孫魯+籍芳+陳凱+楊志豪

摘 要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中非常重要的應(yīng)用領(lǐng)域，目前受到越來越多的關(guān)注。采用TI公司的CC2538芯片和開源物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)Contiki，配合相應(yīng)的傳感器芯片，設(shè)計并實現(xiàn)了可以采集溫度、濕度和照度的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署為實驗室的檢測環(huán)境提供了更加方便精確的監(jiān)控手段。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；CC2538；Contiki；溫濕度采集

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）03-00-03

0 引 言

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的逐漸成熟，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)控、智慧城市、智能家居等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛[1，2]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用中一個非常重要領(lǐng)域就是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN） [3，4]。WSN通過部署一定數(shù)量由電池供電的傳感器節(jié)點(diǎn)，組成無線通信網(wǎng)絡(luò)，可以方便地采集周圍環(huán)境的各種變化情況，例如溫度、濕度、照度等信息，也可以采集人體的各項生理指標(biāo)，例如心跳、血壓等信息。WSN技術(shù)可以應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、老人健康護(hù)理、停車場管理、交通管理、智能家居等很多領(lǐng)域。

本文中采用TI公司的CC2538芯片和開源物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)Contiki[5]，設(shè)計了用于實驗室測試環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)通過在空間中布置傳感器節(jié)點(diǎn)，采集各點(diǎn)的監(jiān)控信息，并通過匯聚節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)上傳至計算機(jī)，實現(xiàn)了監(jiān)控數(shù)據(jù)的實時顯示和數(shù)據(jù)庫存儲。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 傳感器節(jié)點(diǎn)

WSN中各傳感器節(jié)點(diǎn)采用電池供電，為了增加電池壽命，在主芯片的選擇上必須把耗電量作為一個重要的指標(biāo)。傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。傳感器節(jié)點(diǎn)采用兩節(jié)7號干電池作為電源，主芯片選用TI公司的CC2538芯片，該芯片為ARM Cortex-M3內(nèi)核，帶有I2C接口，可以滿足與傳感器通信和無線組網(wǎng)的要求。我們選用的CC2538芯片的片上FLASH為512 KB，RAM為32 KB，其內(nèi)部集成了工作頻率為2.4 GHz并符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的RF收發(fā)器。在最省電的外部中斷模式下，該芯片的供電電流僅為0.4 μA，滿足低功耗的設(shè)計要求。

圖1 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

傳感器節(jié)點(diǎn)中的溫濕度傳感器選用Sensirion公司的SHT21溫濕度傳感器芯片，該芯片在PCB板上占用的面積非常小，僅為3×3 mm2。缺省設(shè)置下溫度測量分辨率為0.01?C，相對濕度測量分辨率為0.04% RH。該芯片在休眠狀態(tài)下供電電流僅為0.15 μA，在測量狀態(tài)下供電電流為300 μA。該芯片通過I2C總線與CC2538主芯片通信，通過設(shè)置寄存器，可以分別讀取溫度測試值和相對濕度測試值，SHT21芯片提供了通過CRC校驗來進(jìn)行傳輸完整檢查的功能。通過I2C總線讀到的溫度原始值ST利用下面的公式換算為攝氏度值T：

（1）

讀到的相對濕度原始值SRH則通過下列的公式換算為相對濕度RH：

（2）

傳感器節(jié)點(diǎn)中的照度傳感器選用MAXIM公司的MAX44009照度傳感器芯片，該芯片為目前工業(yè)界最低功耗的環(huán)境光傳感器芯片，在正常操作狀態(tài)下供電電流僅為0.65μA。在缺省狀態(tài)下，該芯片每800 ms測量一次環(huán)境照度值，該狀態(tài)下芯片處于最省電的工作模式，我們在設(shè)計中使用了該工作模式。該芯片在PCB板上占用的面積比溫濕度傳感器SHT21芯片更小，僅為2×2 mm2。除此之外，該芯片具有十分寬廣的照度測量范圍（0.045 Lux至188 000 Lux）。該芯片通過I2C總線與CC2538主芯片進(jìn)行通信，通過設(shè)置寄存器可以讀取所測量照度的指數(shù)部分（exponent）和尾數(shù)部分（mantissa），然后通過下列公式換算為照度值（Lux）：

Lux=2（exponent）×mantissa×0.045 （3）

1.2 匯聚節(jié)點(diǎn)

匯聚節(jié)點(diǎn)的作用是接收各傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)出的測量數(shù)據(jù)，并通過串口發(fā)送給計算機(jī)。匯聚節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。主芯片CC2538通過FTDI公司的FT232R芯片實現(xiàn)UART接口與USB接口之間的轉(zhuǎn)換。

圖2 匯聚節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計：

2.1 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計

本文中的WSN采用開源物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)Contiki作為各節(jié)點(diǎn)的操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)作為輕量級的嵌入式操作系統(tǒng)，具有占用硬件資源小的優(yōu)點(diǎn)，在典型的配置下，Contiki僅僅占用大約2 KB的RAM以及40 KB的FLASH。除此之外，Contiki提供了非常方便的無線通信協(xié)議。所有節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計在Ubuntu下完成，編譯鏈接工具為arm-none-eabi-gcc。

一般情況下，WSN網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的RF收發(fā)器都是功耗最高的部分，如何在保證通信暢通的前提下降低RF收發(fā)器的功耗就成了WSN操作系統(tǒng)的關(guān)鍵問題之一。Contiki操作系統(tǒng)中，通過利用稱為ContikiMAC的RDC（radio duty cycling）機(jī)制來減少各節(jié)點(diǎn)RF收發(fā)器的工作時間[6]。在無線信號正常傳輸?shù)那疤嵯?，該機(jī)制做到了讓各節(jié)點(diǎn)RF收發(fā)器在大約99%的時間內(nèi)處于關(guān)閉狀態(tài)，從而大大降低各節(jié)點(diǎn)的功耗。

對于各傳感器節(jié)點(diǎn)，我們在軟件中首先設(shè)計了溫濕度傳感器和照度傳感器的I2C讀寫功能，并利用了Contiki的RIME協(xié)議將各傳感器收集到數(shù)據(jù)發(fā)送出去。CC2538與SHT21溫濕度傳感器之間進(jìn)行I2C通訊的代碼如下：

