唐躍平，包俊寧，張志堅(jiān)，諸 杰，智永明

（1. 水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇 南京 210012;2. 水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210012;3. 河海大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，江蘇 南京 210098）

基于 MSP430 的灌區(qū)無線傳感點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

唐躍平1，2，包俊寧3，張志堅(jiān)1,2，諸 杰1,2，智永明1,2

（1. 水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇 南京 210012;
2. 水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210012;
3. 河海大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，江蘇 南京 210098）

為解決我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)用水利用率低的現(xiàn)狀，針對(duì)現(xiàn)代化灌區(qū)監(jiān)測(cè)所面臨的布線復(fù)雜、安裝維護(hù)麻煩等問題，以 MSP430 單片機(jī)為核心，SI4463 作為射頻芯片，結(jié)合電源、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)采集等模塊為灌區(qū)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)一款無線傳感通信系統(tǒng)。簡(jiǎn)單的時(shí)鐘同步設(shè)計(jì)和傳輸協(xié)議使系統(tǒng)能更加快捷地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)根據(jù)灌區(qū)溫度、雨量、土壤墑情等環(huán)境情況，設(shè)計(jì)不同的傳感器采集電路用以采集并傳輸，是一款符合水文監(jiān)測(cè)要求的智能監(jiān)控系統(tǒng)通信模塊。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)；點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信；通信系統(tǒng)；灌區(qū)監(jiān)測(cè)；節(jié)水灌溉；MSP430 單片機(jī)

0 引言

灌區(qū)是我國(guó)農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施。隨著社會(huì)的發(fā)展，我國(guó)早期的粗放型灌溉方法和落后的灌溉技術(shù)已不適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的要求，利用現(xiàn)代化管理方法和技術(shù)實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水資源的優(yōu)化配置和高效利用則是一種十分科學(xué)的農(nóng)業(yè)灌溉方式[1]。但如果為了對(duì)灌區(qū)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控而在農(nóng)田灌區(qū)中鋪設(shè)有線網(wǎng)絡(luò)，一方面不便于農(nóng)田的耕作，另一方面成本也較高。

近年來，隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，其具備的組網(wǎng)方便、延時(shí)時(shí)間短、安全性高等特點(diǎn)[2]越來越適用于現(xiàn)在的各種工程環(huán)境。參考無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，將之與節(jié)水灌溉監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有效地結(jié)合起來，可很好地解決由地理環(huán)境等因素導(dǎo)致的布線不便、成本高等問題[3]。因此，利用 MSP430 單片機(jī)低功耗的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種可靠性高、通用性好、易于維護(hù)的無線傳感器點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸系統(tǒng)，用于灌區(qū)的數(shù)據(jù)采集和傳輸。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜合了傳感器、嵌入式計(jì)算、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和無線通信等技術(shù)的特點(diǎn)。針對(duì)灌區(qū)自動(dòng)化監(jiān)控功耗低、可靠性好、易維護(hù)等特點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)參考無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)、通信結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，同時(shí)根據(jù)灌區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，放棄無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自組多跳、動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)等研發(fā)過難又對(duì)系統(tǒng)功能無太大作用的特點(diǎn)，采用 RF 非標(biāo)準(zhǔn)無線通信芯片和簡(jiǎn)單透明的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議完成開發(fā)設(shè)計(jì)。

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有以下 3 種：

1）平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之間的傳感器節(jié)點(diǎn)地位是平等的，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都可以和半徑范圍內(nèi)的任意節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，單獨(dú)節(jié)點(diǎn)的失效不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。但平面結(jié)構(gòu)中由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要同時(shí)做接收和發(fā)送節(jié)點(diǎn)，因此路由信息占用帶寬極大。根據(jù)水文信息傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)要求，路由算法可能十分復(fù)雜，和傳輸模塊的簡(jiǎn)單易維護(hù)等要求相悖。而且灌區(qū)內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)密度要求不高，同時(shí)可采用手工布置節(jié)點(diǎn)，不太適合采用多跳傳輸?shù)钠矫婢W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

2）分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。分層結(jié)構(gòu)中有 1 個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)，整個(gè)簇中的其他節(jié)點(diǎn)將收集到的數(shù)據(jù)統(tǒng)一發(fā)送給簇頭節(jié)點(diǎn)，大大減少了網(wǎng)絡(luò)中路由控制信息的數(shù)量，因此網(wǎng)絡(luò)具有很好的擴(kuò)展性。分層結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是需要節(jié)點(diǎn)執(zhí)行分簇算法，而且簇頭節(jié)點(diǎn)可能成為網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。同時(shí)考慮到灌區(qū)內(nèi)有限的傳感器節(jié)點(diǎn)不需要將其分成多個(gè)簇進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此沒必要采用分層結(jié)構(gòu)。

3）Mesh 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。Mesh 結(jié)構(gòu)是規(guī)則分布的網(wǎng)絡(luò)，任意 2 個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間往往存在多條路由路徑，因此整個(gè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于單獨(dú)節(jié)點(diǎn)或單個(gè)鏈路出現(xiàn)的故障具有很強(qiáng)的容錯(cuò)能力和魯棒性。但 Mesh 網(wǎng)大多應(yīng)用于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，而灌區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)較少，更多的是準(zhǔn)確性和簡(jiǎn)易性方面的要求。Mesh 網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)在灌區(qū)得不到體現(xiàn)，同時(shí)規(guī)則的分布網(wǎng)絡(luò)也不適合灌區(qū)的具體數(shù)據(jù)采集環(huán)境。

對(duì)于灌區(qū)的信息采集系統(tǒng)來說，采集信息量相對(duì)較小，更多的是實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性要求。參考平面網(wǎng)絡(luò)等 3 種常用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，決定采用更為簡(jiǎn)單古老的星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，既能很好符合灌區(qū)中采集節(jié)點(diǎn)分布較廣且稀疏的特點(diǎn)，又能很方便地直接將采集到的數(shù)據(jù)盡快匯集存儲(chǔ)。這樣既符合灌區(qū)無線傳輸模塊簡(jiǎn)單易維護(hù)的特點(diǎn)，又能達(dá)到水文監(jiān)控的傳輸要求。

1.2 無線傳輸方式選擇

目前較為流行的短距離無線傳輸?shù)闹饕獦?biāo)準(zhǔn)有藍(lán)牙，UWB（Ultra Wideband），Wi-Fi（Wireless Fidelity），IrDA（Infrared Data Association），ZigBee（紫蜂），NFC（Near Field Communication）[4]等。結(jié)合灌區(qū)內(nèi)的實(shí)際情況及灌區(qū)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的要求，對(duì)通信系統(tǒng)的傳輸方式選擇應(yīng)主要考慮傳輸速率和距離、系統(tǒng)功耗、開發(fā)成本、傳輸準(zhǔn)確性等因素。

1）根據(jù)水利水文監(jiān)測(cè)的具體要求及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的低功耗特點(diǎn)，Wi-Fi、藍(lán)牙和 UWB 等的耗能都不太適合作為灌區(qū)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信方式。ZigBee 技術(shù)的低功耗、低成本及高網(wǎng)絡(luò)容量的特點(diǎn)十分適合無線傳感網(wǎng)絡(luò)，且 ZigBee 的自組網(wǎng)技術(shù)非常有利于傳感器網(wǎng)絡(luò)，但其硬件設(shè)計(jì)、接口方式、通信協(xié)議復(fù)雜，需專門開發(fā)系統(tǒng)，開發(fā)成本高、周期長(zhǎng)，最終產(chǎn)品成本也高，不適合用于低成本的水文監(jiān)測(cè)儀器開發(fā)。

2）相較而言，由 RF 非標(biāo)準(zhǔn)無線通信芯片加上微控制器和少量外圍器件構(gòu)成的專用或通用無線通信模塊[5]，包含簡(jiǎn)單透明的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議或簡(jiǎn)單的加密協(xié)議，用戶不必對(duì)無線通信原理和工作機(jī)制有較深了解，只要依據(jù)命令字進(jìn)行操作即可實(shí)現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)無線傳輸功能。雖然射頻通信不具備自組網(wǎng)的特點(diǎn)，但灌區(qū)內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)較少且易于布置，完全可以采用軟件設(shè)置的組網(wǎng)方式，當(dāng)需要加入新節(jié)點(diǎn)時(shí)，只需更新匯聚節(jié)點(diǎn)的軟件即可。

