劉燕德，趙文星，周衍華，吳至境，熊松盛，劉德力

（1.華東交通大學(xué) 機電工程學(xué)院，江西 南昌 330013；2.光機電技術(shù)及應(yīng)用研究所 江西 南昌 330013）

在果樹生產(chǎn)過程中，園區(qū)氣象等生態(tài)環(huán)境因子對果樹生長發(fā)育、生產(chǎn)管理決策以及病蟲害發(fā)生發(fā)展與預(yù)防等具有重要的影響，因此果園生態(tài)環(huán)境信息的自動采集和遠(yuǎn)程傳輸對于指導(dǎo)實際生產(chǎn)具有十分重要的意義[1]。傳統(tǒng)的果園環(huán)境信息主要是依靠人工來獲取，這樣費時費力而且效率很低。本文設(shè)計了一種用于對果園環(huán)境信息進(jìn)行實時監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確測量并可靠傳輸，這大大地減小了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集過程中受時間和空間等因素的限制。只有及時獲取果園環(huán)境信息并進(jìn)行調(diào)控，果樹的品種優(yōu)勢才能充分發(fā)揮。通過了解果園環(huán)境的微氣象信息，可以實現(xiàn)對果樹環(huán)境信息進(jìn)行動態(tài)監(jiān)控：達(dá)到滿足果樹的營養(yǎng)需求、節(jié)約用水、監(jiān)測果樹病蟲害的目的，最終實現(xiàn)果樹栽培中各項關(guān)鍵參數(shù)更精確的控制[2]。進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)處理器處理后由射頻模塊發(fā)送到相鄰節(jié)點，同時該節(jié)點也要執(zhí)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，即把相鄰節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點或離匯聚節(jié)點更近的節(jié)點[3]。果園環(huán)境信息傳感器節(jié)點由數(shù)據(jù)采集模塊、微控制器模塊、射頻通信模塊和電源模塊4部分組成，硬件結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)果園環(huán)境信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；微控制器模塊控制節(jié)點的操作，存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure diagram of the hardware system

1 節(jié)點硬件設(shè)計

傳感器節(jié)點的設(shè)計是果園環(huán)境信息監(jiān)測的核心，主要是通過傳感器采集果園環(huán)境的數(shù)據(jù)（溫度、濕度、光照等），然后

1.1 微控制器模塊

微控制器是整個系統(tǒng)的核心，為了節(jié)省系統(tǒng)電源，微控制器采用定時休眠、定時喚醒的工作方式。在喚醒后的工作狀態(tài)，微控制器打開傳感器的供電電源，定時讀取傳感器采集的數(shù)據(jù)并進(jìn)行計算處理。定時打開射頻模塊，與基站進(jìn)行定時聯(lián)絡(luò)以及發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

選用低功耗的MSP430F149芯片，它是一種新型的混合信號處理器，采用了美國德州儀器（Texas Instruments）公司最新低功耗技術(shù)（工作電流為0.1~400 p A），它將大量的外圍模塊整合到片內(nèi)，特別適合于開發(fā)和設(shè)計單片系統(tǒng)。具有16位CPU和高效的RISC指令系統(tǒng)，兩路USART通信串口，可用于UART和SPI模式：片內(nèi)有精密硬件乘法器、兩個l6位定時器，6個并行口，48條I/O口，具有64 kB的閃存.用于存儲采集數(shù)據(jù)[4]。

1.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊是對果園的溫度、濕度、光照強度等信息進(jìn)行采集，然后將采集到的數(shù)據(jù)通過A/D轉(zhuǎn)換送給單片機進(jìn)行處理。

1.2.1 光照強度單元

光頻轉(zhuǎn)換器TSL230是美國TI公司的最新智能傳感器，它可直接對可見光進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換；其靈敏度、分頻輸出可由程序控制。S0、S1為靈敏度控制端，實際上是通過改變芯片上的感光窗口的面積來改變靈敏度；S2、S3量程選擇端；OUT為頻率信號輸出，進(jìn)入單片機的捕獲輸入，程序中選擇上升沿捕獲有效，通過計算兩次捕獲時間內(nèi)計數(shù)器的數(shù)值差，便可以計算出輸出的頻率值[5]。TSL230B與MSP430F149的接口電路圖如圖2所示。

圖2 TSL230B的接口電路圖Fig.2 The interface circuit of TSL230B

1.2.2 溫濕度傳感器單元

溫濕度傳感器采用SHT11。SHT11是瑞士Sensirion公司推出的基于CMOSensTM技術(shù)的新型溫濕度傳感器，它可以直接提供溫度在-40~120℃范圍內(nèi)且分辨率為14 bit的數(shù)字輸出和濕度在0~100%RH范圍內(nèi)且分辨率為l2 bit的數(shù)字輸出[6]。SHT11電源供電要求為2.4~5.5 V，電源和時鐘信號均由微處理器提供，數(shù)據(jù)線管腳三態(tài)輸出，因此需要外界一個上拉電阻將信號拉高。圖3 SHT11接口電路圖。

