李樹江，段岳非

（沈陽工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870）

近些年來，可控環(huán)境農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)研究不斷發(fā)展，目的是研制適應(yīng)中國的可控環(huán)境自動控制系統(tǒng)、信息自動采集系統(tǒng)[1]。通過檢測植物的生長環(huán)境中的各因子，根據(jù)環(huán)境因子的變化做出符合植物生長規(guī)律、利于產(chǎn)出的環(huán)境因子的調(diào)整。針對溫室大棚的空氣溫濕度、土壤濕度、光照和CO2濃度等環(huán)境因子的綜合信息采集監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)[2]，在提高產(chǎn)量與品質(zhì)中將發(fā)揮巨大作用。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在溫室大棚可控環(huán)境中各信息量采集的環(huán)節(jié)上起到了革命性的作用。應(yīng)用無線通信控制傳感器采集信息，從有線到無線，大大方便了設(shè)施農(nóng)業(yè)的建設(shè)[3]。溫室大棚內(nèi)監(jiān)控環(huán)境參數(shù)多為小信息量、多信息點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信，應(yīng)用傳統(tǒng)無線方式成本高、體積大，而傳感器技術(shù)也向更小、更方便使用的方向發(fā)展，集成度及能耗成為主要的考慮因素[4]。因此，滿足低成本、小體積、低能耗、低傳輸速率的近距離無線通信技術(shù)日益受到青睞，具有代表性的芯片是CC2430，它是一款專門針對2.4 GHz IEEE 802.15.4應(yīng)用的片上系統(tǒng)，很好地滿足了要求。它是一種近距離、低功耗和低成本芯片，高度集成了無線射頻、微控制器、內(nèi)存、A/D轉(zhuǎn)換器、看門狗定時(shí)器及休眠定時(shí)器等部件，特別適合電池供電的應(yīng)用領(lǐng)域[5]。TinyOS是一個(gè)針對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的小型嵌入式操作系統(tǒng)，通過它可實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)通信，傳感器數(shù)據(jù)采集，網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議等功能[6]。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括前端傳感器節(jié)點(diǎn)、信息匯聚節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)。傳感器節(jié)點(diǎn)對其配備的傳感器進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)幀，同時(shí)基于無線路由通信協(xié)議組網(wǎng)通信，把數(shù)據(jù)發(fā)送到鄰近節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有路由功能，轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)到信息匯聚節(jié)點(diǎn)。信息匯聚節(jié)點(diǎn)必須在這個(gè)無線通信網(wǎng)絡(luò)中，并且是網(wǎng)絡(luò)的信息匯集中心。每收集到一個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，通過串口發(fā)送到上位機(jī)。上位機(jī)采用基于ARM的嵌入式Linux，同時(shí)運(yùn)行兩個(gè)任務(wù)，一個(gè)是實(shí)時(shí)讀取串口數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，另一個(gè)是通過LCD顯示處理后的結(jié)果，即溫室大棚內(nèi)各點(diǎn)傳感器測量的環(huán)境因子。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)含有匯聚節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)兩種節(jié)點(diǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，節(jié)點(diǎn)的無線通信是節(jié)點(diǎn)的必要功能。本系統(tǒng)中的CC2430是集高性能的8051核及CC2420射頻核心為一體的芯片，即系統(tǒng)設(shè)計(jì)中節(jié)點(diǎn)的處理器及無線通信單獨(dú)成為一個(gè)模塊。因此匯聚節(jié)點(diǎn)與傳感器節(jié)點(diǎn)都包含此核心模塊。

2.1 核心模塊

根據(jù)TI公司提供的CC2430的詳細(xì)使用手冊，這部分電路主要分為芯片最小工作系統(tǒng)電路、無線電射頻及天線電路、外部接口和調(diào)試接口3個(gè)部分。核心模塊的電路原理圖如圖2所示。

CC2430引腳特別小，封裝為QLP48。為保證芯片的穩(wěn)定工作，其外圍電路的器件選擇要滿足芯片手冊要求，并且電源必須適當(dāng)?shù)娜ヱ睿ヱ铍娙莸奈恢煤痛笮?，以及電源的過濾，對CC2430達(dá)到最佳性能都是關(guān)鍵條件。CC2430有3種型號，以內(nèi)部Flash大小劃分，本系統(tǒng)采用的是片內(nèi)Flash規(guī)格為128 KB的CC2430。

