CC2431的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用
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溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，網(wǎng)絡(luò)中采用傳感器測量節(jié)點(diǎn)和具有簡單執(zhí)行控制功能的控制節(jié)點(diǎn)構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。測量節(jié)點(diǎn)用來測量空氣溫度、濕度、光照強(qiáng)度等重要環(huán)境數(shù)據(jù)，控制節(jié)點(diǎn)(能對調(diào)溫、調(diào)濕等設(shè)備進(jìn)行相關(guān)控制)用來接收計(jì)算機(jī)傳來的遠(yuǎn)程控制信息，以便對溫室環(huán)境參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)控。測量節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)沿著其他測量節(jié)點(diǎn)通過多跳的方式進(jìn)行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個(gè)測量節(jié)點(diǎn)處理，信息經(jīng)由多跳路由后到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)將接收到的數(shù)據(jù)直接上傳到計(jì)算機(jī)，所有數(shù)據(jù)都由計(jì)算機(jī)進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)字信號處理，并通過數(shù)據(jù)庫對傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)和收集監(jiān)測數(shù)據(jù)等信息，最后這些數(shù)據(jù)還可以通過Internet與遠(yuǎn)程控制中心進(jìn)行交互，從而實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控。
2 CC2431簡介
CC2431是TI公司的產(chǎn)品，它是一個(gè)真正的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)ZigBee/IEEE802.15.4解決方案的片上系統(tǒng)，其內(nèi)部集成了CC2420射頻收發(fā)器，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)型8051 MCU內(nèi)核，128 KB可編程閃存，8 KB的RAM，精確的定位引擎等豐富的片內(nèi)資源，支持硬件調(diào)試，支持基于IAR7.20以上C51開發(fā)環(huán)境下的在線調(diào)試，提供強(qiáng)大、靈活的開發(fā)工具。CC2431體積小、功耗低、集成度高，非常適合于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。它可工作在4種工作模式下，且工作模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間較短，因而能夠滿足超低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。
3 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件
傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由傳感器測量節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)組成。測量節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集周圍環(huán)境信息，采集的環(huán)境信息經(jīng)多跳路由后到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)，最終通過Internet到達(dá)控制中心?？刂乒?jié)點(diǎn)用來接收計(jì)算機(jī)傳來的遠(yuǎn)程控制信息，對溫室環(huán)境參數(shù)進(jìn)行調(diào)控。
3.1 測量節(jié)點(diǎn)硬件
傳感器測量節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、微處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊組成。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
(1)傳感器模塊。由不同類型的傳感芯片組成，具有對溫度、濕度和光照強(qiáng)度的感知能力。其中溫、濕度傳感器采用I2C總線數(shù)字式溫、濕度傳感器SHTll，其體積小、能耗低、兩線數(shù)字接口、溫度量程為-40℃～85℃、相對濕度量程為0％～100％RH。光照強(qiáng)度傳感器選用TSL2550D，其功耗可以滿足無線傳感器低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，其總線也易于與CC2431接口。
(2)微處理器模塊。采用集成在CC2431內(nèi)部的8051 CPU。集成的CPU有4種不同的內(nèi)存空間：代碼區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū)、擴(kuò)展數(shù)據(jù)區(qū)和特殊功能寄存器區(qū)，不同的內(nèi)存空間有利于代碼和數(shù)據(jù)的分離，提高CPU對內(nèi)存的訪問速度。
(3)無線通信模塊
①傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在通信時(shí)消耗了大量的能量，選擇一款低功耗的無線通信芯片將有效地降低通信模塊的能量消耗。CC2431是一款符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的低功耗通信芯片，具有快速喚醒和搜索外部設(shè)備功能，可以使節(jié)點(diǎn)更多地處于休眠狀態(tài)而節(jié)約功耗，而且其信道頻率和功耗等參數(shù)可以靈活設(shè)置。CC2431通信模塊的天線考慮到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量的要求，采用單極性天線，單極性天線在差分輸出與天線之間要求使用“平衡-不平衡變壓器”。
②無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電源為電池供電系統(tǒng)，選用的電池為手機(jī)專用鋰電池。為了使系統(tǒng)在電池供電時(shí)，工作時(shí)間持續(xù)長，在設(shè)計(jì)電源模塊時(shí)要考慮到節(jié)點(diǎn)的節(jié)能問題。CC2431提供4種電源管理模式：PM0、PM1、PM2和PM3，合理地使用這4種模式可有效地降低節(jié)點(diǎn)的能耗。
③LED燈用于顯示傳感器節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)。
(4)電源模塊。為其他模塊提供能源。
3.2 控制節(jié)點(diǎn)
控制節(jié)點(diǎn)由驅(qū)動器模塊、微處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊組成。驅(qū)動器模塊能對調(diào)溫、調(diào)濕等設(shè)備進(jìn)行相關(guān)控制，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。
3.3 匯聚節(jié)點(diǎn)的硬件研究
匯聚節(jié)點(diǎn)由微處理器模塊、無線通信模塊、存儲器模塊、以太網(wǎng)接口模塊、串行接口模塊和電源模塊組成，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。
(1)存儲器模塊由1片Atmel公司出品的AT45DB041組成，直接接入CC2431 SPI輸入端。該芯片集成2 046頁×264 B Flash存儲單元，用于存儲傳感器重要?dú)v史數(shù)據(jù)。
(2)為提供以太網(wǎng)的接入通道，在該設(shè)計(jì)中，使用DM9161作為以太網(wǎng)的物理層接口。DM9161是一款低功耗、高性能的CMOS 芯片，支持10 MB/s和100 MB/s的以太網(wǎng)傳輸，它起編碼、譯碼、輸入和輸出數(shù)據(jù)的作用，這樣就可以將匯聚節(jié)點(diǎn)輕松連接到因特網(wǎng)以便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。
(3)串行接口模塊由1片低功耗MAX3232和COM母口組成。CC2431串口端接入MAX3232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，通過COM口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。
(4)由于匯聚節(jié)點(diǎn)需要融合處理所有采集節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，并且需要將數(shù)據(jù)經(jīng)過較遠(yuǎn)的距離傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，因而能量消耗較大，因此其電源采用從市電轉(zhuǎn)換后介入的方式供電。
(5)LED燈用于顯示匯聚節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)。
4 TinyOS操作系統(tǒng)的移植
嵌入式操作系統(tǒng)能夠簡化嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，確保程序運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，便于程序的維護(hù)和更新，但是由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是一個(gè)小型嵌入式系統(tǒng)，其硬件資源非常有限，需要高效利用其有限的內(nèi)存、處理器和通信模塊，并且最大限度地減少系統(tǒng)能耗，延長節(jié)點(diǎn)的使用壽命，因此傳統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)不能滿足其要求?；诖?，本文移植了針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)而開發(fā)的操作系統(tǒng)TinyOS。
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