摘  要： 傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測方法存在著成本高、非實時、難以實現(xiàn)等缺點，而新興無線傳感器網(wǎng)絡技術具有部署簡便、成本低、監(jiān)測范圍大的優(yōu)點，將其應用到環(huán)境監(jiān)測具有明顯的優(yōu)勢。結(jié)合項目需求，設計了應用于精細農(nóng)業(yè)的無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)。通過試運行證明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定且功耗低。
關鍵詞： 環(huán)境監(jiān)測；無線傳感器網(wǎng)絡；硬件設計；軟件設計

　隨著現(xiàn)代微電子技術、無線通信技術、分布式信息處理技術、嵌入式計算機技術和傳感器技術的飛速發(fā)展，由隨機分布的集成了傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的微小節(jié)點通過自組織的方式構成的無線傳感器網(wǎng)WSN(Wireless Sensor Network)[1]也取得了飛速發(fā)展。其借助節(jié)點內(nèi)置的功能多樣的傳感器來探測周圍環(huán)境的興趣因子，如溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等，在節(jié)點上對數(shù)據(jù)進行融合處理后傳輸?shù)骄W(wǎng)絡監(jiān)控中心，網(wǎng)絡監(jiān)控中心根據(jù)收集的信息進行決策。
　目前的環(huán)境檢測多采用人工方式或者通過預先部署有線計算機網(wǎng)絡，人工方式加大了工作量，而且容易對監(jiān)測區(qū)域造成環(huán)境破壞；而有線計算機網(wǎng)絡對一些特殊的環(huán)境具有限制，如人類無法到到達的區(qū)域，對移動目標的定位，高溫高壓的環(huán)境等，另外，大面積的環(huán)境自然導致監(jiān)測網(wǎng)絡成本的不可控制。
作為全新的無線傳感器網(wǎng)絡技術，將其應用于環(huán)境監(jiān)測[2]具有比較明顯的優(yōu)勢，克服了人工方式及有線方式的缺點，可適用于大面積的環(huán)境監(jiān)測、移動目標跟蹤、高溫高壓等特殊環(huán)境。
1 傳感器網(wǎng)絡及通信協(xié)議設計
1.1 無線傳感器網(wǎng)絡
　無線傳感器網(wǎng)絡是無基礎設施的網(wǎng)絡，由隨機分布在監(jiān)測區(qū)域的傳感器網(wǎng)絡節(jié)點、Sink匯聚節(jié)點和終端用戶管理組成，如圖1所示。

　傳感器網(wǎng)絡節(jié)點是集環(huán)境因子采集、通信網(wǎng)絡拓撲控制和路由信息維護以及數(shù)據(jù)融合處理等多功能于一體的微型化嵌入式計算設備。Sink匯聚節(jié)點匯聚全網(wǎng)的數(shù)據(jù)并進行融合處理以及完成無線傳感器網(wǎng)絡的無線通信協(xié)議和有線通信網(wǎng)絡間的協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，相對傳感器網(wǎng)絡節(jié)點，資源限制較少，終端用戶管理由決策支持系統(tǒng)、特征數(shù)據(jù)庫、無線傳感器網(wǎng)絡管理用戶程序等構成，負責控制整個網(wǎng)絡。
1.2 通信協(xié)議設計
　IEEE802.15.4/ZigBee[3]是面向短距離自動控制領域設計的無線通信技術標準，具有復雜度低、實現(xiàn)成本低、收發(fā)信號設備功耗低等特點，和無線傳感器網(wǎng)絡通信協(xié)議的設計目標相符，其工作在868/915 MHz和2.4 GHz兩個頻段，2.4 GHz頻段是全球統(tǒng)一的、不需申請的免費頻道，目前，TI、Freescale和CompXs等芯片廠商都推出支持IEEE802.15.4的通信芯片，為了降低成本，本設計中采用了2.4 GHz的無線RF模塊。
2 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)總體設計
　根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡的組織結(jié)構和環(huán)境監(jiān)測應用場景，將傳感器網(wǎng)絡的總體結(jié)構設計為3個部分，環(huán)境監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡整體結(jié)構[4]如圖2所示。