3）灌區(qū)內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)通常在較大的范圍內(nèi)只要求布置 1 個(gè)節(jié)點(diǎn)（避免監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的重復(fù)），所以傳輸距離應(yīng)達(dá)到 1 000 m 以上，一般情況下，ZigBee多用于 10～100 m 范圍內(nèi)較密集的傳感器節(jié)點(diǎn)，雖然ZigBee 也能達(dá)到上千米的傳輸距離，但功耗也會(huì)大大的增加，對(duì)比于一般的射頻方案反而不占優(yōu)勢(shì)。

4）ZigBee 通常采用 2.4 GHz 的頻率進(jìn)行傳輸，根據(jù)頻率信號(hào)的特性，當(dāng)通信頻率越高時(shí)，信號(hào)的穿透能力也就越強(qiáng)，但繞射能力卻反而越弱?？紤]到灌區(qū)內(nèi)一般都是農(nóng)作物覆蓋的環(huán)境，不存在很厚的墻壁需要穿透，而植物茂密的葉子對(duì)信號(hào)的繞射能力有很高的要求，同時(shí) RF 射頻采用 433 MHz，2.4 GHz 頻段的頻率，可以依靠信號(hào)的繞射能力實(shí)現(xiàn)更好的通信效果。

經(jīng)過綜合分析，系統(tǒng)決定采用 MSP430 單片機(jī)加射頻芯片的設(shè)計(jì)方式。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通信系統(tǒng)主要用于灌區(qū)內(nèi)的無線傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)，采用 MSP430 單片機(jī)對(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行人工軟件組網(wǎng)。系統(tǒng)由多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和 1 個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)組成，前端節(jié)點(diǎn)用于連接多種灌區(qū)數(shù)據(jù)采集傳感器，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，連接的傳感器接口有土壤墑情傳感器、雨量計(jì)、水位計(jì)、水質(zhì)分析儀等傳感器設(shè)備。后端節(jié)點(diǎn)作為匯聚節(jié)點(diǎn)接收各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，同時(shí)負(fù)責(zé)組網(wǎng)、數(shù)據(jù)傳輸、時(shí)鐘同步等工作。通信系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

整個(gè)通信系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)具體分為 4 個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要是以 MSP430 作為核心處理器的處理模塊，用于連接傳感器的傳感器接口模塊，用于信號(hào)發(fā)射和接收的無線通信和用于供能的電源模塊。具體結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

為了降低系統(tǒng)功耗，要求前端和后端通信節(jié)點(diǎn)的通信方式采用同步模式，即在設(shè)定時(shí)間內(nèi)，前端和后端節(jié)點(diǎn)同時(shí)上電，相互建立通信，實(shí)行實(shí)時(shí)傳輸。所有測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，等下次通信時(shí)再根據(jù)定時(shí)時(shí)間喚醒，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。所以通信模塊要求具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片， 以便 2 個(gè)節(jié)點(diǎn)在每次校時(shí)結(jié)束后都處在同一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，下次工作時(shí)一起被喚醒。

圖1 通信系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

圖2 通信系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)將功耗放在第 1 位的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用 MSP430 系列單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的主控芯片。MSP430 系列單片機(jī)是一種 16 位超低功耗，具有精簡(jiǎn)指令集（RISC）的混合信號(hào)處理器。無線收發(fā)模塊采用的是 Silicon Laboratories 的Si4463（433 MHz/868 MHz）器件，是一款高度集成的無線 ISM 頻段收發(fā)芯片。極低的接收靈敏度（-126 dBm），再加上優(yōu)秀的輸出功率保證極大的通信范圍和極高的鏈路性能。

3.1 前端傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

前端節(jié)點(diǎn)功能主要包括對(duì)周圍環(huán)境的監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，并將數(shù)據(jù)通過無線射頻傳輸給匯聚節(jié)點(diǎn)。無線傳感器節(jié)點(diǎn)主要由 MCU 和時(shí)鐘、通信串行接口、存儲(chǔ)器、信號(hào)采集、射頻、電源等模塊組成，結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

