基于物联网的果蔬多参数数据感知节点研究

李小敏，朱立学，姚华平，张日红

（仲恺农业工程学院机电学院，广州 510225）

0 引言

无线传感网络作为信息采集的一种有效方式，越来越受到人们的重视[1]。特别是在一些环境恶劣、不利布线的场合，无线传感网络的优势更加明显。农业精准化生产是当前农业生产的趋势和要求，而其中对农作物环境信息的采集是实现这一目的的首要条件[2]。随着无线传感网络技术的发展，将其应用于农业生产信息采集成为研究的热点。果蔬作为农业生产的重要部分，它对环境的要求更高；而将无线传感网络技术与果蔬环境信息采集相结合很容易实现对果蔬环境的精准掌握[3,4]。果蔬环境信息的采集是实现果蔬智能控制、精准种植的前提。国内外的研究者对无线传感网络技术在果蔬环境信息采集领域的应用进行了相关研究，目前该技术存在成本高、集成度低、不易扩展等不足[5]。

无线传感网络的设计分为节点设计、网路层面设计、客户端软件设计三部分。而其中多参数数据感知节点是整个网络的基础，它担负着信息采集和数据发送的任务。本文以果蔬环境信息采集为条件，并采用新型低功耗处理芯片CC430F5135设计了一种果蔬环境多参数数据感知节点节点，在满足基本需求的前提条件下，以低功耗和低成本为原则，对节点硬件软件进行了精简设计。

1 果蔬多参数数据感知系统总体设计

基于果蔬环境的面积和结构，整个果蔬环境的无线传感网络采用星型拓扑结构和节点一到两跳的拓扑结构，整个网络系统分为信息采集节点、路由基站和客户端服务器，如图1所示，整个网络的工作过程为：网络的传感节点将采集到的数据通过无线模块发送至父节点或是发送给基站；基站将所有节点的数据融合，通过GPRS/GSM或4G将所需要的信息发送至客户端服务器；用户通过服务器上的软件将采集到的数据以图形或表格的形式显示出来，从而可以了解果蔬环境的状态，为做出相关决策提供数据支持。

图1 果蔬环境信息采集系统网络结构Fig.1 Network structure of fruit and vegetable environment information acquisition system

2 多源信息采集节点的硬件设计

2.1 处理芯片与射频芯片部分

无线传感网络系统的农业信息采集节点设计方案通常有两种。一种是用8位的AVR芯片＋射频[6-7]的方案，8位AVR芯片的处理能力有限，不易节点以后的升级和扩展；第二种是以16位的处理芯片MSp430＋射频芯片的方案[9-10]，处理能量加强，但是集成度不高。以上方案都是将处理芯片（MCU）与无线发射芯片（RF）独立开来通过相关的电路连接起来，没有集成在一起，使得网络节点的硬件结构复杂，PCB面积大，成本高且有时节点性能不稳定。

针对上面两种方案的不足，本文以CC430F5137为基础设计了适应于果蔬环境高集成度的网络节点。CC430系列芯片是TI公司2008年推出的能满足射频频率低于1 GHz要求。该芯片将超低功耗处理芯片（SoC）MSP430和CC1101射频模块集成到MCU片内，采用稳定性更好的芯片封装技术。CC430不但继承传统MSP430已有低功耗、功能强大、IO丰富、性能稳定和CC1101调制方式多样、灵敏度高等特点，而且集成度更高、外部电路简单。其成为无线传感网络节点设计首选的芯片。CC430F5137是一种16位采用RISC结构的RF处理芯片。工作电压为1.8～3.3 V，且有五种低功耗模式供用户选择，其唤醒时间最多为6μs完全可以满足用户的需求。

图2 节点硬件结构框图Fig.2 Block diagram of node hardware structure

果蔬信息采集节点硬件结构由电源、处理器、射频外围电路、传感器模块和扩展接口组成，如图2所示。整个节点可以实现对果蔬环境空气的温湿度、光照强度、CO2含量、以及土壤参数的采集，然后通过节点的无线射频系统将数据发送出去。为了节点以后的扩展和设计，增加了扩展接口。

2.2 传感器部分

传感器作为节点的重要部分，其作用是将果蔬环境下的感知量转化为对应的电信号，通过接口总线传输给MCU。所以传感器的选择，不仅关系到无线传感网络节点的成本和采集数据的准确性，而且直接影响节点的功耗，进而决定节点的寿命。

果蔬环境下空气的温湿度、CO2含量、光照强度、土壤的温度和含水量、氧氮含量等都对植物生长有影响。所以节点传感器的选择在满足果蔬环境要求基础上，以成本和低功耗为原则进行选择。空气温湿度参数采用SHT11，土壤温湿度用SLHT5-1，光强选用ISL29010，而以TGS4161来检测CO2的含量。表1是果蔬环境信息采集节点相关传感器的部分参数。

