无线传感器网络在温室环境监测中的应用.doc

无线传感器网络在温室环境监控系统中的应用 2010-07-20 19:32:39???来源:电子技术应用 关键字：CC2431 ZigBee 无线传感器网络温室环境监控 ??? 温室环境监控系统整体结构框图如图1所示，网络中采用传感器测量节点和具有简单执行控制功能的控制节点构成无线传感器网络。测量节点用来测量空气温度、湿度、光照强度等重要环境数据，控制节点(能对调温、调湿等设备进行相关控制)用来接收计算机传来的远程控制信息，以便对温室环境参数进行适当调控。测量节点采集的数据沿着其他测量节点通过多跳的方式进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个测量节点处理，信息经由多跳路由后到达汇聚节点，汇聚节点将接收到的数据直接上传到计算机，所有数据都由计算机进行复杂的数字信号处理，并通过数据库对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务和收集监测数据等信息，最后这些数据还可以通过Internet与远程控制中心进行交互，从而实现温室环境的远程监控。 2 CC2431简介??? CC2431是TI公司的产品，它是一个真正的基于无线传感器网络ZigBee/IEEE802.15.4解决方案的片上系统，其内部集成了CC2420射频收发器，工业标准增强型8051 MCU内核，128 KB可编程闪存，8 KB的RAM，精确的定位引擎等丰富的片内资源，支持硬件调试，支持基于IAR7.20以上C51开发环境下的在线调试，提供强大、灵活的开发工具。CC2431体积小、功耗低、集成度高，非常适合于无线传感器网络节点的设计。它可工作在4种工作模式下，且工作模式之间的转换时间较短，因而能够满足超低功耗系统设计的要求。 3 传感器网络节点的硬件 ??? 传感器网络节点由传感器测量节点、控制节点和汇聚节点组成。测量节点负责采集周围环境信息，采集的环境信息经多跳路由后到达汇聚节点，最终通过Internet到达控制中心。控制节点用来接收计算机传来的远程控制信息，对温室环境参数进行调控。 3.1 测量节点硬件 ??? 传感器测量节点由传感器模块、微处理器模块、无线通信模块和电源模块组成。其硬件结构框图如图2所示。 ??? (1)传感器模块。由不同类型的传感芯片组成，具有对温度、湿度和光照强度的感知能力。其中温、湿度传感器采用I2C总线数字式温、湿度传感器SHTll，其体积小、能耗低、两线数字接口、温度量程为-40～85、相对湿度量程为0％～100％RH。光照强度传感器选用TSL2550D，其功耗可以满足无线传感器低功耗系统设计的要求，其总线也易于与CC2431接口。 ??? (2)微处理器模块。采用集成在CC2431内部的8051 CPU。集成的CPU有4种不同的内存空间：代码区、数据区、扩展数据区和特殊功能寄存器区，不同的内存空间有利于代码和数据的分离，提高CPU对内存的访问速度。 ??? (3)无线通信模块 ??? 传感器网络节点在通信时消耗了大量的能量，选择一款低功耗的无线通信芯片将有效地降低通信模块的能量消耗。CC2431是一款符合ZigBee标准的低功耗通信芯片，具有快速唤醒和搜索外部设备功能，可以使节点更多地处于休眠状态而节约功耗，而且其信道频率和功耗等参数可以灵活设置。CC2431通信模块的天线考虑到无线传感器网络通信质量的要求，采用单极性天线，单极性天线在差分输出与天线之间要求使用“平衡-不平衡变压器”。 ??? 无线传感器网络节点电源为电池供电系统，选用的电池为手机专用锂电池。为了使系统在电池供电时，工作时间持续长，在设计电源模块时要考虑到节点的节能问题。CC2431提供4种电源管理模式：PM0、PM1、PM2和PM3，合理地使用这4种模式可有效地降低节点的能耗。 ??? LED灯用于显示传感器节点的运行状态。 ??? (4)电源模块。为其他模块提供能源。 3.2 控制节点 ??? 控制节点由驱动器模块、微处理器模块、无线通信模块和电源模块组成。驱动器模块能对调温、调湿等设备进行相关控制，其硬件结构框图如图3所示。 3.3 汇聚节点的硬件研究 ??? 汇聚节点由微处理器模块、无线通信模块、存储器模块、以太网接口模块、串行接口模块和电源模块组成，其硬件结构框图如图4所示。 ??? (1)存储器模块由1片Atmel公司出品的AT45DB041组成，直接接入CC2431 SPI输入端。该芯片集成2 046页×264 B Flash存储单元，用于存储传感器重要历史数据。 ??? (2)为提供以太网的接入通道，在该设计中，使用DM9161作为以太网的物理层接口。DM9161是一款低功耗、高性能的CMOS 芯片，支持10 MB/s和100 MB/s的以太网传输，它起编码、译码、输入和输出数据的作用，这样就可以将汇聚节点轻松连接到因特网以便于实现远程控制。 ???