摘  要： 為在完成溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的自動采集和調(diào)控，設計了基于無線傳感器網(wǎng)絡的溫室環(huán)境監(jiān)控方案,。介紹了溫室監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構,，分析了基于CC2431無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的硬件設計，并在此基礎上進行了TinyOS操作系統(tǒng)的移植和節(jié)點的軟件設計,。由于該無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點具有功耗低,、體積小、工作可靠,、易于擴展等優(yōu)點,，基于該無線傳感器網(wǎng)絡的溫室環(huán)境監(jiān)控方案有很好的應用前景。
關鍵詞： 溫室環(huán)境監(jiān)控,；無線傳感器網(wǎng)絡,；傳感器節(jié)點；CC2431,；TinyOS

    在日常生活中,，溫室環(huán)境種植已經(jīng)是人們生活中很常見的一個例子。傳統(tǒng)的溫室環(huán)境種植都是通過在溫室內(nèi)布置復雜的電線及相關的控制設備來實現(xiàn)對溫室環(huán)境的調(diào)控,。這為對農(nóng)作物進行施肥等活動造成了障礙,，可能會在這些活動中把電線弄斷，從而給系統(tǒng)通信帶來問題,。而利用無線傳感器網(wǎng)絡不需要經(jīng)過布線這個環(huán)節(jié),，避免了相關問題的出現(xiàn)，達到了對溫室環(huán)境進行監(jiān)控的要求，同時由于采用了基于CC2431的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點進行設計,，達到了無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點設計時外形小,、集成度高、功耗低,、速度快,、成本低的要求。
1 溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構
    溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構框圖如圖1所示,，網(wǎng)絡中采用傳感器測量節(jié)點和具有簡單執(zhí)行控制功能的控制節(jié)點構成無線傳感器網(wǎng)絡,。測量節(jié)點用來測量空氣溫度、濕度,、光照強度等重要環(huán)境數(shù)據(jù),，控制節(jié)點(能對調(diào)溫、調(diào)濕等設備進行相關控制)用來接收計算機傳來的遠程控制信息,，以便對溫室環(huán)境參數(shù)進行適當調(diào)控,。測量節(jié)點采集的數(shù)據(jù)沿著其他測量節(jié)點通過多跳的方式進行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個測量節(jié)點處理,，信息經(jīng)由多跳路由后到達匯聚節(jié)點,，匯聚節(jié)點將接收到的數(shù)據(jù)直接上傳到計算機，所有數(shù)據(jù)都由計算機進行復雜的數(shù)字信號處理,，并通過數(shù)據(jù)庫對傳感器網(wǎng)絡進行配置和管理,，發(fā)布監(jiān)測任務和收集監(jiān)測數(shù)據(jù)等信息，最后這些數(shù)據(jù)還可以通過Internet與遠程控制中心進行交互,，從而實現(xiàn)溫室環(huán)境的遠程監(jiān)控,。

2 CC2431簡介
    CC2431是TI公司的產(chǎn)品，它是一個真正的基于無線傳感器網(wǎng)絡ZigBee/IEEE802.15.4解決方案的片上系統(tǒng),，其內(nèi)部集成了CC2420射頻收發(fā)器,，工業(yè)標準增強型8051 MCU內(nèi)核，128 KB可編程閃存,，8 KB的RAM,，精確的定位引擎等豐富的片內(nèi)資源，支持硬件調(diào)試,，支持基于IAR7.20以上C51開發(fā)環(huán)境下的在線調(diào)試,，提供強大、靈活的開發(fā)工具,。CC2431體積小,、功耗低、集成度高,，非常適合于無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的設計,。它可工作在4種工作模式下，且工作模式之間的轉(zhuǎn)換時間較短，因而能夠滿足超低功耗系統(tǒng)設計的要求,。
3 傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的硬件
    傳感器網(wǎng)絡節(jié)點由傳感器測量節(jié)點,、控制節(jié)點和匯聚節(jié)點組成。測量節(jié)點負責采集周圍環(huán)境信息,，采集的環(huán)境信息經(jīng)多跳路由后到達匯聚節(jié)點,，最終通過Internet到達控制中心?？刂乒?jié)點用來接收計算機傳來的遠程控制信息,，對溫室環(huán)境參數(shù)進行調(diào)控。
3.1 測量節(jié)點硬件
    傳感器測量節(jié)點由傳感器模塊,、微處理器模塊,、無線通信模塊和電源模塊組成。其硬件結(jié)構框圖如圖2所示,。