表1 传感器参数表Table 1 sensor parameters

2.3 电源电路

果蔬环境下不宜采用自供电系统为节点供电，所以在设计节点电源系统时采用3.7 V可反复充电使用的充电锂电池为电源。如果节点需要长期使用，或是信息采集频率高可以将多节锂电池并联使用，以延长无线网络节点的寿命。由于其中SHT11、SLHT5-1、ISL29010都可以在3.3 V电压下工作，所以处理芯片采用3.3 V电源系统，但是CO2传感器TGS4161需要5 V电源供电。所以在设计节点电源系统时需将3.7 V转化为稳定的其他大小数值的电压。

图3 电源系统外围电路Fig.3 Peripheral circuit of power system

本文可以采用TI公司的LM3671稳压芯片为基础输出3.3 V电压。LM3671芯片可以输入电压为2.7 ～5.5 V，并可转化为电流为 600 mA 的 1.1～3.3 V 电压；5 V电压转换采用TPS61070芯片。该芯片可将3.3 V电压调节到5 V/200 mA。通过在两个芯片电路上添加相应的滤波电路，完全可以满足网络节点的供电需求。图3为两个芯片的相关外围电路。

3 节点的软件设计

3.1 节点主程序的设计

果蔬环境下的节点主要有采集数据和发送数据两个任务。采用周期时间对数据进行采集，并以时间中断的方式来触发。当采集时间到时，MCU从低功耗模式苏醒，完成数据采集，然后通过无线通信将数据发送出去。

3.2 MAC协议的设计

在无线传感网络中，无线模块数据的发送和接收是非常消耗能量的。在以降低功耗为目的的前提下，尽可能使无线节点处于睡眠状态。由于果蔬环境的面积一般较小，所以采集信息时所用的节点较少，而且整个无线传感网络系统对数据的采集频率不是很高。综合以上3个因素，在多参数无线采集MAC协议时，采用在传输数据时周期性的睡眠机制。通过周期睡眠机制可以使得节点避免空闲监听及泛洪协议传输中的碰撞、节点旁听、控制繁杂四个方面造成的感知节点能量的浪费[11]。

图4给出了在周期性睡眠MAC协议下，节点通信的机制。节点2有两个子节点，分别为节点1、节点3。当无数据传输，节点1，2，3都处于睡眠状态。当节点需要传输数据时，3个节点进入周期睡眠机制。节点1向节点2发送数据时：首先节点1先向节点2发送通信请求，节点2接受该请求后并判断信道是否被占用，如果信道空闲，节点2向节点1发送通信许可的应答信号，然后两个节点进行数据传输。数据传输完成节点1进入睡眠状态。在整个发送过程中，节点3采用周期的睡眠机制，在活动状态时向节点2发送通信请求。当信道空闲时，节点2向节点3发出通信许可应答信号，完成节点2、3之间的通信，然后节点2再将数据传输给自己的父节点。当通信完成后节点1、2、3都进入睡眠状态。

图4 节点数据传输时序图Fig.4 Node data transmission timing diagram

4 试验与分析

4.1 通信距离测试

节点通信距离测试条件为山地火龙果果园环境，测试时无线射频频率为433 MHz，射频的发射功率分别为 -12 dBm、-6 dBm、0 dBm 和 10 dBm 四种功率。测试条件为：天线增益3 dBi离地面为1 m，温度为30℃，湿度分别为45%，52%，68%，76%。图5给出不同发射功率、不同湿度下的有效通信距离。考虑到果蔬环境面积，节省节点的功率，所以采用10 dBm的发射功率完全可以满足果蔬环境采集数据的需求。

4.2 功耗分析

经过对系统进行整体的系统指标测量，测得系统总体指标如下:低功耗模式3(LPM3)，即CPU关闭、主时钟(MCLK)、锁频环和DCO时钟关闭、DCO内部直流发生器关闭、活动时钟(ACLK)保持活动模式。在10 dBm的发射功率下，通过时间终端唤醒机制测得节点的参数如下：传输距离范围为110 m左右；消耗的功率：最大做工电流为64.9 mA，处于睡眠状态下节点的功耗测量为70.7 uA。经过对本系统的射频指标和总体指标的测量，表明此方案设计的节点性能完全能够达到设计要求，满足了果蔬信息采集的需求。

图5 不同发射功率下的通信距离Fig.5 Communication distance under different transmission power

5 结束语

本文针对果蔬环境信息采集的要求，结合TI公司提出的高集成度和低功耗芯片CC430F135，设计了适应于果蔬环境下的无线传感网络节点。发送数据时节点采用周期性的睡眠机制，有效地节省了节点自身的能量，并且防止泛洪协议的数据碰撞。实验结果表明采用该种设计方案，完全满足了设计需求，达到了降低节点体积与成本的目的。