基于果园环境信息监测的无线传感器网络节点设计

刘燕德，赵文星，周衍华，吴至境，熊松盛，刘德力

（1.华东交通大学 机电工程学院，江西 南昌 330013；2.光机电技术及应用研究所 江西 南昌 330013）

在果树生产过程中，园区气象等生态环境因子对果树生长发育、生产管理决策以及病虫害发生发展与预防等具有重要的影响，因此果园生态环境信息的自动采集和远程传输对于指导实际生产具有十分重要的意义[1]。传统的果园环境信息主要是依靠人工来获取，这样费时费力而且效率很低。本文设计了一种用于对果园环境信息进行实时监测的无线传感器网络节点，来实现数据的准确测量并可靠传输，这大大地减小了传统数据采集过程中受时间和空间等因素的限制。只有及时获取果园环境信息并进行调控，果树的品种优势才能充分发挥。通过了解果园环境的微气象信息，可以实现对果树环境信息进行动态监控：达到满足果树的营养需求、节约用水、监测果树病虫害的目的，最终实现果树栽培中各项关键参数更精确的控制[2]。进行A/D转换，经处理器处理后由射频模块发送到相邻节点，同时该节点也要执行数据转发功能，即把相邻节点发送的数据发送到汇聚节点或离汇聚节点更近的节点[3]。果园环境信息传感器节点由数据采集模块、微控制器模块、射频通信模块和电源模块4部分组成，硬件结构简图如图1所示。数据采集模块负责果园环境信息的采集和数据转换；微控制器模块控制节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据。

图1 硬件结构简图Fig.1 Structure diagram of the hardware system

1 节点硬件设计

传感器节点的设计是果园环境信息监测的核心，主要是通过传感器采集果园环境的数据（温度、湿度、光照等），然后

1.1 微控制器模块

微控制器是整个系统的核心，为了节省系统电源，微控制器采用定时休眠、定时唤醒的工作方式。在唤醒后的工作状态，微控制器打开传感器的供电电源，定时读取传感器采集的数据并进行计算处理。定时打开射频模块，与基站进行定时联络以及发送和接收数据。

选用低功耗的MSP430F149芯片，它是一种新型的混合信号处理器，采用了美国德州仪器（Texas Instruments）公司最新低功耗技术（工作电流为0.1~400 p A），它将大量的外围模块整合到片内，特别适合于开发和设计单片系统。具有16位CPU和高效的RISC指令系统，两路USART通信串口，可用于UART和SPI模式：片内有精密硬件乘法器、两个l6位定时器，6个并行口，48条I/O口，具有64 kB的闪存.用于存储采集数据[4]。

1.2 数据采集模块

数据采集模块是对果园的温度、湿度、光照强度等信息进行采集，然后将采集到的数据通过A/D转换送给单片机进行处理。

1.2.1 光照强度单元

光频转换器TSL230是美国TI公司的最新智能传感器，它可直接对可见光进行频率转换；其灵敏度、分频输出可由程序控制。S0、S1为灵敏度控制端，实际上是通过改变芯片上的感光窗口的面积来改变灵敏度；S2、S3量程选择端；OUT为频率信号输出，进入单片机的捕获输入，程序中选择上升沿捕获有效，通过计算两次捕获时间内计数器的数值差，便可以计算出输出的频率值[5]。TSL230B与MSP430F149的接口电路图如图2所示。

图2 TSL230B的接口电路图Fig.2 The interface circuit of TSL230B

1.2.2 温湿度传感器单元

温湿度传感器采用SHT11。SHT11是瑞士Sensirion公司推出的基于CMOSensTM技术的新型温湿度传感器，它可以直接提供温度在-40~120℃范围内且分辨率为14 bit的数字输出和湿度在0~100%RH范围内且分辨率为l2 bit的数字输出[6]。SHT11电源供电要求为2.4~5.5 V，电源和时钟信号均由微处理器提供，数据线管脚三态输出，因此需要外界一个上拉电阻将信号拉高。图3 SHT11接口电路图。

图3 SHT11接口电路图Fig.3 The interface circuit of SHT11

1.3 射频通信模块

射频通信模块负责低功耗短距离节点间的通信，交换控制信息和收发采集数据。

采用nRF2401芯片实现的无线传输模块。nRF2401通过外接晶体为它提供工作所用的时钟。nRF2401还必须有天线电路，这样才能进行数据的收发。nRF2401通过SPI口与MSP430单片机进行连接，由于nRF2401的SPI口只有1个数据管脚（DATA管脚），所以该管脚直接与MSP430单片机的SPI口的数据收发管脚（MOSI、MISO）进行连接。如图4所示为nRF2401芯片接口电路图。