幾種模塊的設(shè)計(jì)如下：

圖3 前端節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1）電源模塊。電源模塊主要輸出其他模塊所需的 5.0 和 3.3 V 電壓。這里采用 LM1117 低壓差電壓調(diào)節(jié)器對(duì)電池電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換。壓差在 1.2 V 輸出，負(fù)載電流為 800 mA 時(shí)為 1.2 V，與國(guó)家半導(dǎo)體的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)器件 LM317 有相同的管腳排列。

2）時(shí)鐘模塊。時(shí)鐘模塊主要是使前端和后端節(jié)點(diǎn)能夠同步工作，使傳感器節(jié)點(diǎn)在不工作時(shí)休眠，需要時(shí)喚醒，可以大大減少系統(tǒng)功耗，而時(shí)間同步是保證傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)能同步工作的十分重要的一點(diǎn)。

3）存儲(chǔ)器模塊。存儲(chǔ)器模塊采用 AT24C512 存儲(chǔ)芯片，主要用于暫時(shí)存儲(chǔ)傳感器采集到的數(shù)據(jù)。為了降低功耗，傳感器節(jié)點(diǎn)采用了休眠模式，當(dāng)射頻模塊被喚醒時(shí)，再將存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)，所以存儲(chǔ)器模塊必不可少。

4）信號(hào)采集模塊。信號(hào)采集模塊可以連接各種水文儀器，設(shè)計(jì)采用 RS-232 和 RS-485 接口連接土壤墑情和其他串口輸出的傳感器，1 個(gè)脈沖接收電路接收雨量計(jì)等開關(guān)信號(hào)，1 個(gè)頻率信號(hào)電平轉(zhuǎn)換電路用于水位計(jì)的信號(hào)采集，1 個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路用于采集模擬信號(hào)。

3.2 后端匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

后端匯聚節(jié)點(diǎn)的主要功能是通過射頻模塊接收從傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的水文數(shù)據(jù)，將其存儲(chǔ)在EEPROM 模塊中，等傳輸完畢后統(tǒng)一將數(shù)據(jù)通過RS-232 接口發(fā)送給數(shù)據(jù)采集儀。匯聚節(jié)點(diǎn)有很大一部分模塊跟傳感器節(jié)點(diǎn)相同，包括 MCU，時(shí)鐘、通信串行接口、存儲(chǔ)器、射頻、電源等模塊，以及JTAG 下載接口，結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。

為便于統(tǒng)一設(shè)計(jì)，可以將前端與后端通信節(jié)點(diǎn)一起設(shè)計(jì)，在軟件功能上進(jìn)行分割，這樣可以方便通信模塊進(jìn)行更換。

1）射頻接口模塊設(shè)計(jì)。在主板上設(shè)計(jì)射頻芯片接口電路，采用市場(chǎng)上已有的產(chǎn)品 Si4463 作為射頻芯片，可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)成本，縮短開發(fā)周期。采用 SPI進(jìn)行射頻模塊和單片機(jī)之間的連接，SPI 是一種高速、全雙工、同步的通信總線，在芯片的管腳上只占用 4 根線，節(jié)約了芯片的管腳，同時(shí)為 PCB（印制電路板）的布局節(jié)省空間，提供方便。

圖4 后端節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2）JTAG 下載接口模塊。本次設(shè)計(jì)采用MSP430 的另一個(gè)原因是，F(xiàn)lash 型器件有十分方便的開發(fā)調(diào)試環(huán)境，器件片內(nèi)不僅有 JTAG 調(diào)試接口，還有可電擦寫的 Flash 存儲(chǔ)器，整個(gè)開發(fā)過程都可以在同一個(gè)軟件集成環(huán)境中運(yùn)行。開發(fā)語(yǔ)言為匯編和 C語(yǔ)言，十分適合本次設(shè)計(jì)條件，而且簡(jiǎn)單易學(xué)。

