粮库无线温湿度传感器网络的监测节点设计

2011-06-09 14:59:42来源: 互联网


引 言
    科学储粮是粮食生产的一个重要环节,若管理不当,粮食发霉或生虫会造成极大的浪费。粮库管理中最重要的问题是监测粮堆中的温、湿度变化。国家为粮食储藏每年支付很高的费用,主要是因为监测设备的成本过高,管理方式不够先进。随着无线通信网络技术及传感器技术的发展,使得研制低成本的先进粮库温湿度监测方法成为现实。无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)是将大量低功耗、低成本的无线传感器节点布置到相关区域,各传感器节点通过自组织快速形成的一种分布式网络。WSN具有广阔的应用前景,例如灾难预警与救助、环境监测和生物多样化勘测、智能楼宇、设备管理、机器监视和维护、运输和信息通信业务等。在粮库中构建无线传感器网络,就可以实现对粮库各处温湿度的低成本、高效监测。其中的传感器节点是组成粮库WSN的基本单位,节点将采集的温湿度数据传送给相邻节点,根据采用的路由协议最终传送到汇聚节点(sink)。汇聚节点解析接收到的数据,连接到因特网上实现信息的更广泛传递。由此可知,节点的设计直接影响到粮库WSN的性能。出于粮库WSN低功耗、低成本的考虑,通常采用8位单片机为节点CPU。本设计实现了以高档8位AVR单片机ATmega128L为核心,结合外围温湿度传感器SHT11和无线收发芯片CC2420的粮库无线传感器网络节点。

1 节点结构
    粮库无线温湿度传感器网络节点主要功能是采集粮库温湿度数据,并将数据发送给汇聚节点。它由传感器模块、处理模块、传输模块和能量供应模块4个部分组成,如图1所示。

    传感器模块采用的是瑞士Scnsirion公司推出的温湿度传感器SHT11,通过I2C接口与处理模块相连;处理模块控制其他模块以及WSN的路由协议、同步定位执行和节点的功耗管理等;传输模块主要由低功耗无线通信芯片CC2420及其外围电路组成,软件上运行相应的通信协议;能量供应模块采用2节 5号AA电池供电。

2 粮库无线温湿度传感器网络节点设计
2.1 处理模块设计
    ATmega128L是Atmel公司于2001年推出的采用低功耗CMOS工艺生产的基于AVR RISC结构的8位微控制器。该芯片内部采用Harvard结构,具有极低的能耗和丰富的资源;具有片内128 KB的Flash存储器、4 KB的SRAM数据存储器(可外接扩展到64 KB)和4 KB的E2PROM存储器。该芯片还有8个10位ADC通道,2个8位和2个16位硬件定时/计数器,可在多种不同模式下工作;8个PWM通道、可编程看门狗定时器和片上振荡器、片上模拟比较器;USART0/1、SPI、I2C总线接口;可以采用JTAG编程和ISP编程两种方式。除正常工作模式外, ATmega128L还具有6种不同等级的低能耗操作模式,每种模式具有不同的能耗。因此ATmega128L非常适合于低能耗的应用场合。处理模块选用 AT-mega128L,其接口电路如图2所示。

2.2 传输模块设计
    传输部分采用Chipcon公司的CC2420芯片。它是Chipcon公司推出的首款符合2.4 GHz IEEE 802.15.4标准的射频收发器。该器件包括众多额外功能,是第一款适用于ZigBee产品的RF器件。它基于Chipcon公司的SmartRF03 技术,以0.18 μm CMOS工艺制成,只需极少外部器件,性能稳定且功耗极低;具有工作电压低(2.1~3.6 V均可工作)、能耗低、体积小等非常适合于集成的特点;采用QPSK调制方式,最大收发波特率250 kb/s,外部采用SPI的接口,可以直接和微处理器芯片ATmega128L相连接。传输模块接口电路如图3所示。

2.3 传感器模块设计
    传感器模块采用的是数字温湿度传感器SHT11。该芯片主要特点如下:
    ①高度集成,将温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转换和加热器等功能集成到一个芯片上;
    ②提供二线数字串行接口SCK和DATA,接口简单,支持CRC传输校验,传输可靠性高;
    ③测量精确度高,由于同时集成温湿度传感器,可以提供温度补偿的湿度测量值和高质量的露点计算功能;
    ④封装尺寸超小,测量和通信结束后,自动转入低功耗模式;
    ⑤高可靠性,采用CMOS工艺,测量时可将感测头完全浸于水中。
    处理模块ATmega128L通过I2C接口与SHT11相连。

3 节点软件检测
    对设计好的节点分模块进行软件检测,针对各个不同模块编写测试程序验证节点工作的可靠性。检测工具为AVR Studi04,硬件仿真器为JTAGICE。在进行软件测试之前,先要通过连接AVRStudi04找到ATmega128,然后将其熔丝位更改为外部时钟,使其对应于7.372 8 MHz晶振提供的时钟源。编程方式选用JTAG编程。本文仅就外部晶振及指示灯、串口、温湿度传感器SHT11和CC2420无线通信的软件检测进行说明。完整的ZigBee协议栈由物理层、介质访问控制层、网络层、安全层和高层应用规范组成。ZigBee协议栈的网络层、安全层和应用程序接口等由 Zig-Bee联盟制定。其中安全层(security)主要实现密钥管理、存取等功能。应用程序接口负责向用户提供简单的应用软件接口(API),包括应用子层支持(Application Sub-layger Support,APS)和ZigBee设备对象(ZigBee DeviceObject,ZDO)等,实现应用层对设备的管理。其中协调器和终端节点在介质访问控制层定义实现,星型网络的实现在网络层定义。用户可针对不同的需要在应用层自行定义开发,也可参考引用已定义的一些簇(cluster)。ZigBee协议栈示意图如图4所示。

3.1 外部晶振及指示灯检测
    外部晶振及指示灯(黄灯)的部分检测程序如下:

3.2 串口检测
    使用串口调试助手往串口发送数据,可以发现发送的数据被回传。检测程序如下:


3.3 温湿度传感器SHT11检测
    温湿度传感器SHT11的部分检测程序如下:


3.4 002420启动和SPI初始化检测
    CC2420运行是否正常是节点能否正常通信的关键。CC2420启动和SPI初始化的部分检测程序见本刊网站www.mesnet.COITI.cn——编者注。

4 总 结
    本系统的设计针对现阶段粮库监控出现的问题,提出了基于CC2420的粮库无线温湿度传感器网络监测节点的设计方案。WSN作为新兴的学科交叉研究领域,在区域监测和采集数据等方面具有突出的优点,具有广阔的应用前景。

关键字:无线  传感器网络  网络  监测

编辑:eeleader 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2011/0609/article_6514.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部
无线
传感器网络
网络
监测

小广播

独家专题更多

富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
馆内包含了 纵览FRAM、独立FRAM存储器专区、FRAM内置LSI专区三大部分内容。 
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
 
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
 
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved