李小敏，朱立學(xué)，姚華平，張日紅

（仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院機(jī)電學(xué)院，廣州 510225）

0 引言

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)作為信息采集的一種有效方式，越來(lái)越受到人們的重視[1]。特別是在一些環(huán)境惡劣、不利布線的場(chǎng)合，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)更加明顯。農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)化生產(chǎn)是當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的趨勢(shì)和要求，而其中對(duì)農(nóng)作物環(huán)境信息的采集是實(shí)現(xiàn)這一目的的首要條件[2]。隨著無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，將其應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息采集成為研究的熱點(diǎn)。果蔬作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要部分，它對(duì)環(huán)境的要求更高；而將無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與果蔬環(huán)境信息采集相結(jié)合很容易實(shí)現(xiàn)對(duì)果蔬環(huán)境的精準(zhǔn)掌握[3,4]。果蔬環(huán)境信息的采集是實(shí)現(xiàn)果蔬智能控制、精準(zhǔn)種植的前提。國(guó)內(nèi)外的研究者對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在果蔬環(huán)境信息采集領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)研究，目前該技術(shù)存在成本高、集成度低、不易擴(kuò)展等不足[5]。

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)分為節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、網(wǎng)路層面設(shè)計(jì)、客戶端軟件設(shè)計(jì)三部分。而其中多參數(shù)數(shù)據(jù)感知節(jié)點(diǎn)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，它擔(dān)負(fù)著信息采集和數(shù)據(jù)發(fā)送的任務(wù)。本文以果蔬環(huán)境信息采集為條件，并采用新型低功耗處理芯片CC430F5135設(shè)計(jì)了一種果蔬環(huán)境多參數(shù)數(shù)據(jù)感知節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)，在滿足基本需求的前提條件下，以低功耗和低成本為原則，對(duì)節(jié)點(diǎn)硬件軟件進(jìn)行了精簡(jiǎn)設(shè)計(jì)。

1 果蔬多參數(shù)數(shù)據(jù)感知系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于果蔬環(huán)境的面積和結(jié)構(gòu)，整個(gè)果蔬環(huán)境的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)一到兩跳的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分為信息采集節(jié)點(diǎn)、路由基站和客戶端服務(wù)器，如圖1所示，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的工作過(guò)程為：網(wǎng)絡(luò)的傳感節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送至父節(jié)點(diǎn)或是發(fā)送給基站；基站將所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)融合，通過(guò)GPRS/GSM或4G將所需要的信息發(fā)送至客戶端服務(wù)器；用戶通過(guò)服務(wù)器上的軟件將采集到的數(shù)據(jù)以圖形或表格的形式顯示出來(lái)，從而可以了解果蔬環(huán)境的狀態(tài)，為做出相關(guān)決策提供數(shù)據(jù)支持。

圖1 果蔬環(huán)境信息采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 Network structure of fruit and vegetable environment information acquisition system

2 多源信息采集節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 處理芯片與射頻芯片部分

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)信息采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案通常有兩種。一種是用8位的AVR芯片＋射頻[6-7]的方案，8位AVR芯片的處理能力有限，不易節(jié)點(diǎn)以后的升級(jí)和擴(kuò)展；第二種是以16位的處理芯片MSp430＋射頻芯片的方案[9-10]，處理能量加強(qiáng)，但是集成度不高。以上方案都是將處理芯片（MCU）與無(wú)線發(fā)射芯片（RF）獨(dú)立開(kāi)來(lái)通過(guò)相關(guān)的電路連接起來(lái)，沒(méi)有集成在一起，使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，PCB面積大，成本高且有時(shí)節(jié)點(diǎn)性能不穩(wěn)定。

針對(duì)上面兩種方案的不足，本文以CC430F5137為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了適應(yīng)于果蔬環(huán)境高集成度的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC430系列芯片是TI公司2008年推出的能滿足射頻頻率低于1 GHz要求。該芯片將超低功耗處理芯片（SoC）MSP430和CC1101射頻模塊集成到MCU片內(nèi)，采用穩(wěn)定性更好的芯片封裝技術(shù)。CC430不但繼承傳統(tǒng)MSP430已有低功耗、功能強(qiáng)大、IO豐富、性能穩(wěn)定和CC1101調(diào)制方式多樣、靈敏度高等特點(diǎn)，而且集成度更高、外部電路簡(jiǎn)單。其成為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)首選的芯片。CC430F5137是一種16位采用RISC結(jié)構(gòu)的RF處理芯片。工作電壓為1.8～3.3 V，且有五種低功耗模式供用戶選擇，其喚醒時(shí)間最多為6μs完全可以滿足用戶的需求。

圖2 節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of node hardware structure

果蔬信息采集節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)由電源、處理器、射頻外圍電路、傳感器模塊和擴(kuò)展接口組成，如圖2所示。整個(gè)節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)果蔬環(huán)境空氣的溫濕度、光照強(qiáng)度、CO2含量、以及土壤參數(shù)的采集，然后通過(guò)節(jié)點(diǎn)的無(wú)線射頻系統(tǒng)將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。為了節(jié)點(diǎn)以后的擴(kuò)展和設(shè)計(jì)，增加了擴(kuò)展接口。

2.2 傳感器部分

傳感器作為節(jié)點(diǎn)的重要部分，其作用是將果蔬環(huán)境下的感知量轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，通過(guò)接口總線傳輸給MCU。所以傳感器的選擇，不僅關(guān)系到無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的成本和采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，而且直接影響節(jié)點(diǎn)的功耗，進(jìn)而決定節(jié)點(diǎn)的壽命。

果蔬環(huán)境下空氣的溫濕度、CO2含量、光照強(qiáng)度、土壤的溫度和含水量、氧氮含量等都對(duì)植物生長(zhǎng)有影響。所以節(jié)點(diǎn)傳感器的選擇在滿足果蔬環(huán)境要求基礎(chǔ)上，以成本和低功耗為原則進(jìn)行選擇?？諝鉁貪穸葏?shù)采用SHT11，土壤溫濕度用SLHT5-1，光強(qiáng)選用ISL29010，而以TGS4161來(lái)檢測(cè)CO2的含量。表1是果蔬環(huán)境信息采集節(jié)點(diǎn)相關(guān)傳感器的部分參數(shù)。

表1 傳感器參數(shù)表Table 1 sensor parameters

2.3 電源電路

果蔬環(huán)境下不宜采用自供電系統(tǒng)為節(jié)點(diǎn)供電，所以在設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)電源系統(tǒng)時(shí)采用3.7 V可反復(fù)充電使用的充電鋰電池為電源。如果節(jié)點(diǎn)需要長(zhǎng)期使用，或是信息采集頻率高可以將多節(jié)鋰電池并聯(lián)使用，以延長(zhǎng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的壽命。由于其中SHT11、SLHT5-1、ISL29010都可以在3.3 V電壓下工作，所以處理芯片采用3.3 V電源系統(tǒng)，但是CO2傳感器TGS4161需要5 V電源供電。所以在設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)電源系統(tǒng)時(shí)需將3.7 V轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的其他大小數(shù)值的電壓。

圖3 電源系統(tǒng)外圍電路Fig.3 Peripheral circuit of power system

本文可以采用TI公司的LM3671穩(wěn)壓芯片為基礎(chǔ)輸出3.3 V電壓。LM3671芯片可以輸入電壓為2.7 ～5.5 V，并可轉(zhuǎn)化為電流為 600 mA 的 1.1～3.3 V 電壓；5 V電壓轉(zhuǎn)換采用TPS61070芯片。該芯片可將3.3 V電壓調(diào)節(jié)到5 V/200 mA。通過(guò)在兩個(gè)芯片電路上添加相應(yīng)的濾波電路，完全可以滿足網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的供電需求。圖3為兩個(gè)芯片的相關(guān)外圍電路。

3 節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 節(jié)點(diǎn)主程序的設(shè)計(jì)

果蔬環(huán)境下的節(jié)點(diǎn)主要有采集數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)兩個(gè)任務(wù)。采用周期時(shí)間對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并以時(shí)間中斷的方式來(lái)觸發(fā)。當(dāng)采集時(shí)間到時(shí)，MCU從低功耗模式蘇醒，完成數(shù)據(jù)采集，然后通過(guò)無(wú)線通信將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

3.2 MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)

在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中，無(wú)線模塊數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收是非常消耗能量的。在以降低功耗為目的的前提下，盡可能使無(wú)線節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)。由于果蔬環(huán)境的面積一般較小，所以采集信息時(shí)所用的節(jié)點(diǎn)較少，而且整個(gè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的采集頻率不是很高。綜合以上3個(gè)因素，在多參數(shù)無(wú)線采集MAC協(xié)議時(shí)，采用在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)周期性的睡眠機(jī)制。通過(guò)周期睡眠機(jī)制可以使得節(jié)點(diǎn)避免空閑監(jiān)聽(tīng)及泛洪協(xié)議傳輸中的碰撞、節(jié)點(diǎn)旁聽(tīng)、控制繁雜四個(gè)方面造成的感知節(jié)點(diǎn)能量的浪費(fèi)[11]。