　環(huán)境因子數(shù)據(jù)采集部分主要由部署在檢測任務區(qū)的傳感器網(wǎng)絡節(jié)點構成，傳感器網(wǎng)絡節(jié)點是低功耗、低成本的微型化嵌入式計算設備，通過內(nèi)置在節(jié)點設備上的功能多樣的傳感器完成諸如大氣、水質(zhì)、溫濕度等環(huán)境興趣因子的采集，并完成數(shù)據(jù)融合處理。
　數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡完成將采集到的有效數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆u測預警系統(tǒng)，可以采用有線計算機網(wǎng)絡或者是無線通信網(wǎng)絡，如果采用有線計算機網(wǎng)絡，可以將由數(shù)據(jù)采集部分采集到的數(shù)據(jù)在Sink節(jié)點進行融合處理后進行傳輸，通過無線傳感器網(wǎng)絡可在節(jié)點上進行數(shù)據(jù)的融合處理。
評測預警系統(tǒng)對接收到的采集數(shù)據(jù)進行分析和預警處理。將采集到的信息與特征信息數(shù)據(jù)庫中的信息進行對比匹配，調(diào)用相應的預警控制規(guī)則，完成系統(tǒng)的預警功能和控制功能。
3 傳感節(jié)點設計
3.1 傳感節(jié)點硬件設計
3.1.1 設計思路
　根據(jù)環(huán)境監(jiān)測功能，無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點是具有計算、存儲、感知、通信功能的微型化嵌入式設備，通常分布在監(jiān)測任務區(qū)，要求自身攜帶電源供電。所以傳感器節(jié)點硬件設計采用如圖3所示的結(jié)構[5]。

　控制模塊：傳感器節(jié)點設備中的CPU，完成指令的運行。
　存儲模塊：軟件系統(tǒng)代碼映像的存儲和采集到的數(shù)據(jù)存儲，通常包括片內(nèi)Flash、RAM和擴展的片外Flash。
電源管理模塊：選用低功耗的電源管理芯片對傳感器節(jié)點自身攜帶的微型電源進行動態(tài)控制和對傳感器節(jié)點各個部分供電。
　傳感器采集數(shù)據(jù)標準接口：無線傳感器網(wǎng)絡在環(huán)境監(jiān)測的應用中，需采集不同形式的環(huán)境興趣因子，需要不同功能的傳感器，為增強傳感器節(jié)點擴展性，本設計為標準通用性傳感器采集板提供了傳感器采集數(shù)據(jù)標準接口。
　網(wǎng)絡通信模塊：節(jié)點支持有線和無線兩種通信方式。有線的通信采用以太網(wǎng)芯片，無線的通信采用IEEE802.11.4通信協(xié)議標準芯片。
　串口接口：傳感器節(jié)點板提供標準的RS232接口，用于對傳感器節(jié)點的在線編程和調(diào)試。
3.1.2 部件選型及其電路連接
　本設計采用了TI生產(chǎn)的MSP430系列的F1611[6]，其硬件架構微控制模塊如圖4所示。這款低功耗芯片能提供6種不同功耗工作模式，可以配合電源管理模塊進行動態(tài)電壓調(diào)節(jié)和動態(tài)功率控制，以優(yōu)化電源供給。同時帶有片內(nèi)存儲器可方便地進行在線仿真和編程，運行環(huán)境溫度在-40 ℃~+85 ℃，能適應惡劣的環(huán)境；存儲模塊的片外存儲器采用意法半導體公司生產(chǎn)的M25P80型8 Mb(1M×8)串行閃存[7]，目的是減少傳輸頻率以降低系統(tǒng)功耗，外部擴展了一片8 MB串行Flash作為外存儲器；電源管理模塊設計采用TI生產(chǎn)的TPS60210線性穩(wěn)壓芯片[8]，具備低功耗電源管理能力。傳感器節(jié)點電源采用兩節(jié)AA電池供電；RS232模塊的實現(xiàn)：RS232串口與MSP430通過一組UART管腳和兩個I/O引腳連接，兩個I/O引腳用于同步控制，UART的TX和RX負責數(shù)據(jù)的輸入輸出，串口的傳輸速率設置為9 600波特/s。無線收發(fā)模塊采用了TI公司的支持IEEE802.15.4標準的CC2420[9]芯片，只需很少的外圍元件就可以與單片機構成一個無線通信系統(tǒng)。由于本項目用于中藥材大棚種植監(jiān)測，所以傳感器模塊設計時采用了溫濕度SHT1X及光照傳感器S1087。

