一种鸡舍环境监测的无线传感器网络节点的设计

游 洪， 严文强， 李雪冬，黄桂林

(南京农业大学工学院，江苏南京 210031)

一种鸡舍环境监测的无线传感器网络节点的设计

游 洪， 严文强， 李雪冬，黄桂林*

(南京农业大学工学院，江苏南京 210031)

为实现对鸡舍环境中温湿度、二氧化碳和氨气浓度的实时监测，设计了基于UTC4432的无线传感器网络的节点模块。该模块是以无线透传模块UTC4432为收发模块，传感器将采集的数据信息传送给主控芯片STM32进行处理，再经无线模块发送给主节点，实现数据的监测和发送。该节点模块具有体积小、功耗低、实时性强等特点，同时具有很好的适用性，发展前景广阔。

无线传感器网络；UTC4432；STM32；鸡舍环境监测

目前，在现有的环境监测设备中，主要采用有线的方式，因其具有良好的实时性和安全性。作为国内外的热门技术，无线传感器网络也越来越得到人们的关注，运用到环境监测中的无线传感器网络技术也越来越多。如运用面很广的基于ZigBee[1-3]的无线模块，因其传输距离远和组网规模大而得到很好的利用，也有基于CC2420[4]无线模块和nRF24L[5]无线模块的，在国外现有比较典型的无线模块节点有美国DARPA支持下开发的Smart Dust和NEST项目开发的Telos节点，以及美国加州大学Berkeley分校的Mica系列节点[6]。在该研究中节点的设计上，采用微处理器STM32为处理器，UTC4432为无线模块作为节点，从而对环境进行监测，及时掌握环境变化。

1 系统整体结构

无线传感器节点的各部分组成结构如图1所示。在该模块的节点设计中，采用了ST(意法半导体公司)的144位嵌入式微控制处理器STM32F103RCT6[7-8]。STM32芯片在各方面都表现优异，包括外设、功耗控制、成本，同时具有较好的稳定性，能适应一些恶劣的环境。在与UTC4432进行通信时，不需要进行SPI配置，可直接进行数据信息传输；采用UTC4432为无线收发模块，该模块是工作于430～450 MHz免费ISM频段，适合多节点的特殊场合，当需要多节点进行通信时，该模块具有很好的适用性；对传感器模块，主要采用数字式的温度传感器和模拟量输出的CO2和NH3传感器，该模块不用进行比较复杂的程序书写；电源模块的作用是将电压稳定在3.3、5.0和6.0 V。

图1 无线传感器节点结构

2 节点硬件电路设计

节点的硬件电路图如图2所示，实物图如图3、4所示。图2中PA8、PA6分别接CO2和NH3的AOUT口，通过传感器的模拟后采集数据。节点的整体结构包含控制模块、无线发射模块、传感器模块以及电源模块。

图2 节点硬件电路示意

图3 节点实物图正面

图4 节点实物图反面

2.1 微处理器模块 STM32系列是基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。其特性主要为：①按性能分为STM32F103系列增强型和STM32F101系列基本型，其时钟频率分别为72和36 MHz，同时内置32～128 K的闪存；②工作电压低，为2.0～3.6 V，能容忍5.0 V的I/O管脚；③具有优异的安全时钟模式以及带唤醒功能的低功耗模式；④内部带有RC振荡器，同时内嵌复位电路；⑤工作温度范围为-40～85 ℃或125 ℃；⑥对增强型最多达13个通信接口，包括2个IIC接口、5个USRAT接口、3个SPI接口、1个CAN接口(2.0B)、1个USB2.0全速接口、1个SD IO接口。

2.2 无线射频模块 UTC4432是一款具备收发一体、超远距离、超低功耗的无线透明传输模块。通常工作在433 MHz免费ISM频段，支持无线唤醒功能，提供多个频道选择，同时，透明传输无需编程，可通过PC设置常规参数，也可以在线进行修改，一次能发送长达512字节的数据包，在开阔地能传输2 000～2 500 m。

UTC4432基本特性如下：①带串行接口，支持1 200 / 2 400 / 4 800 / 9 600 / 19 200 / 38 400 / 57 600 bps频率的波特率；②工作频率范围为430～450 MHz免费ISM频段，很适合多节点的特殊场合；③功耗低，支持无线唤醒功能，在休眠状态下仅为1.5 μA，能满足低功耗要求的设备；④采用GFSK调制，能高效纠错编码，抗干扰能力强；⑤接收灵敏度能达到-121 dBm,同时采取数字缓冲，一次能发送长达512字节的数据。

UTC4432与MCU的接口电路如图5所示。

图5 UTC4432与MCU的接口电路

模块与STM32连接时，SET_A与SET_B分别接STM32的两个GPIO口，模块的TXD和RXD分别接STM32串口的RX和TX引脚，AUX脚接STM32的外部中断引脚(AUX非必须，可以悬空)，3.3和5.0 V电源同时给模块供电。

2.3 电源模块 由于传感器节点的体积较小、电源更换不方便，该节点采用12.0 V、容量为3 500 mAH的高容量聚合物(锂电池)可充电电池，通过降压芯片转化为3.3～6.0 V，节点在不停地转发数据，同时在4种状态之间发生转化。电源模块电路图如图6所示，实物图如图7所示。