2.2 傳感器節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)的區(qū)別在于：傳感器節(jié)點(diǎn)包含傳感器接口電路，匯聚節(jié)點(diǎn)不包含該電路而具有串口通信電路，如圖3所示。傳感器節(jié)點(diǎn)包括空氣溫濕度、光照強(qiáng)度和土壤含水率3種類型。由于節(jié)點(diǎn)、傳感器類型和供電不同，因此分開進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。

圖3 節(jié)點(diǎn)硬件框圖

2.2.1 溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)

圖2 核心模塊電路原理圖

空氣溫濕度傳感器采用SHT10，它是一款數(shù)字式傳感器，具有符合I2C標(biāo)準(zhǔn)的兩線制數(shù)據(jù)通信接口，控制器通過發(fā)送指令即可對其操作。其內(nèi)部包含溫度感測和濕度感測器件、信號放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和校準(zhǔn)存儲器。其體積小，采用CMOS工藝，可靠性更高。SHT10供電電壓為直流2.4 V～5.5 V，功耗低，特別適用于電池供電的傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)用。

2.2.2 光照強(qiáng)度和土壤含水率傳感器節(jié)點(diǎn)

光照強(qiáng)度傳感器采用了魏圖農(nóng)業(yè)科技的WLSTH100傳感器，輸入線電阻高，線性度好。其抗干擾能力強(qiáng)，可長距離應(yīng)用。供電電壓為直流12 V，輸出信號為4～20mA。

土壤含水率傳感器采用了魏圖農(nóng)業(yè)科技的SWCP系列土壤水分傳感器，該系列傳感器的特點(diǎn)是響應(yīng)速度快、工作穩(wěn)定、精度高且使用方便。其供電電壓為12 V，輸出信號為 0～2 V。

這兩種傳感器應(yīng)用方式類似，因此電路原理一樣，只是接口有所區(qū)別。此節(jié)點(diǎn)電路包括降壓電路、繼電器控制電路及信號調(diào)理電路。調(diào)理電路的作用是把傳感器輸出的電壓或電流信號轉(zhuǎn)變成統(tǒng)一的符合CC2430內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換范圍的電壓信號，通過運(yùn)放實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

2.2.3 匯聚節(jié)點(diǎn)

匯聚節(jié)點(diǎn)包含核心模塊插槽、降壓電路及串行接口電路。電源采用外接5 V直流電源供電。外接串行接口電路主要由MAX3232構(gòu)成。

2.3 上位機(jī)的結(jié)構(gòu)與功能

上位機(jī)選用TQ2440開發(fā)板作為實(shí)驗(yàn)平臺，其硬件資源比較豐富，在這里主要應(yīng)用其串行通信接口及LCD觸摸屏，實(shí)現(xiàn)串口讀取數(shù)據(jù)和LCD屏幕顯示數(shù)據(jù)信息。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)是基于TinyOS操作系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的，需要將TinyOS移植到CC2430上。通過添加和修改TinyOS系統(tǒng)的部分源碼，編譯形成可執(zhí)行文件，下載到CC2430內(nèi)部Flash。移植TinyOS的同時(shí)添加應(yīng)用程序代碼，即實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)功能。TinyOS由nesC語言編寫，nesC應(yīng)用程序是由一個(gè)或多個(gè)組件連接起來實(shí)現(xiàn)的，組件之間的配合通過組件提供和使用的接口來完成。nesC的組件有模塊和配置兩種形式。模塊是具體的功能實(shí)現(xiàn)和對外部操作的代碼，提供一個(gè)或多個(gè)接口，模塊內(nèi)也可以包含其他內(nèi)部可重用組件的接口；配置的作用是組裝組件，對組件間要對接和關(guān)聯(lián)的接口進(jìn)行連接。

3.1.1 開發(fā)環(huán)境的建立及移植

建立工具鏈，安裝的軟件有Keil C51 7.50A、Java 2 SDK v1.5、Cygwin，把TinyOS的編譯工具的安裝包安裝到Windows XP下的Cygwin環(huán)境中，TinyOS8051wg-0.1pre4.tgz解壓到 Cygwin環(huán)境中[7]。

TinyOS是一個(gè)具有層次體系結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)，不同層有不同的組件。組件對不同層次的抽象和平臺相關(guān)的組件就是底層硬件的抽象[8]。在CC2430上移植工作就是添加底層硬件的抽象，能夠和系統(tǒng)組件和庫組件連接應(yīng)用。