系統(tǒng)電路除了主要的功能模塊外，最重要的電路是信號(hào)采集電路。包括脈沖信號(hào)接收電路，主要用于翻斗式雨量計(jì)的采集，最少要有 2 路脈沖量輸入接口，且需要進(jìn)行整形處理；12 位以上并行輸入輸出接口，一般用于浮子式水位計(jì)及閘位計(jì)的采集；12 位以上轉(zhuǎn)換精度的模擬量輸入接口，主要用于帶模擬量輸出接口的監(jiān)測(cè)儀器信號(hào)采集，最少需要考慮 4 路模擬量輸入接口；信息采集專用 RS-232通信接口，主要用于如土壤墑情傳感器等帶串行通信接口的監(jiān)測(cè)儀器信息采集。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要通過 IAR EW430 軟件進(jìn)行編程下載操作。當(dāng)通信系統(tǒng)啟動(dòng)后進(jìn)行初始化參數(shù)配置，此時(shí) MSP430 的定時(shí)中斷啟動(dòng)，執(zhí)行主程序，執(zhí)行完主程序后啟動(dòng)定時(shí)器為下一次工作定時(shí)，系統(tǒng)休眠完成 1 個(gè)工作流程。

4.1 傳感器節(jié)點(diǎn)流程實(shí)現(xiàn)

中斷程序后啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集模塊，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并存儲(chǔ)。再開啟射頻模塊，嘗試與匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，如果連接失敗 3 次則返回定時(shí)中斷，系統(tǒng)休眠；如果連接成功則進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并同時(shí)進(jìn)行校時(shí)工作，以便下次開啟時(shí)前端節(jié)點(diǎn)和后端節(jié)點(diǎn)能同步工作。校時(shí)完畢后關(guān)閉射頻模塊，并返回中斷。節(jié)點(diǎn)流程圖如圖 5 所示。

圖5 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

匯聚節(jié)點(diǎn)的流程大致相似，只是中斷后先接收數(shù)據(jù)，再向數(shù)據(jù)終端傳送數(shù)據(jù)，校時(shí)后返回中斷。

4.2 系統(tǒng)時(shí)間同步設(shè)計(jì)

為了降低系統(tǒng)模塊的功耗，使用 MSP430 的低功耗模式使系統(tǒng)在不工作時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)，這時(shí)系統(tǒng)前端和后端的節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步問題十分重要。這里采用系統(tǒng)內(nèi)置時(shí)鐘模塊完成時(shí)鐘同步設(shè)計(jì)，同步設(shè)計(jì)如圖 6 所示。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收完成后，由匯聚節(jié)點(diǎn)首先向多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送校時(shí)命令（包含匯聚節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘信息），等待消息返回。傳感器節(jié)點(diǎn)接收到校時(shí)命令后，讀取本節(jié)點(diǎn)模塊的時(shí)鐘信息，同接收到的信息作對(duì)比（加上傳輸延時(shí)），若時(shí)鐘信息相同則不做修改，若時(shí)間不同步則對(duì)時(shí)鐘模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)修改。修改完成后返回修改完畢命令，傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠模式。匯聚節(jié)點(diǎn)收到修改完畢的命令后直接進(jìn)入休眠模式，若還有其他模塊沒完成則繼續(xù)讀取本模塊時(shí)間，重新發(fā)送校時(shí)命令，直到修改完成。系統(tǒng)每次連接成功都會(huì)進(jìn)行 1 次時(shí)鐘校準(zhǔn)，以便系統(tǒng)更好地達(dá)到同步工作狀態(tài)。

圖6 系統(tǒng)時(shí)鐘同步設(shè)計(jì)

4.3 傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的通信模塊主要是將多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)匯集到后端節(jié)點(diǎn)，然后將后端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)采集儀，數(shù)據(jù)采集儀再依據(jù)《水資源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約》將數(shù)據(jù)處理后傳輸出去。因此通信模塊的數(shù)據(jù)傳輸過程簡(jiǎn)單分為握手、傳輸數(shù)據(jù)、校時(shí)，各個(gè)步驟的命令幀結(jié)構(gòu)如下：

1）握手命令幀。系統(tǒng)開始發(fā)送數(shù)據(jù)前要進(jìn)行鏈接，鏈接開始時(shí)由匯聚節(jié)點(diǎn)的射頻模塊發(fā)送廣播信號(hào)，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)收到廣播信號(hào)后回復(fù)要進(jìn)行連接的命令幀，完成握手協(xié)議。

