唐松，尼瑪扎西，格桑多吉，高定國（西藏大學(xué)工學(xué)院，拉薩850000）

西藏糧倉無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計研究

唐松，尼瑪扎西，格桑多吉，高定國
（西藏大學(xué)工學(xué)院，拉薩850000）

針對西藏糧倉監(jiān)測中存在的缺點，提出了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案，包括WSN節(jié)點結(jié)構(gòu)、處理模塊設(shè)計、傳輸模塊設(shè)計、傳感器模塊設(shè)計和軟件測試，其中軟件測試又包含指示燈和外部晶振軟件測試、串口軟件測試和溫濕度傳感器SHT11軟件測試。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；節(jié)點設(shè)計；軟件測試

西藏糧食生產(chǎn)的一個重要過程是科學(xué)儲藏糧食，如果監(jiān)控不力導(dǎo)致糧食變質(zhì)將會造成糧食的損失。西藏糧倉的主要監(jiān)控物理量是溫度和濕度，采用傳統(tǒng)的人工監(jiān)測手段是線纜布控，人工成本和監(jiān)控設(shè)備的投入偏高，管理模式相對落后，因此糧食儲藏的關(guān)鍵在于對糧倉實行實時、精細化管理。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通過無線通信技術(shù)自組織構(gòu)成，融合了傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理、融合和傳輸，在軍事和民用領(lǐng)域均有著非常廣闊的應(yīng)用前景。在糧倉中構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，就可以實現(xiàn)對糧倉各處溫濕度的低成本、高效監(jiān)測，其中組成糧倉監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的最小單元是普通傳感器采集節(jié)點，它將監(jiān)控的溫度、濕度信息傳輸給簇首節(jié)點，最終由相關(guān)路由傳輸至匯聚節(jié)點(sink)，匯聚節(jié)點經(jīng)融合和處理數(shù)據(jù)，通過廣域網(wǎng)將信息傳送至后臺監(jiān)控中心。為了滿足西藏糧倉監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)成本低、功耗小的要求，節(jié)點中央處理器采用8bit的嵌入式單片機。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的主要功能部件如下：處理器ATmega128L，溫濕度傳感器SHT11，無線接收和發(fā)送管理器CC2420。

1　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點結(jié)構(gòu)

西藏糧倉WSN普通節(jié)點、簇首節(jié)點和匯聚節(jié)點主要模塊包括以下四個方面：能量供給模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)無線傳送模塊，圖1為其框架圖，其主要完成糧庫溫濕度數(shù)據(jù)的采集和逐級傳輸，最終將數(shù)據(jù)匯總到監(jiān)控中心。

能量供給模塊所需電量較少，其供電依靠2節(jié)5號AA電池；傳感器數(shù)據(jù)采集模塊采用的是靈敏度高的溫濕度傳感器SHT11；數(shù)據(jù)處理模塊采用ATmega128L，主要功能是融合、處理SHT11采集的數(shù)據(jù)，控制連接的模塊，選擇WSN的路由協(xié)議，管理此節(jié)點的能耗，以及節(jié)點的定位和同步執(zhí)行；數(shù)據(jù)無線傳送模塊主要組成部件是耗能很低的射頻芯片CC2420，以及其外圍連接的電路，模塊的正常運作需要通過相應(yīng)的通信協(xié)議和軟件實現(xiàn)。

2　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計

2.1處理模塊設(shè)計

ATmega128L是8bit微控制器，基于AVR RISC結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)技術(shù)運用能耗很低的CMOS工藝。該芯片內(nèi)部采用資源充足、功耗很低的Harvard布線結(jié)構(gòu)；片內(nèi)集成了存儲容量為4 KB的E2PROM存儲器、存儲容量為4 KB且可外接擴展存儲容量至64 KB的SRAM數(shù)據(jù)存儲器和存儲容量為128 KB的Flash存儲器。此芯片還具有如下特征：可選用ISP編程或JTAG編程方式；總線接口為I2C、SPI和USART1/0；片上模擬比較器和振蕩器、可自主編程設(shè)置的看門狗定時器和PWM通道（8個）；8位和16位計數(shù)/定時器各2個，10位ADC通道（8個），工作模式都可以根據(jù)具體的情況選用不同的類型。為了盡量節(jié)約監(jiān)控節(jié)點的能耗，ATmega128L的工作模式除正常模式以外，還具有低能耗操作模式，共有六種相異的功耗層次模式，以適應(yīng)不同功耗模式的需求。圖2為選用ATmega128L的節(jié)點處理模塊的接口電路圖。

2.2傳輸模塊設(shè)計

傳輸模塊采用工作頻率為2.4 GHz IEEE 802.15.4標(biāo)準的CC2420芯片，CC2420芯片是可以發(fā)送和接收信號的射頻收發(fā)器，兼容ZigBee協(xié)議，還擁有許多其他功能。傳輸模塊的制造技術(shù)為0.18 μm CMOS工藝，采用集成度高、擴展性強的SmartRF03技術(shù)，所需外接部件很少，可靠性很高；具備以下易于集成的典型特征：調(diào)制方式為QPSK模式，最大速率可達到250 kb/s的接收、發(fā)送波特率；外接口使用可以直接連接處理核心AT?mega128L的SPI接口；體積小、功耗少、工作電壓低且工作電壓范圍廣（2.2～3.7 V）。西藏糧倉無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳輸模塊接口電路如圖3所示。

2.3傳感器模塊設(shè)計

數(shù)字化顯示、靈明度高的溫濕度傳感器SHT11是西藏糧倉無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器模塊，此傳感器模塊具備如下優(yōu)點：