3.1.2 傳感器節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)程序

傳感器節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用程序主要包含無線通信協(xié)議棧代碼程序、發(fā)送與接收數(shù)據(jù)程序以及傳感器驅(qū)動程序三部分。無線通信協(xié)議棧代碼實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)，負(fù)責(zé)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立及維護(hù)[9]；發(fā)送與接收數(shù)據(jù)程序負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀，發(fā)送或接收鄰近節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)；傳感器驅(qū)動程序?qū)鞲衅鞑僮?，獲得環(huán)境因子的原始轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。圖4為CC2430內(nèi)部ADC的程序流程圖。

圖4 CC2430內(nèi)部ADC程序流程

匯聚節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用程序主要包含無線通信協(xié)議棧代碼程序、發(fā)送與接收數(shù)據(jù)程序、串口驅(qū)動程序及串口發(fā)送和接收程序三部分。

3.2 上位機(jī)軟件編程及操作界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用嵌入式Linux系統(tǒng)，基于QT4.5編寫界面與應(yīng)用程序，應(yīng)用多線程編程方式，以實(shí)現(xiàn)界面顯示與串口讀取數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行[10-11]。主界面包含序號、位置、類型、數(shù)值和單位5項(xiàng)，可同時(shí)顯示5個(gè)不同傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，序號可以通過自選框的上下箭頭改變。界面下有日期與時(shí)間顯示。按鈕設(shè)置了設(shè)置鍵、啟動鍵和停止鍵3個(gè)。

4 系統(tǒng)測試

首先測試傳感器節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)功能，連接硬件，匯聚節(jié)點(diǎn)與PC串口連接，在Linux系統(tǒng)下運(yùn)行采集程序，界面效果與數(shù)據(jù)顯示如圖5所示。

圖5 Linux系統(tǒng)運(yùn)行界面

測試成功后，移植到開發(fā)板，需要重新定義串口，編譯下載，設(shè)置程序開機(jī)自啟動。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，程序運(yùn)行正常，可應(yīng)用觸摸屏操作界面。圖6為系統(tǒng)硬件圖。

圖6 系統(tǒng)硬件圖

應(yīng)用多線程編程可使上位機(jī)界面響應(yīng)觸摸操作速度快，基于CC2430芯片設(shè)計(jì)制作的模塊電路運(yùn)行良好，焊接所用焊錫以及貼片電阻、電容品質(zhì)很關(guān)鍵。實(shí)驗(yàn)證明，所設(shè)計(jì)無線模塊傳輸距離在都10 m以上。本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡潔，傳感器功耗低，滿足了節(jié)能的需求。

[1]杜尚豐，李迎霞，馬承偉，等.中國溫室環(huán)境控制硬件系統(tǒng)研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2004，20（1）：7-12.

[2]鄭文剛，趙春江，王紀(jì)華.溫室智能控制的研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2004（2）：8-11.

[3]KALRA A， CHECHI R， KHANNA R.Role of ZigBee technology in agriculture sector[C].National Conference on Computational Instrumentation， 2010（3）： 151-152.

[4]VALADA A， KOHANBASH D， KANTOR G.Design and development of a wireless sensor network system for precision agriculture[D].Pittsburgh： Carnegie Mellon University， 2010.

[5]梁光勝，劉丹娟，郝福珍.基于 CC2430的 Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2010，18（2）：15-18.

[6]卜天然，呂立新，汪偉.基于TinyOS無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2009（2）：23-26.

[7]徐敬東，賴錫盛.TinyOS 2.0在 CC2430上的移植[J].計(jì)算機(jī)工程，2011，37（2）：256-260.

[8]Ossama Mohamed Younis.An energy-efficient architecture for wirelss sensor networks[D].Indiana： Purdue University，2005.

[9]顏庭莘，孫利民.TinyOS路由協(xié)議原理及性能評估[J].計(jì)算機(jī)工程，2007，33（1）：112-114.

[10]李國政，張強(qiáng)，楊紅衛(wèi)，等.ARM-Linux嵌入式系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)大棚中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007（6）：19-21.

[11]張保立，王俊，張發(fā)明，等.基于 QT_Embedded和 Qtopia的嵌入式溫室無線測控系統(tǒng)GUI設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)，2008（6）：26-29.