傳感器節(jié)點(diǎn)模塊發(fā)出的建立連接命令為，幀頭｜儀器號(hào)｜LJ｜校驗(yàn)碼｜幀尾。其中，儀器號(hào)為前端通信模塊所設(shè)定的地址碼，占 1 個(gè)字節(jié)；LJ 為建立連接命令，占 1 個(gè)字節(jié)；校驗(yàn)碼采用累加和方式，不含幀頭和幀尾，占 1 個(gè)字節(jié)。

傳感器節(jié)點(diǎn)模塊接收到后給予的回答信息為，幀頭｜儀器號(hào)｜WC｜校驗(yàn)碼｜幀尾。其中，WC 為返回連接完成信息，占 1 個(gè)字節(jié)。

2）數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)幀主要用來承載節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)采集的時(shí)間等。

匯聚節(jié)點(diǎn)模塊發(fā)出的要數(shù)命令為，幀頭｜儀器號(hào)｜YS｜起始時(shí)間｜結(jié)束時(shí)間｜校驗(yàn)碼｜幀尾。其中，YS 為要求發(fā)送數(shù)據(jù)命令，占 1 個(gè)字節(jié)；起始時(shí)間為發(fā)送數(shù)據(jù)的開始時(shí)間，包括月、日、時(shí)、分，占 2 個(gè)字節(jié)；結(jié)束時(shí)間為發(fā)送數(shù)據(jù)的結(jié)尾時(shí)間，包括月、日、時(shí)、分，占 2 個(gè)字節(jié)。當(dāng)起始時(shí)間與結(jié)束時(shí)間相同時(shí)為最后 1 個(gè)采集的數(shù)據(jù)。

傳感器節(jié)點(diǎn)模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)格式為，幀頭｜儀器號(hào)｜SJ｜數(shù)據(jù)長(zhǎng)度｜起始時(shí)間｜數(shù)據(jù)｜…｜數(shù)據(jù)｜結(jié)束時(shí)間｜幀尾。其中，SJ 代表發(fā)送數(shù)據(jù)，占 1 個(gè)字節(jié)；數(shù)據(jù)長(zhǎng)度表示所發(fā)送數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，不含起始時(shí)間，占 1 個(gè)字節(jié)；起始時(shí)間為根據(jù)存儲(chǔ)格式要求的時(shí)間，如 5 min 存儲(chǔ) 1 個(gè)數(shù)據(jù)，包括月、日、時(shí)、分，分鐘值則可被 5 整除，占 2 個(gè)字節(jié)；測(cè)量數(shù)據(jù)為按規(guī)定存儲(chǔ)格式所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，占 2 個(gè)字節(jié)。

后端通信模塊接收到數(shù)據(jù)后發(fā)出的回答信息為，幀頭｜儀器號(hào)｜CG｜校驗(yàn)碼｜幀尾。其中，CG為接收正確信息，占 1 個(gè)字節(jié)。

3）校時(shí)命令幀。后端通信模塊向前端通信模塊發(fā)出的校時(shí)命令為，幀頭｜儀器號(hào)｜XS｜時(shí)、分｜秒、 % 秒｜校驗(yàn)碼｜幀尾。其中，XS 為校時(shí)命令，占 1 個(gè)字節(jié)；時(shí)、分值表示時(shí)鐘的小時(shí)和分鐘值，占 2 個(gè)字節(jié)；秒、% 秒表示時(shí)鐘的秒和 1/100 秒值，占 2 個(gè)字節(jié)。

傳感器節(jié)點(diǎn)模塊收到命令后的回答信息為，幀頭｜儀器號(hào)｜CG｜校驗(yàn)碼|幀尾。其中，CG 為校時(shí)成功信息，占 1 個(gè)字節(jié)。