3.2 傳感節(jié)點軟件設計
3.2.1 設計需求
　無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點有限的資源(有限的處理能力、有限的存儲能力、攜帶有限的能量)使得其軟件設計非常具有挑戰(zhàn)性。軟件設計時應滿足以下幾個要求：
　(1)采用超微型內(nèi)核結(jié)構，傳感器網(wǎng)絡節(jié)點設計要求系統(tǒng)在低于300 B的指令空間中運行。
　(2)支持處理器的動態(tài)電壓調(diào)節(jié)DNS(Dynamic Voltage Scaling)和動態(tài)電源管理DPM(Dynamic Power Management)功能，配合處理器的6種低功耗工作模式支持應用的節(jié)能設計。
　(3)采用短小的微線程技術，針對無線傳感器網(wǎng)絡環(huán)境監(jiān)測的應用場景，采用事件和任務兩層調(diào)度算法。
　(4)便于應用軟件的實現(xiàn)，采用構件化的編程實現(xiàn)模式以及構件間基于接口的靜態(tài)綁定技術，提高映像代碼的執(zhí)行效率。
　(5)對通信協(xié)議的支持和對硬件平臺的良好封裝。
3.2.2 軟件系統(tǒng)結(jié)構
　根據(jù)上述設計需求，本文設計的軟件體系結(jié)構，如圖5所示，由應用層、操作系統(tǒng)層以及硬件平臺層構成。

　(1)應用層：無線傳感器網(wǎng)絡應用部署層次，由開發(fā)者實現(xiàn)應用的邏輯功能構件。
　(2)操作系統(tǒng)層：操作系統(tǒng)層實現(xiàn)網(wǎng)絡協(xié)議、任務調(diào)度和管理、內(nèi)存管理和分配、時鐘管理、對應用層構件提供編程接口等。具體實現(xiàn)通信協(xié)議的消息構件，描述系統(tǒng)各個組件運行狀態(tài)的狀態(tài)構件，負責內(nèi)存申請、分配和回收的內(nèi)存管理構件，完成任務調(diào)度管理功能的任務調(diào)度構件以及負責提供系統(tǒng)時鐘的時鐘構件庫等。
　(3)硬件平臺層：為了提高操作系統(tǒng)的可擴充性，將硬件功能和表示部分劃分為硬件平臺層，主要實現(xiàn)硬件平臺配置、設備驅(qū)動管理、芯片封裝表示、電源管理等功能。將硬件平臺抽象出來，使得上層應用和具體平臺硬件無關，系統(tǒng)跨平臺性能增強。具體有配置形式各樣的節(jié)點平臺的硬件平臺配置構件庫、完成芯片引腳功能封裝和配置的芯片構件庫以及電源芯片管理和低功耗管理的電源管理構件庫。
3.2.3 具體實現(xiàn)
　在項目開發(fā)過程中，深入分析了目前具有代表性的TinyOS[10]、SOS[11]和Mantis OS[12]等無線傳感器操作系統(tǒng)，包括其設計和編程模式、任務調(diào)度模型、通信協(xié)議支持等特性。由于TinyOS操作系統(tǒng)較適用于確定的軟件設計思路和目標，最后選定TinyOS作為項目的傳感器網(wǎng)絡操作系統(tǒng)，將其移植到項目平臺上，在移植過程中需要對操作系統(tǒng)的硬件抽象層的芯片構件和平臺配置構件進行修改。移植工作完成后，可以使用TinyOS的應用程序Blink進行成功驗證?；谠摬僮飨到y(tǒng)開發(fā)了無線溫濕度數(shù)據(jù)采集應用程序、光強度數(shù)據(jù)采集應用和ZigBee協(xié)議實現(xiàn)。
結(jié)合項目需要，本文設計了面向環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)，包括傳感器網(wǎng)絡節(jié)點硬件各構成模塊的設計和節(jié)點軟件系統(tǒng)的設計，該系統(tǒng)在實際項目應用中運行穩(wěn)定性較好，對傳感器節(jié)點編程和調(diào)試較為方便。
參考文獻
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