點（sink）。匯聚節(jié)點解析接收到的數據，連接到因特網上實現(xiàn)信息的更廣泛傳遞。由此可知，節(jié)點的設計直接影響到糧庫WSN的性能。出于糧庫WSN低功耗、低成本的考慮，通常采用8位單片機為節(jié)點CPU。本設計實現(xiàn)了以高檔8位AVR單片機ATmega128L為核心，結合外圍溫濕度傳感器SHT11和無線收發(fā)芯片CC2420的糧庫無線傳感器網絡節(jié)點。

1 節(jié)點結構

糧庫無線溫濕度傳感器網絡節(jié)點主要功能是采集糧庫溫濕度數據，并將數據發(fā)送給匯聚節(jié)點。它由傳感器模塊、處理模塊、傳輸模塊和能量供應模塊4個部分組成，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)點的功耗管理等;傳輸模塊主要由低功耗無線通信芯片CC2420及其外圍電路組成，軟件上運行相應的通信協(xié)議;能量供應模塊采用2節(jié) 5號AA電池供電。

2 糧庫無線溫濕度傳感器網絡節(jié)點設計

2.1 處理模塊設計

ATmega128L是Atmel公司于2001年推出的采用低功耗CMOS工藝生產的基于AVR RISC結構的8位微控制器。該芯片內部采用Harvard結構，具有極低的能耗和豐富的資源;具有片內128 KB的Flash存儲器、4 KB的SRAM數據存儲器（可外接擴展到64 KB）和4 KB的E2PROM存儲器。該芯片還有8個10位ADC通道，2個8位和2個16位硬件定時/計數器，可在多種不同模式下工作;8個PWM通道、可編程看門狗定時器和片上振蕩器、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用場合。處理模塊選用 AT-mega128L，其接口電路如圖2所示。

2.2 傳輸模塊設計

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標準的射頻收發(fā)器。該器件包括眾多額外功能，是第一款適用于ZigBee產品的RF器件。它基于Chipcon公司的SmartRF03 技術，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;采用QPSK調制方式，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 傳感器模塊設計

傳感器模塊采用的是數字溫濕度傳感器SHT11。該芯片主要特點如下：

①高度集成，將溫度感測、濕度感測、信號變換、A/D轉換和加熱器等功能集成到一個芯片上;

②提供二線數字串行接口SCK和DATA，接口簡單，支持CRC傳輸校驗，傳輸可靠性高;

③測量精確度高，由于同時集成溫濕度傳感器，可以提供溫度補償的濕度測量值和高質量的露點計算功能;

④封裝尺寸超小，測量和通信結束后，自動轉入低功耗模式;

⑤高可靠性，采用CMOS工藝，測量時可將感測頭完全浸于水中。

處理模塊ATmega128L通過I2C接口與SHT11相連。

3 節(jié)點軟件檢測

對設計好的節(jié)點分模塊進行軟件檢測，針對各個不同模塊編寫測試程序驗證節(jié)點工作的可靠性。檢測工具為AVR Studi04，硬件仿真器為JTAGICE。在進行軟件測試之前，先要通過連接AVRStudi04找到ATmega128，然后將其熔絲位更改為外部時鐘，使其對應于7.372 8 MHz晶振提供的時鐘源。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無線通信的軟件檢測進行說明。完整的ZigBee協(xié)議棧由物理層、介質訪問控制層、網絡層、安全層和高層應用規(guī)范組成。ZigBee協(xié)議棧的網絡層、安全層和應用程序接口等由 Zig-Bee聯(lián)盟制定。其中安全層（security）主要實現(xiàn)密鑰管理、存取等功能。應用程序接口負責向用戶提供簡單的應用軟件接口（API），包括應用子層支持（Application Sub-layger Support，APS）和ZigBee設備對象（ZigBee DeviceObject，ZDO）等，實現(xiàn)應用層對設備的管理。其中協(xié)調器和終端節(jié)點在介質訪問控制層定義實現(xiàn)，星型網絡的實現(xiàn)在網絡層定義。用戶可針對不同的需要在應用層自行定義開發(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

外部晶振及指示燈（黃燈）的部分檢測程序如下：

3.2 串口檢測

使用串口調試助手往串口發(fā)送數據，可以發(fā)現(xiàn)發(fā)送的數據被回傳。檢測程序如下：

3.3 溫濕度傳感器SHT11檢測

溫濕度傳感器SHT11的部分檢測程序如下：

3.4 002420啟動和SPI初始化檢測

CC2420運行是否正常是節(jié)點能否正常通信的關鍵。

4 總 結

本系統(tǒng)的設計針對現(xiàn)階段糧庫監(jiān)控出現(xiàn)的問題，提出了基于CC2420的糧庫無線溫濕度傳感器網絡監(jiān)測節(jié)點的設計方案。WSN作為新興的學科交叉研究領域，在區(qū)域監(jiān)測和采集數據等方面具有突出的優(yōu)點，具有廣闊的應用前景。