    (1)傳感器模塊,。由不同類型的傳感芯片組成，具有對溫度,、濕度和光照強度的感知能力。其中溫,、濕度傳感器采用I2C總線數(shù)字式溫,、濕度傳感器SHTll，其體積小,、能耗低,、兩線數(shù)字接口、溫度量程為-40℃～85℃,、相對濕度量程為0％～100％RH,。光照強度傳感器選用TSL2550D，其功耗可以滿足無線傳感器低功耗系統(tǒng)設計的要求,，其總線也易于與CC2431接口,。
    (2)微處理器模塊。采用集成在CC2431內(nèi)部的8051 CPU,。集成的CPU有4種不同的內(nèi)存空間：代碼區(qū),、數(shù)據(jù)區(qū)、擴展數(shù)據(jù)區(qū)和特殊功能寄存器區(qū),，不同的內(nèi)存空間有利于代碼和數(shù)據(jù)的分離,，提高CPU對內(nèi)存的訪問速度。
    (3)無線通信模塊
    ①傳感器網(wǎng)絡節(jié)點在通信時消耗了大量的能量,，選擇一款低功耗的無線通信芯片將有效地降低通信模塊的能量消耗,。CC2431是一款符合ZigBee標準的低功耗通信芯片，具有快速喚醒和搜索外部設備功能，可以使節(jié)點更多地處于休眠狀態(tài)而節(jié)約功耗,，而且其信道頻率和功耗等參數(shù)可以靈活設置,。CC2431通信模塊的天線考慮到無線傳感器網(wǎng)絡通信質(zhì)量的要求，采用單極性天線,，單極性天線在差分輸出與天線之間要求使用“平衡-不平衡變壓器”,。
    ②無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點電源為電池供電系統(tǒng)，選用的電池為手機專用鋰電池,。為了使系統(tǒng)在電池供電時,，工作時間持續(xù)長，在設計電源模塊時要考慮到節(jié)點的節(jié)能問題,。CC2431提供4種電源管理模式：PM0,、PM1、PM2和PM3,，合理地使用這4種模式可有效地降低節(jié)點的能耗,。
    ③LED燈用于顯示傳感器節(jié)點的運行狀態(tài)。
    (4)電源模塊,。為其他模塊提供能源,。
3.2 控制節(jié)點
    控制節(jié)點由驅(qū)動器模塊、微處理器模塊,、無線通信模塊和電源模塊組成,。驅(qū)動器模塊能對調(diào)溫、調(diào)濕等設備進行相關控制,，其硬件結(jié)構框圖如圖3所示,。

3.3 匯聚節(jié)點的硬件研究
    匯聚節(jié)點由微處理器模塊、無線通信模塊,、存儲器模塊,、以太網(wǎng)接口模塊、串行接口模塊和電源模塊組成,，其硬件結(jié)構框圖如圖4所示,。

