西藏粮仓无线传感器网络节点的设计研究

唐松，尼玛扎西，格桑多吉，高定国（西藏大学工学院，拉萨850000）

西藏粮仓无线传感器网络节点的设计研究

唐松，尼玛扎西，格桑多吉，高定国
（西藏大学工学院，拉萨850000）

针对西藏粮仓监测中存在的缺点，提出了基于无线传感器网络的监控系统设计方案，包括WSN节点结构、处理模块设计、传输模块设计、传感器模块设计和软件测试，其中软件测试又包含指示灯和外部晶振软件测试、串口软件测试和温湿度传感器SHT11软件测试。

无线传感器网络；节点设计；软件测试

西藏粮食生产的一个重要过程是科学储藏粮食，如果监控不力导致粮食变质将会造成粮食的损失。西藏粮仓的主要监控物理量是温度和湿度，采用传统的人工监测手段是线缆布控，人工成本和监控设备的投入偏高，管理模式相对落后，因此粮食储藏的关键在于对粮仓实行实时、精细化管理。无线传感器网络由大量无线传感器网络节点通过无线通信技术自组织构成，融合了传感器技术、信息处理技术和网络通信技术，可实现数据的采集、处理、融合和传输，在军事和民用领域均有着非常广阔的应用前景。在粮仓中构建无线传感器网络，就可以实现对粮仓各处温湿度的低成本、高效监测，其中组成粮仓监控网络的最小单元是普通传感器采集节点，它将监控的温度、湿度信息传输给簇首节点，最终由相关路由传输至汇聚节点(sink)，汇聚节点经融合和处理数据，通过广域网将信息传送至后台监控中心。为了满足西藏粮仓监控网络成本低、功耗小的要求，节点中央处理器采用8bit的嵌入式单片机。无线传感器网络节点的主要功能部件如下：处理器ATmega128L，温湿度传感器SHT11，无线接收和发送管理器CC2420。

1　无线传感器网络节点结构

西藏粮仓WSN普通节点、簇首节点和汇聚节点主要模块包括以下四个方面：能量供给模块、数据处理模块、传感器数据采集模块和数据无线传送模块，图1为其框架图，其主要完成粮库温湿度数据的采集和逐级传输，最终将数据汇总到监控中心。

能量供给模块所需电量较少，其供电依靠2节5号AA电池；传感器数据采集模块采用的是灵敏度高的温湿度传感器SHT11；数据处理模块采用ATmega128L，主要功能是融合、处理SHT11采集的数据，控制连接的模块，选择WSN的路由协议，管理此节点的能耗，以及节点的定位和同步执行；数据无线传送模块主要组成部件是耗能很低的射频芯片CC2420，以及其外围连接的电路，模块的正常运作需要通过相应的通信协议和软件实现。

2　无线传感器网络节点设计

2.1处理模块设计

ATmega128L是8bit微控制器，基于AVR RISC结构，生产技术运用能耗很低的CMOS工艺。该芯片内部采用资源充足、功耗很低的Harvard布线结构；片内集成了存储容量为4 KB的E2PROM存储器、存储容量为4 KB且可外接扩展存储容量至64 KB的SRAM数据存储器和存储容量为128 KB的Flash存储器。此芯片还具有如下特征：可选用ISP编程或JTAG编程方式；总线接口为I2C、SPI和USART1/0；片上模拟比较器和振荡器、可自主编程设置的看门狗定时器和PWM通道（8个）；8位和16位计数/定时器各2个，10位ADC通道（8个），工作模式都可以根据具体的情况选用不同的类型。为了尽量节约监控节点的能耗，ATmega128L的工作模式除正常模式以外，还具有低能耗操作模式，共有六种相异的功耗层次模式，以适应不同功耗模式的需求。图2为选用ATmega128L的节点处理模块的接口电路图。