圖4給出了在周期性睡眠M(jìn)AC協(xié)議下，節(jié)點(diǎn)通信的機(jī)制。節(jié)點(diǎn)2有兩個(gè)子節(jié)點(diǎn)，分別為節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)3。當(dāng)無(wú)數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)點(diǎn)1，2，3都處于睡眠狀態(tài)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，3個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入周期睡眠機(jī)制。節(jié)點(diǎn)1向節(jié)點(diǎn)2發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)：首先節(jié)點(diǎn)1先向節(jié)點(diǎn)2發(fā)送通信請(qǐng)求，節(jié)點(diǎn)2接受該請(qǐng)求后并判斷信道是否被占用，如果信道空閑，節(jié)點(diǎn)2向節(jié)點(diǎn)1發(fā)送通信許可的應(yīng)答信號(hào)，然后兩個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸完成節(jié)點(diǎn)1進(jìn)入睡眠狀態(tài)。在整個(gè)發(fā)送過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)3采用周期的睡眠機(jī)制，在活動(dòng)狀態(tài)時(shí)向節(jié)點(diǎn)2發(fā)送通信請(qǐng)求。當(dāng)信道空閑時(shí)，節(jié)點(diǎn)2向節(jié)點(diǎn)3發(fā)出通信許可應(yīng)答信號(hào)，完成節(jié)點(diǎn)2、3之間的通信，然后節(jié)點(diǎn)2再將數(shù)據(jù)傳輸給自己的父節(jié)點(diǎn)。當(dāng)通信完成后節(jié)點(diǎn)1、2、3都進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

圖4 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序圖Fig.4 Node data transmission timing diagram

4 試驗(yàn)與分析

4.1 通信距離測(cè)試

節(jié)點(diǎn)通信距離測(cè)試條件為山地火龍果果園環(huán)境，測(cè)試時(shí)無(wú)線射頻頻率為433 MHz，射頻的發(fā)射功率分別為 -12 dBm、-6 dBm、0 dBm 和 10 dBm 四種功率。測(cè)試條件為：天線增益3 dBi離地面為1 m，溫度為30℃，濕度分別為45%，52%，68%，76%。圖5給出不同發(fā)射功率、不同濕度下的有效通信距離?？紤]到果蔬環(huán)境面積，節(jié)省節(jié)點(diǎn)的功率，所以采用10 dBm的發(fā)射功率完全可以滿足果蔬環(huán)境采集數(shù)據(jù)的需求。

4.2 功耗分析

經(jīng)過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體的系統(tǒng)指標(biāo)測(cè)量，測(cè)得系統(tǒng)總體指標(biāo)如下:低功耗模式3(LPM3)，即CPU關(guān)閉、主時(shí)鐘(MCLK)、鎖頻環(huán)和DCO時(shí)鐘關(guān)閉、DCO內(nèi)部直流發(fā)生器關(guān)閉、活動(dòng)時(shí)鐘(ACLK)保持活動(dòng)模式。在10 dBm的發(fā)射功率下，通過(guò)時(shí)間終端喚醒機(jī)制測(cè)得節(jié)點(diǎn)的參數(shù)如下：傳輸距離范圍為110 m左右；消耗的功率：最大做工電流為64.9 mA，處于睡眠狀態(tài)下節(jié)點(diǎn)的功耗測(cè)量為70.7 uA。經(jīng)過(guò)對(duì)本系統(tǒng)的射頻指標(biāo)和總體指標(biāo)的測(cè)量，表明此方案設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)性能完全能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，滿足了果蔬信息采集的需求。

圖5 不同發(fā)射功率下的通信距離Fig.5 Communication distance under different transmission power

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)果蔬環(huán)境信息采集的要求，結(jié)合TI公司提出的高集成度和低功耗芯片CC430F135，設(shè)計(jì)了適應(yīng)于果蔬環(huán)境下的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)節(jié)點(diǎn)采用周期性的睡眠機(jī)制，有效地節(jié)省了節(jié)點(diǎn)自身的能量，并且防止泛洪協(xié)議的數(shù)據(jù)碰撞。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用該種設(shè)計(jì)方案，完全滿足了設(shè)計(jì)需求，達(dá)到了降低節(jié)點(diǎn)體積與成本的目的。