1）可靠性和穩(wěn)定性很強，制作技術(shù)應(yīng)用CMOS工藝，即使糧倉中浸水，感測頭完全浸于水中仍能進行正常監(jiān)控，完成數(shù)據(jù)的傳輸；

2）極小的封裝體積，便于運輸和布控，完成通信、監(jiān)測任務(wù)后，工作模式自主切換至低能耗的模式；

3）具有很高的監(jiān)測精確度，由于濕度和溫度傳感器共同集成于SHT11，SHT11可以使得露點計算具有高質(zhì)量，以及濕度測量值帶有精確度高的溫度補償；

4）提供DATA、SCK兩種二線數(shù)字串行接口，簡潔化接口處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)方便、快捷地傳輸，支持數(shù)據(jù)循環(huán)冗余碼校驗傳送，實現(xiàn)高可靠地傳輸數(shù)據(jù)；

5）集成度高，加熱、模數(shù)轉(zhuǎn)換、變換信號、監(jiān)控濕度和溫度等功能，被集成到SHT11一個模塊上。

為了完成監(jiān)控數(shù)據(jù)的傳輸，SHT11需要與處理器芯片ATmega128L相連接，這通過I2C接口實現(xiàn)。

3　西藏糧倉無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點軟件測試

用AVR Studi04作為檢測工具對WSN節(jié)點進行軟件測試，采用JTAGICE硬件仿真器，測試過程分模塊進行。為了驗證節(jié)點中各模塊工作的穩(wěn)定性和可靠性，分別編寫對應(yīng)的測試程序。對節(jié)點軟件檢測前，需要定位ATmega128，這通過連接AVRStudi04可以實現(xiàn)。為了與頻率為7.3729MHz晶振產(chǎn)生的時鐘源相匹配，需要采用JTAG編程將ATmega128熔絲位變?yōu)橥獠繒r鐘。下文分別對測試模塊進行軟件測試說明，包括指示燈（黃燈）和外部晶振的軟件測試，串口軟件測試，以及溫濕度傳感器SHT11的軟件測試。全部的分層結(jié)構(gòu)Zig?Bee協(xié)議棧自頂層至下依次包括：高層應(yīng)用規(guī)范、安全層、網(wǎng)絡(luò)層、介質(zhì)訪問控制層、物理層。ZigBee聯(lián)盟制定ZigBee協(xié)議棧的應(yīng)用程序接口、安全層和網(wǎng)絡(luò)層的相應(yīng)規(guī)范。根據(jù)需求的不同，用戶可在應(yīng)用層自主定義某些簇(cluster)，還可以引用或參考已經(jīng)做出定義的簇。應(yīng)用程序接口主要任務(wù)是提供簡單的應(yīng)用軟件接口(API)給用戶，包括Zig?Bee設(shè)備對象(ZDO：ZigBee DeviceObject)和應(yīng)用子層支持(APS：Application Sub-layger Support)等，使得應(yīng)用層能夠設(shè)置、控制設(shè)備對象。安全層(secu?rity layer)主要功能是存取、管理密鑰等。其中，網(wǎng)絡(luò)層定義實現(xiàn)星型網(wǎng)絡(luò)，介質(zhì)訪問控制層定義實現(xiàn)終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器。圖4為全部的分層結(jié)構(gòu)ZigBee協(xié)議棧層級圖。

3.1指示燈和外部晶振軟件測試

指示燈(黃燈)和外部晶振的軟件測試程序如下：

3.2串口軟件測試

串口軟件測試使用串口測試助手傳輸數(shù)據(jù)至串口，出現(xiàn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)被回傳現(xiàn)象，串口軟件測試編寫的程序如下：

3.3溫濕度傳感器SHT11軟件測試

溫濕度傳感器SHT11編寫的測試軟件程序如下：

[1]湯強.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層次拓撲控制算法研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2010．

[2]李建波.無線傳感網(wǎng)絡(luò)拓撲控制若干問題研究[D].合肥：中國科技大學(xué)，2009．

[3]任彥.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋與拓撲控制理論與技術(shù)研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2008．

[4]金鑫.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層次型拓撲控制算法及相關(guān)問題的研究[D].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2008．

[5]路綱.無線自組織網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2009．

[6]張建輝.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲控制研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2008．

[7]陳志，王汝傳，孫力娟.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織機制研究[J].電子學(xué)報，2007，35(5):854-857.

[8]張學(xué)，陸桑璐，陳貴海，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲控制[J].軟件學(xué)報，2007，18(4)：943-954.

[9]李少春，程良倫.一種自適應(yīng)的混合型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲控制算法[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2010，23(3)：428-433．

[10]宋超，劉明，龔海剛，等.基于蟻群優(yōu)化解決傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能量空洞問題[J].軟件學(xué)報，2009，20(10)：2729-2743．

(責(zé)任編輯：趙建周）

The Design Research of Tibetan Granary Wireless Sensor Network Nodes

TANG Song,NIMA Zha-xi,GESAN Duo-ji,GAO Ding-guo
(Tibet University Institute of Technology,Lasa 850000,China)

For the Tibetan granary monitoring shortcomings at present,and it's put forward that the design of the new type of Tibetan granary monitoring system of wireless sensor network node,Including WSN node structure, processing module design,transmission module design,sensor module design and software testing which in?cludes Indicator and external crystal software testing,serial ports'software testing and temperature and humidity sensors SHT11 software testing.

wireless sensor network;node design;software testing

TP212

A

1673-2928（2015）02-0065-04

2014-07-12

計算機及藏文信息技術(shù)國家級教學(xué)團隊資助項目：跨語言社會輿情分析基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究(項目編號：61331013)。

唐松（1985-），男，安徽安慶人，碩士研究生，研究方向：網(wǎng)絡(luò)與信息安全。