2.2传输模块设计

传输模块采用工作频率为2.4 GHz IEEE 802.15.4标准的CC2420芯片，CC2420芯片是可以发送和接收信号的射频收发器，兼容ZigBee协议，还拥有许多其他功能。传输模块的制造技术为0.18 μm CMOS工艺，采用集成度高、扩展性强的SmartRF03技术，所需外接部件很少，可靠性很高；具备以下易于集成的典型特征：调制方式为QPSK模式，最大速率可达到250 kb/s的接收、发送波特率；外接口使用可以直接连接处理核心AT⁃mega128L的SPI接口；体积小、功耗少、工作电压低且工作电压范围广（2.2～3.7 V）。西藏粮仓无线传感器网络节点传输模块接口电路如图3所示。

2.3传感器模块设计

数字化显示、灵明度高的温湿度传感器SHT11是西藏粮仓无线传感器网络的传感器模块，此传感器模块具备如下优点：

1）可靠性和稳定性很强，制作技术应用CMOS工艺，即使粮仓中浸水，感测头完全浸于水中仍能进行正常监控，完成数据的传输；

2）极小的封装体积，便于运输和布控，完成通信、监测任务后，工作模式自主切换至低能耗的模式；

3）具有很高的监测精确度，由于湿度和温度传感器共同集成于SHT11，SHT11可以使得露点计算具有高质量，以及湿度测量值带有精确度高的温度补偿；

4）提供DATA、SCK两种二线数字串行接口，简洁化接口处理，实现数据方便、快捷地传输，支持数据循环冗余码校验传送，实现高可靠地传输数据；

5）集成度高，加热、模数转换、变换信号、监控湿度和温度等功能，被集成到SHT11一个模块上。

为了完成监控数据的传输，SHT11需要与处理器芯片ATmega128L相连接，这通过I2C接口实现。

3　西藏粮仓无线传感器网络节点软件测试

用AVR Studi04作为检测工具对WSN节点进行软件测试，采用JTAGICE硬件仿真器，测试过程分模块进行。为了验证节点中各模块工作的稳定性和可靠性，分别编写对应的测试程序。对节点软件检测前，需要定位ATmega128，这通过连接AVRStudi04可以实现。为了与频率为7.3729MHz晶振产生的时钟源相匹配，需要采用JTAG编程将ATmega128熔丝位变为外部时钟。下文分别对测试模块进行软件测试说明，包括指示灯（黄灯）和外部晶振的软件测试，串口软件测试，以及温湿度传感器SHT11的软件测试。全部的分层结构Zig⁃Bee协议栈自顶层至下依次包括：高层应用规范、安全层、网络层、介质访问控制层、物理层。ZigBee联盟制定ZigBee协议栈的应用程序接口、安全层和网络层的相应规范。根据需求的不同，用户可在应用层自主定义某些簇(cluster)，还可以引用或参考已经做出定义的簇。应用程序接口主要任务是提供简单的应用软件接口(API)给用户，包括Zig⁃Bee设备对象(ZDO：ZigBee DeviceObject)和应用子层支持(APS：Application Sub-layger Support)等，使得应用层能够设置、控制设备对象。安全层(secu⁃rity layer)主要功能是存取、管理密钥等。其中，网络层定义实现星型网络，介质访问控制层定义实现终端节点和协调器。图4为全部的分层结构ZigBee协议栈层级图。

3.1指示灯和外部晶振软件测试

指示灯(黄灯)和外部晶振的软件测试程序如下：

3.2串口软件测试

串口软件测试使用串口测试助手传输数据至串口，出现传输的数据被回传现象，串口软件测试编写的程序如下：

3.3温湿度传感器SHT11软件测试

温湿度传感器SHT11编写的测试软件程序如下：

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(责任编辑：赵建周）

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

计算机及藏文信息技术国家级教学团队资助项目：跨语言社会舆情分析基础理论与关键技术研究(项目编号：61331013)。

唐松（1985-），男，安徽安庆人，硕士研究生，研究方向：网络与信息安全。