图4 nRF2401芯片接口电路图Fig.4 The interface circuit of nRF2401

由图4可以看出，nRF2401芯片的CE、CS、DR1和PWR_UP管脚分别与MSP430单片机的P1.0、P1.1、P1.2和P1.3管脚进行连接。P1.0、P1.1和P1.3管脚只是用来控制nRF2401芯片的工作状态，而P1.2管脚用来指示nRF2401是否接收数据，由于P1口的管脚有中断功能，因此可以将P1.2管脚设置成中断方式。由于nRF2401的SPI口只有1个数据管脚（DATA），因此将DATA管脚分别与MSP430单片机的SPI口数据收发管脚（MOSI、MISO）进行连接。由于SPI口的2个数据管脚都连接到nRF2401芯片的DATA管脚，因此MSP430单片机的SPI口的数据管脚都需要串接10kΩ的电阻。由于DR1是高电平有效，因此需要将P1.2管脚拉低。

1.4 电源模块

电源模块提供节点的能量，通常选用体积小、容量高的电池，以确保节点的微型化和长寿命。

2 节点软件设计

2.1 节点工作流程

传感器节点的数据传输采用基于802.15.4标准的ZigBee无线传输协议，采用了协议栈Z-Stack。当节点通电之后，先初始化，系统进入低功耗模式，当传感器收到采集数据请求时，节点被唤醒，开始采集数据，确认采集到后，将数据进行简单的处理、储存，并在设定的时间内.尝试把数据发送出去，当成功发送后，则回到低功耗模式。工作流程如图5所示。

图5 节点工作流程图Fig.5 Flow chart of the note design

2.2 无线传输设计

开发以IAR WorkbenchV3.1为平台，采用C语言编写，软件编程的基本思路是：先对SPI、nRF2401控制端口初始化；使能SPI、UART端口，使能ADC，对nRF2401芯片初始化；无线传输软件设计包括初始化程序、管脚模拟程序和数据收发程序。

2.2.1 收发模式

nRF2401芯片的收发模式有突发（ShockBurstTM）收发模式和直接收发模式两种，这里只介绍ShockBurstTM收发模式。收发模式由器件配置字决定。

在ShockBurstTM收发模式下，主要有以下特点：

1）使用片内的FIFO，数据从单片机低速送入，由nRF2401高速发送，这样可以尽量节能。

2）射频协议由芯片内部进行处理，这样非常方便进行程序开发。

3）nRF2401自动处理数据帧的头和CRC校验码，在接收数据时，自动把数据帧的头和CRC校验码移去；在发送数据时，自动加上数据帧的头和CRC校验码。

下面介绍在ShockBurstTM模式下的收发流程。

1）ShockBurstTM发送流程

在发送状态下，主要通过CE、CLK1、DATA这3个管脚来实现数据的发送。nRF2401突发模式下的数据无线发送流程图，如图6所示。

图6 nRF2401突发模式下的数据无线发送流程图Fig.6 Flow chart of the wireless data transmission of ShockBurstTM design

具体流程如下：

1）当单片机有数据要发送时，先把CE置高，使nRF2401进入发送模式。

2）单片机把地址和要发送的数据通过SPI口写入nRF2401的FIFO。

3）单片机将CE置低，使nRF2401开始以ShockBurstTM模式发送数据。

2）ShockBurstTM接收流程

在接收状态下，主要通过CE、CLK1、DR1和DATA这4个管脚来实现数据的接收。nRF2401突发模式下的数据无线发送流程图，如图7所示。

图7 nRF2401突发模式下的数据无线接收流程图Fig.7 Flow chart of the wireless data receiving of ShockBurstTM design

具体流程如下：

1）单片机将CE置高，进入接收状态。

2）延时200μs后，nRF2401进入监视状态，等待数据包的到来。

3）当接收到正确的数据包后，nRF2401自动把数据帧的头、地址和CRC效验码去掉。

4）nRF2401将DR1置高来通知单片机有数据到来。

5）单片机将数据从nRF2401读出。

6）所有数据读完以后，nRF2401把DR1置低。如果CE继续设置为高，则继续等待下一个数据包；如果CE为低，开始其他工作流程。

3 结 论

根据果园环境信息监测的需求，文中将MSP430单片机和nRF2401相结合进行了无线传感器节点的设计，通过果园微气象信息的监测，来实现对果园的数字化管理，为果园系统的设计指明了方向。由该节点组成的无线传感器网络在小规模实验中已表现出良好的工作效果，可在特殊环境下实现监测区域内信号的采集、处理与传输。

[1]汪伟伟，李绍稳，孟浩，等.基于DataSocket的果园生态环境远程数据采集系统[J].微计算机信息，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]刘燕德，吴滔.基于无线传感网络的果园环境实时监控系统设计[J].湖北农业科学，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]张颖，赵晓虎，苗全利，等.基于环境信息监测的无线传感器网络节点设计[J].电子设计工程，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]沈建华，杨艳琴.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[5]左巍，康龙云，曹秉刚，等.基于MSP430单片机风速、光辐照度同步测试仪[J].微计算机信息，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]孙利民，李建中，陈渝，等.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005.

[8]黄长喜.无线传感器网络节点设计的研究[D].合肥：合肥工业大学，2006.

[9]石权.基于无线传感器网络的温湿度采集系统的设计[D].吉林：吉林大学，2008.

[10]韩廷阁.基于ZigBee的土壤湿度无线采集系统节点设计[D].咸阳：西北农林科技大学，2010.

[11]丁永红，孙运强.基于nRF2401的无线数传系统设计[J].国外电子测试技术，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.