i2c_master_set_slave_address（SHT21_SLAVE_ADDRESS， I2C_SEND）；

i2c_master_data_put（regist）；

i2c_master_command（I2C_MASTER_CMD_BURST_SEND_START）；

if（regist == SHT21_TEMP_REGISTER） {

for（temp=0； temp<12； temp++） {

clock_delay_usec（8500）；

}

} else if（regist == SHT21_HUMI_REGISTER） {

for（temp=0； temp<12； temp++） {

clock_delay_usec（2900）；

}

}

i2c_master_set_slave_address（SHT21_

SLAVE_ADDRESS， I2C_RECEIVE）；

i2c_master_command（I2C_MASTER_CMD_BURST_

RECEIVE_START）；

*data = i2c_master_data_get（） << 8；

i2c_master_command（I2C_MASTER_

CMD_BURST_RECEIVE_CONT）；

*data |= i2c_master_data_get（）；

i2c_master_command（I2C_MASTER_CMD_BURST_

RECEIVE_FINISH）；

CC2538和MAX44009照度傳感器之間進(jìn)行I2C通信的代碼如下：

i2c_master_set_slave_address

（MAX44009_ADDRESS， I2C_SEND）；

i2c_master_data_put（MAX44009_LUX_HIGH_ADDR）；

i2c_master_command（I2C_MASTER_CMD_BURST_SEND_

START）；

i2c_master_set_slave_address（MAX44009_ADDRESS， I2C_

RECEIVE）；

i2c_master_command（I2C_MASTER_CMD_BURST_

RECEIVE_START）；

highbyte = i2c_master_data_get（） ；

i2c_master_set_slave_addres

（MAX44009_ADDRESS， I2C_SEND）；

i2c_master_data_put（MAX44009_LUX_LOW_ADDR）；

i2c_master_command（I2C_MASTER_

CMD_BURST_SEND_CONT）；

i2c_master_set_slave_address（MAX44009_

ADDRESS， I2C_RECEIVE）；

i2c_master_command（I2C_MASTER_CMD_BURST_

RECEIVE_CONT）；

lowbyte = i2c_master_data_get（） ；

i2c_master_command（I2C_MASTER_

CMD_BURST_SEND_FINISH）；

i2c_master_command（I2C_MASTER_CMD_BURST_

RECEIVE_FINISH）；

RIME協(xié)議是Contiki自帶的無線局域網(wǎng)通信協(xié)議[7]，通過分層化的協(xié)議結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)廣播、單播、可靠單播等傳輸方式，并可以實現(xiàn)多跳傳輸。在考慮到使用環(huán)境后，我們通過現(xiàn)場試驗對比了幾種傳輸方式的可靠性，最后決定采用單跳的RIME可靠單播方式來發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)。各傳感器節(jié)點(diǎn)每十分鐘采集一次數(shù)據(jù)并發(fā)送出去，由匯聚節(jié)點(diǎn)接收到后發(fā)送給上位計算機(jī)，整個無線采集系統(tǒng)的示意圖如圖3所示。

圖3 無線采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 上位機(jī)軟件設(shè)計

上位機(jī)軟件采用C#語言進(jìn)行設(shè)計，在功能上主要包括了顯示各傳感器節(jié)點(diǎn)回傳數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫保存。上位機(jī)通過USB轉(zhuǎn)串口的方式實現(xiàn)與匯聚節(jié)點(diǎn)的串口通訊，為了提高串口數(shù)據(jù)讀取的可靠性，在程序設(shè)計中沒有使用串口控件，而是使用了下面的接收函數(shù)來接收串口數(shù)據(jù)：

private void DoReceive（）

{

Byte[] buffer = new Byte[1024]；

while （receiving）

{

if （comport.BytesToRead > 0）

{

Int32 length = comport.Read（buffer， 0， buffer.Length）；

Array.Resize（ref buffer， length）；

Display d = new Display（DisplayText）；

this.Invoke（d， new Object[] { buffer }）；

Array.Resize（ref buffer， 1024）；

}

Thread.Sleep（16）；

}

}

數(shù)據(jù)庫部分采用SQL Server 2008作為數(shù)據(jù)源，記錄所采集的溫濕度、照度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)表的第一列為各傳感器節(jié)點(diǎn)中CC2538芯片RF MAC的IEEE地址，以區(qū)分各傳感器，最后一列為數(shù)據(jù)存儲時間，以備以后查詢。

3 結(jié) 語

本文中設(shè)計了基于CC2538和Contiki的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以采集空間各點(diǎn)的溫濕度、照度數(shù)據(jù)，并通過上位機(jī)進(jìn)行顯示和數(shù)據(jù)存儲。經(jīng)過現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸可靠性高，測試過程中沒有發(fā)現(xiàn)丟包現(xiàn)象。由于各芯片選用上突出了低功耗的要求，使得WSN中各傳感器節(jié)點(diǎn)的電池壽命大大增加。本文中所設(shè)計的WSN提供了更加方便精確地進(jìn)行測試環(huán)境監(jiān)控的手段，可以用于大型分布式光度計光學(xué)暗室的三維空間中溫濕度、照度的測量。

參考文獻(xiàn)

[1] 錢志鴻，王義君.面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述[J]. 電子與信息學(xué)報，2013，35（1）：215-227.

[2] Atzori L.， Iera A.， Morabito G..From “Smart Objects” to “Social Objects”： The Next Evolutionary Step of the Internet of Things[J] IEEE Communications Magazine， 2014（1）：22-24.

[3] Andrea Castagnetti， Alain Pegatoquet， Trong Nhan Le.A Joint Duty-Cycle and Transmission Power Management for Energy Harvesting WSN [J] IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL INFORMATICS，2014，10（2）：38-39.

[4] Tevfik Yücek，Hüseyin Arslan.A Survey of Spectrum Sensing Algorithms for Cognitive Radio Applications[J].IEEE COMMUNICATIONS SURVEYS & TUTORIALS， 2009，11（1）：18-21.

[5] Adam Dunkels， Bj?rn Gr?nvall， Thiemo Voigt. Contiki-a lightweight and flexible operating system for tiny networked sensors[C].Proceedings of the First IEEE Workshop on Embedded Networked Sensors （Emnets-I）， Tampa， Florida， USA， 2004.

[6] Adam Dunkels. The ContikiMAC Radio Duty Cycling Protocol. [R] Technical Report T2011：13， Swedish Institute of Computer Science，2011.

[7] Adam Dunkels. Rime - a lightweight layered communication stack for sensor networks. [C] Proceedings of the European Conference on Wireless Sensor Networks （EWSN）， Poster/Demo session， Delft， The Netherlands，2007.