图6 电源模块电路示意

图7 电源模块实物示意

2.4 传感器模块 在温湿度监测上，该研究采用的是DHT22数字温湿度传感器，部分参数如表1所示。该传感器采用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，具有极低的功耗，信号传输可达20 m以上。

在CO2和NH3监测上，该研究采用龙戈电子的MG811型号和MQ137型号，其中CO2传感器电路原理图如图8所示。在结构的设计上主要由LM393和MG811气体感应探头组成，该装置具有TTL电平信号灯输出指示，模拟量输出电压为0～2.0 V，浓度越高输出电压越高，带有温度补偿特性，适用于家庭和环境中的CO2浓度测量，测试范围为0～10 000 mg/kg，同时具有很好的灵敏度和选择性。

表1 温湿度参数

图8 CO2传感器电路原理示意

NH3传感器模块主要由NH3气体传感器组成，工作电压为5.0 V，采用双路信号输出，同时带有电平信号输出，以及报警知识灯，测试范围为5～500 mg/kg，灵敏度大于3%，对环境中的NH3浓度具有很好的监测性，在该节点的设计上主要采用模拟量输出。

NH3传感器原理图如图9所示。

图9 NH3传感器原理示意

3 节点软件设计

软件设计流程图如图10所示。完成STM32、UTC4432、传感器的初始化后，配置寄存器写入相应的初始化RF控制字。在节点软件的设计上，采用C语言[9]进行程序编写，开发环境是由美国Keil Software公司出品的51系列兼容C语言软件开发系统[10]，它提供了包括C编译器、宏汇编、连接器和功能强大的仿真调试器等调试工具，同时具有方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具。运用于STM32微处理器在Keil软件上的编写过程，结合Keil软件自身的编译工具及相应参数的设置。

图10 软件设计流程示意

在无线节点设计的软件部分需要完成的工作：①初始化：通过硬件部分的连接关系，完成各个参数和接口之间的初始化，这个过程包括对STM32F103RCT6的初始化、UTC4432的初始化以及各个传感器的初始化。②数据信息传输：将传感器采集来的数据信息通过无线发射模块传送给中继节点，处理后进而传送给监控中心。在该节点的设计上，由于采用12.0 V的电源供电，同时检测种类较多，所以采用功耗相对较低的时钟驱动方式，定时启动，进行传感器的数据信息采集，然后将信息发送出去，不需要的时候转入睡眠模式。

在数据信息的发送上，采用定时发送，定时排险，在节点的设计上，定时启动时采集数据信息，然后将数据发送给监控中心，之后转入睡眠模式。

4 结论

随着鸡舍养殖环境的变化，对养殖环境的监测提出了更高的要求。集成电路和无线通信在各个领域的运用也越来越广泛[11]，无线传感器检越来越受到人们的喜爱。利用以UTC4432为基础的无线模块解决了鸡舍环境监测中存在的监测区域小、数据采样率低、工作量大、成本投入大的缺点[12]，具有广阔的运用前景，适合绝大多数环境监测中信息采集的需要。在整个设计过程中，按照设计要求基本实现了目标，但也存在着不少问题，如电路设计缺少经验，射频知识掌握不多，没有采用先进的表面贴片封装天线，减小体积，设计更小的板子。但总体来讲，基本上达到了目标。

[1] 唐家辉.基于ZigBee协议的无线传感器网络节点的设计[D].沈阳：东北大学，2008.

[2] 李文.基于ZigBee和以太网技术的鸡舍环境监控系统设计[J].农机化研究，2010(11):126-129.

[3] BAKER N.Zigbee and Bluetooth strengths and weaknesses for industrial applications[J].Computing&Control Engineering Journal,2005,16(2):20-25.

[4] 陈冬冬.基于CC2431的无线传感器网络硬件节点的设计[D].西安：长安大学，2009.

[5] 廖平，乔刚.基于nRF2401的点对多点无线通信系统[J].无线通信，2006(11):18-20.

[6] HILL J L,CULLER D E.Mica:A wireless platform for deeply embedded networks[J].IEEE Micro,2002,22(6):12-22.

[7] 杨伟明，刘全玺，刘成臣，等.基于STM32微控制器的数控稳压稳流电源设计[J].天津科技大学学报，2012(5)：56-60.

[8] 黄海宝，吴学杰，高艳艳.基于STM32F103局域网远程更新技术的实现[J].工业控制计算机，2012,25(12)：97-98.

[9] 谭浩强.C语言程序设计[M].4版.北京：清华大学出版社，2010.

[10] 黄皎，刘建国，高敏.单片机C语言编程应注意的若干问题[J].微计算机信息，2003(7):58-59.

[11] 王言鑫，刘浩，孙诚.基于无线通信的点对多点温度传感器通信网络[J].通信工程，2012(3):185-186.

[12] 刘宸，张瑞瑞，赵春江.基于ZigBee的农产品冷链环境信息采集节点设计[J].农机化研究，2014(6):198-201.

南京农业大学SRT国家级立项(201310307073)。

游洪(1990- )，男，四川广安人，本科生，专业：鸡舍养殖环境的无线监测系统。*通讯作者，讲师，硕士，从事智能环境监测及EDA方面的研究。

2014-05-04

S 126

A

0517-6611(2014)15-04901-03

鸣 谢 在项目的研究过程中，得到了尹文庆教授和黄桂林老师的大力帮助，在此表示由衷的谢意。