圖3 SHT11接口電路圖Fig.3 The interface circuit of SHT11

1.3 射頻通信模塊

射頻通信模塊負(fù)責(zé)低功耗短距離節(jié)點間的通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)。

采用nRF2401芯片實現(xiàn)的無線傳輸模塊。nRF2401通過外接晶體為它提供工作所用的時鐘。nRF2401還必須有天線電路，這樣才能進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。nRF2401通過SPI口與MSP430單片機進(jìn)行連接，由于nRF2401的SPI口只有1個數(shù)據(jù)管腳（DATA管腳），所以該管腳直接與MSP430單片機的SPI口的數(shù)據(jù)收發(fā)管腳（MOSI、MISO）進(jìn)行連接。如圖4所示為nRF2401芯片接口電路圖。

圖4 nRF2401芯片接口電路圖Fig.4 The interface circuit of nRF2401

由圖4可以看出，nRF2401芯片的CE、CS、DR1和PWR_UP管腳分別與MSP430單片機的P1.0、P1.1、P1.2和P1.3管腳進(jìn)行連接。P1.0、P1.1和P1.3管腳只是用來控制nRF2401芯片的工作狀態(tài)，而P1.2管腳用來指示nRF2401是否接收數(shù)據(jù)，由于P1口的管腳有中斷功能，因此可以將P1.2管腳設(shè)置成中斷方式。由于nRF2401的SPI口只有1個數(shù)據(jù)管腳（DATA），因此將DATA管腳分別與MSP430單片機的SPI口數(shù)據(jù)收發(fā)管腳（MOSI、MISO）進(jìn)行連接。由于SPI口的2個數(shù)據(jù)管腳都連接到nRF2401芯片的DATA管腳，因此MSP430單片機的SPI口的數(shù)據(jù)管腳都需要串接10kΩ的電阻。由于DR1是高電平有效，因此需要將P1.2管腳拉低。

1.4 電源模塊

電源模塊提供節(jié)點的能量，通常選用體積小、容量高的電池，以確保節(jié)點的微型化和長壽命。

2 節(jié)點軟件設(shè)計

2.1 節(jié)點工作流程

傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸采用基于802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee無線傳輸協(xié)議，采用了協(xié)議棧Z-Stack。當(dāng)節(jié)點通電之后，先初始化，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式，當(dāng)傳感器收到采集數(shù)據(jù)請求時，節(jié)點被喚醒，開始采集數(shù)據(jù)，確認(rèn)采集到后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的處理、儲存，并在設(shè)定的時間內(nèi).嘗試把數(shù)據(jù)發(fā)送出去，當(dāng)成功發(fā)送后，則回到低功耗模式。工作流程如圖5所示。

圖5 節(jié)點工作流程圖Fig.5 Flow chart of the note design

2.2 無線傳輸設(shè)計

開發(fā)以IAR WorkbenchV3.1為平臺，采用C語言編寫，軟件編程的基本思路是：先對SPI、nRF2401控制端口初始化；使能SPI、UART端口，使能ADC，對nRF2401芯片初始化；無線傳輸軟件設(shè)計包括初始化程序、管腳模擬程序和數(shù)據(jù)收發(fā)程序。

2.2.1 收發(fā)模式

nRF2401芯片的收發(fā)模式有突發(fā)（ShockBurstTM）收發(fā)模式和直接收發(fā)模式兩種，這里只介紹ShockBurstTM收發(fā)模式。收發(fā)模式由器件配置字決定。

在ShockBurstTM收發(fā)模式下，主要有以下特點：

1）使用片內(nèi)的FIFO，數(shù)據(jù)從單片機低速送入，由nRF2401高速發(fā)送，這樣可以盡量節(jié)能。

2）射頻協(xié)議由芯片內(nèi)部進(jìn)行處理，這樣非常方便進(jìn)行程序開發(fā)。

3）nRF2401自動處理數(shù)據(jù)幀的頭和CRC校驗碼，在接收數(shù)據(jù)時，自動把數(shù)據(jù)幀的頭和CRC校驗碼移去；在發(fā)送數(shù)據(jù)時，自動加上數(shù)據(jù)幀的頭和CRC校驗碼。

下面介紹在ShockBurstTM模式下的收發(fā)流程。

1）ShockBurstTM發(fā)送流程

在發(fā)送狀態(tài)下，主要通過CE、CLK1、DATA這3個管腳來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送。nRF2401突發(fā)模式下的數(shù)據(jù)無線發(fā)送流程圖，如圖6所示。