    (1)存儲器模塊由1片Atmel公司出品的AT45DB041組成，直接接入CC2431 SPI輸入端,。該芯片集成2 046頁×264 B Flash存儲單元,，用于存儲傳感器重要歷史數(shù)據(jù)。
    (2)為提供以太網(wǎng)的接入通道,，在該設計中,，使用DM9161作為以太網(wǎng)的物理層接口。DM9161是一款低功耗,、高性能的CMOS 芯片,，支持10 MB/s和100 MB/s的以太網(wǎng)傳輸,，它起編碼、譯碼,、輸入和輸出數(shù)據(jù)的作用,，這樣就可以將匯聚節(jié)點輕松連接到因特網(wǎng)以便于實現(xiàn)遠程控制。
    (3)串行接口模塊由1片低功耗MAX3232和COM母口組成,。CC2431串口端接入MAX3232進行電平轉(zhuǎn)換,，通過COM口與計算機進行通信。
    (4)由于匯聚節(jié)點需要融合處理所有采集節(jié)點采集的數(shù)據(jù),，并且需要將數(shù)據(jù)經(jīng)過較遠的距離傳輸?shù)接嬎銠C,，因而能量消耗較大，因此其電源采用從市電轉(zhuǎn)換后介入的方式供電,。
    (5)LED燈用于顯示匯聚節(jié)點的運行狀態(tài),。
4 TinyOS操作系統(tǒng)的移植
    嵌入式操作系統(tǒng)能夠簡化嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，確保程序運行的穩(wěn)定性和可靠性,，便于程序的維護和更新,，但是由于無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點是一個小型嵌入式系統(tǒng)，其硬件資源非常有限,，需要高效利用其有限的內(nèi)存,、處理器和通信模塊，并且最大限度地減少系統(tǒng)能耗,，延長節(jié)點的使用壽命,，因此傳統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)不能滿足其要求?；诖耍疚囊浦擦酸槍o線傳感器網(wǎng)絡特點而開發(fā)的操作系統(tǒng)TinyOS,。
4.1 TinyOS簡介
    TinyOS是加州大學伯克利分校開發(fā)的一種典型的無線傳感器網(wǎng)絡操作系統(tǒng),，通過nesC語言可以開發(fā)基于TinyOS的應用程序。TinyOS設計的目標就是代碼量小,、耗能低,、并發(fā)性高、魯棒性好,，可以適應不同的應用,，采用輕量級線程技術，事件驅(qū)動模式,，組件化編程等,，從而使其成為面向無線傳感器網(wǎng)絡的操作系統(tǒng)。TinyOS提供了Main配件,，以及針對某些硬件的感知組件,、執(zhí)行組件,、通信組件和硬件抽象組件。在這些組件的基礎上,，用戶可以定制開發(fā)應用組件,，然后將所有組件連接起來，就構成了整個應用程序,。
4.2 TinyOS的移植
    TinyOS操作系統(tǒng)有很多版本,，要移植的是TinyOS 2.0版本，采用的編譯器是Keil,。TinyOS 2.0必須在Linux平臺下才能工作,，而Keil則是一個Windows下的軟件，因此,，要安裝一個在Windows平臺上運行的模擬linux開發(fā)環(huán)境的軟件——Cygwin,。下面具體介紹移植步驟：
    (1)安裝SmartRF04 Flash Programmer、Keil,、Java 1.5 JDK,、Cygwin軟件；
    (2)下載TinyOS開發(fā)必備的編譯工具的安裝包,；
    (3)啟動Cygwin,，并在Cygwin下安裝下載好的編譯工具安裝包；
    (4)安裝TinyOS 2.0,。
    將下載好的TinyOS 2.0的安裝包解壓縮,，將解壓好的tinyos-2.0-contrib文件夾拷貝到Cygwin\opt目錄下，此時已經(jīng)搭建好了TinyOS的開發(fā)環(huán)境,。所有的例子都在tinyos-2.0-contrib/diku/common/apps/下面,。以BlinkNoTimerTask為例，在Cygwin下面輸入：cd/diku/common/apps/BlinkNoTimerTask,，然后回車輸入：make cc2431em,，如果順利的話，TinyOS將被編譯生成app.hex文件,，只要把這個文件燒錄進單片機就可以了,。
    (5)燒錄
    插好仿真器，打開SmartRF04 Flash Programmer軟件,，在System-on-Chip選項卡下選擇app.hex文件,，然后選擇“Perform actions”就可以順序燒寫了，燒寫成功后,，TinyOS就成功移植到CC2431上了,。
5 傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的軟件設計
    傳感器測量節(jié)點的主要功能就是接收PC機采集數(shù)據(jù)的指令、采集數(shù)據(jù),，然后將采集的數(shù)據(jù)通過無線信道發(fā)送出去,。匯聚節(jié)點的功能就是創(chuàng)建無線網(wǎng)絡,，配置網(wǎng)絡節(jié)點屬性，接收傳感器測量節(jié)點采集的數(shù)據(jù),，然后通過串口上傳到計算機,。傳感器測量節(jié)點程序結(jié)構流程圖如圖5所示，匯聚節(jié)點程序結(jié)構流程圖如圖6所示,。

    在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,，隨著規(guī)模化經(jīng)營的出現(xiàn),，可能會建有很多個溫室,，根據(jù)應用的設計，在每個溫室中都建有一個無線傳感器網(wǎng)絡,，由于溫室中的環(huán)境都比較相似,，因而，每個溫室中的無線傳感器網(wǎng)絡的功能和技術也都是一樣的,。如果所有溫室都通過控制中心的計算機來進行統(tǒng)一管理,，可以大大提高了工作效率，使溫室管理更加科學,，控制更加簡單,，從而達到提高作物產(chǎn)量、改善品質(zhì),、調(diào)節(jié)生長周期,、提高經(jīng)濟效益的最終目的。而本文介紹的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點具有功耗低,、體積小,、工作可靠、易于擴展等優(yōu)點,，基于該無線傳感器網(wǎng)絡的溫室環(huán)境監(jiān)控方案將會有很好的應用前景,。
參考文獻
[1] 劉玉英，史旺旺.基于CC2430溫濕度監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡設計[J].微計算機信息,，2009，25(10):130-131.
[2] 李昊生,，王汝傳,，沙超.基于CC2431的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的設計[J].電子工程師，2008,，34(12):63-67.
[3] 莊雄,，楊永明，丁偉.基于CC2431的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點設計[J].電子技術應用,，2008,，34(6)：98-101.
[4] 張保華,，李士寧，滕文星,，等.基于無線傳感器網(wǎng)絡的溫室測控系統(tǒng)研究設計[J].微電子學與計算機,，2008，25(5):154-157.
[5] 宋寶業(yè),，許琳．帶定位引擎的射頻芯片CC2431[J]．單片機與嵌入式系統(tǒng)應用,，2007(11):44-46.
[6] 王殊，閻毓杰,，胡富平,，等.無線傳感器網(wǎng)絡的理論及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.