后端通信模塊發(fā)出的參數(shù)設(shè)置命令為，幀頭｜儀器號(hào)｜CS｜類別｜參數(shù)｜校驗(yàn)碼｜幀尾。其中，CS 為參數(shù)設(shè)置命令，占 1 個(gè)字節(jié)；類別為參數(shù)設(shè)置所對(duì)應(yīng)的內(nèi)容，占 1 個(gè)字節(jié)，7 種參數(shù)類別指，1 為日期，參數(shù)格式為月、日，2 為采集間隔時(shí)間，參數(shù)格式為時(shí)、分，3 為數(shù)據(jù)修正參數(shù)，參數(shù)格式為****，4 為通信模塊上電工作周期，參數(shù)格式為時(shí)、分，5 為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)間隔時(shí)間，參數(shù)格式為時(shí)、分，6 為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，參數(shù)格式為 ****，7 為通信模塊地址，參數(shù)格式為 00**；參數(shù)為所設(shè)置的內(nèi)容，每個(gè)參數(shù)占 2 個(gè)字節(jié)。

傳感器節(jié)點(diǎn)模塊收到命令后的回答信息為，幀頭｜儀器號(hào)｜校驗(yàn)碼|幀尾。其中，SZ 為設(shè)置成功信息，占 1 個(gè)字節(jié)。

5 結(jié)語(yǔ)

基于 MSP430 的無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，應(yīng)用低成本的 RF 技術(shù)，不但滿足水文監(jiān)測(cè)所要求的準(zhǔn)確性、可靠性和實(shí)時(shí)性等要求，而且相對(duì)其他的監(jiān)測(cè)方式更加靈活方便，開發(fā)成本較低。系統(tǒng)低功耗的特點(diǎn)完全適用于灌區(qū)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，前端和后端節(jié)點(diǎn)的相似設(shè)計(jì)也便于系統(tǒng)的維護(hù)工作，傳感器節(jié)點(diǎn)的多接口功能可為系統(tǒng)模塊的多領(lǐng)域應(yīng)用提供可能。同時(shí)灌區(qū)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)監(jiān)控為現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)灌溉水資源利用率低下的問題提供了一定的解決方法。

[1] 黃紅. 我國(guó)水資源利用現(xiàn)狀及對(duì)策分析[J]. 江西化工，2011 (1): 207-208.

[2] 司海飛，楊忠，王珺. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究現(xiàn)狀與應(yīng)用[J]. 機(jī)電工程，2011 (1): 16-20, 37.

[3] 崔政委，汪焰恩，魏生民，等. 基于單片機(jī)和 nRF905SE的無線射頻收發(fā)模塊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械與電子，2011 (6): 19-22.

[4] 李文仲，段朝玉. 短距離無線數(shù)據(jù)通信入門與實(shí)踐[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006: 10-16.

[5] 馮友兵，張榮標(biāo)，沈敏. 面向精確灌溉的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009 (1): 56-59.

Design of Wireless Sensor Point to Point Communication System in Irrigated Area based on MSP430

TANG Yueping1,2, BAO Junning3, ZHANG Zhijian1,2, ZHU jie1,2, ZHIYongming1,2

(1. Nanjing Automation Institute of Water Conservancy and Hydrology, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China；
2. Research Center on Hydrology and Water Resources Monitoring of the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China;
3. College of Computer and Information of Hohai University, Nanjing 210098, China)

To change the status of water utilization rate of China's traditional agricultural low, according to problems of complex wiring facing by modern irrigation monitoring, trouble of installation maintenance and other issues, based on MSP430 MCU as the core, SI4463 as a radio frequency chip, combined with power supply, storage and data acquisition module, it designs a wireless sensor communication system for irrigation smart monitoring system. Simple clock synchronization design and transmission protocol make the system more efficient for data transmission. According to the environment of irrigation area of temperature, rainfall, soil moisture content, the system has different sensor acquisition circuits used in acquisition and transmission. It is the intelligent monitoring system communication module meeting the hydrological monitoring requirements.

wireless sensor network; point to point communication; communication system; irrigation monitoring; water-saving irrigation; MSP430

S27

A

1674-9405(2015)04-0029-06

2015-03-30

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能農(nóng)業(yè)灌區(qū)關(guān)鍵技術(shù)研究 (201301014)

唐躍平（1961－），男，江蘇丹陽(yáng)人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樗畔⒒?/p>