圖6 nRF2401突發(fā)模式下的數(shù)據(jù)無線發(fā)送流程圖Fig.6 Flow chart of the wireless data transmission of ShockBurstTM design

具體流程如下：

1）當(dāng)單片機有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，先把CE置高，使nRF2401進(jìn)入發(fā)送模式。

2）單片機把地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)通過SPI口寫入nRF2401的FIFO。

3）單片機將CE置低，使nRF2401開始以ShockBurstTM模式發(fā)送數(shù)據(jù)。

2）ShockBurstTM接收流程

在接收狀態(tài)下，主要通過CE、CLK1、DR1和DATA這4個管腳來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收。nRF2401突發(fā)模式下的數(shù)據(jù)無線發(fā)送流程圖，如圖7所示。

圖7 nRF2401突發(fā)模式下的數(shù)據(jù)無線接收流程圖Fig.7 Flow chart of the wireless data receiving of ShockBurstTM design

具體流程如下：

1）單片機將CE置高，進(jìn)入接收狀態(tài)。

2）延時200μs后，nRF2401進(jìn)入監(jiān)視狀態(tài)，等待數(shù)據(jù)包的到來。

3）當(dāng)接收到正確的數(shù)據(jù)包后，nRF2401自動把數(shù)據(jù)幀的頭、地址和CRC效驗碼去掉。

4）nRF2401將DR1置高來通知單片機有數(shù)據(jù)到來。

5）單片機將數(shù)據(jù)從nRF2401讀出。

6）所有數(shù)據(jù)讀完以后，nRF2401把DR1置低。如果CE繼續(xù)設(shè)置為高，則繼續(xù)等待下一個數(shù)據(jù)包；如果CE為低，開始其他工作流程。

3 結(jié) 論

根據(jù)果園環(huán)境信息監(jiān)測的需求，文中將MSP430單片機和nRF2401相結(jié)合進(jìn)行了無線傳感器節(jié)點的設(shè)計，通過果園微氣象信息的監(jiān)測，來實現(xiàn)對果園的數(shù)字化管理，為果園系統(tǒng)的設(shè)計指明了方向。由該節(jié)點組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在小規(guī)模實驗中已表現(xiàn)出良好的工作效果，可在特殊環(huán)境下實現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信號的采集、處理與傳輸。

[1]汪偉偉，李紹穩(wěn)，孟浩，等.基于DataSocket的果園生態(tài)環(huán)境遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].微計算機信息，2007（1）：117－119.WANG Wei-wei，LI Shao-wen，MENG hao，et al.A remote data acquisition system for orchard environment based on DataSocket technology[J].Control&Automation，2007（1）：117－119.

[2]劉燕德，吳滔.基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的果園環(huán)境實時監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，50（21）：4469－4472.LIU Yan-de，WU Tao.The design of real-time monitoring system for orchard environment based on wireless sensor networks[J].Hubei Agricultural Sciences，2011，50（21）：4469－4472.

[3]張穎，趙曉虎，苗全利，等.基于環(huán)境信息監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2011，19（12）：71－74.ZHANG Ying，ZHAO Xiao-hu，MIAO Quan-li，et al.Design of wireless sensor network nodes based on environmental information monitoring[J].Electronic Design Engineering，2011，19（12）：71－74.

[4]沈建華，楊艷琴.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與實踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[5]左巍，康龍云，曹秉剛，等.基于MSP430單片機風(fēng)速、光輻照度同步測試儀[J].微計算機信息，2003，19（12）：56－58.ZUO Wei，KANG Long-yun，CAO Bing-gang，et al.The device based on MSP430 microcontroller for wind speed and light irradiance testing synchronously[J].Microcomputer Information，2003，19（12）：56－58.

[6]Sensirion the Sensor Company.SHTlx/SHT7xHumidity＆temperature sensor[EB/OL].（2007－08－09）[2011－09－l2]http：//www.Sensirion.com.

[7]孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[8]黃長喜.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計的研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2006.

[9]石權(quán).基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫濕度采集系統(tǒng)的設(shè)計[D].吉林：吉林大學(xué)，2008.

[10]韓廷閣.基于ZigBee的土壤濕度無線采集系統(tǒng)節(jié)點設(shè)計[D].咸陽：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2010.

[11]丁永紅，孫運強.基于nRF2401的無線數(shù)傳系統(tǒng)設(shè)計[J].國外電子測試技術(shù)，2008，27（4）：45－47.DING Yong-hong，SUN Yun-qiang.Design of wireless data transfer system based on nRF2401[J].Foreign Electronic Measurement Technology，2008，27（4）：45－47.