面向森林環(huán)境信息監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的研制

張 霞，李文彬，崔東旭

（北京林業(yè)大學(xué)，北京 100083）

目前，立木生長信息的收集、森林火災(zāi)的監(jiān)測以及其他森林環(huán)境信息的獲取主要依賴于人工、衛(wèi)星遙感或飛機巡航。基于ZigBee的無線通訊技術(shù)發(fā)展迅速，已在工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但森林環(huán)境比較復(fù)雜，溫濕度等氣候環(huán)境惡劣，信號傳輸衰減大。因此，基于ZigBee的無線傳感器在森林中應(yīng)用還很少見。在森林中使用的無線傳感器節(jié)點應(yīng)有特殊的要求，要求功耗低、同功耗下單跳距離遠(yuǎn)、防潮。因此，如何將新型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸方式運用于森林信息監(jiān)測，研制出高性價比的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，積極發(fā)展現(xiàn)代森林監(jiān)測新技術(shù)迫在眉睫。本研究自主研制的傳感器節(jié)點可遍布于廣闊的森林中，好比人體豐富的神經(jīng)末梢，可實時感知到森林環(huán)境中的變化信息，并通過ZigBee協(xié)議組成的簇狀網(wǎng)絡(luò)，用無線跳傳的方式將這些信息匯集到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器上，最后通過Internet或GPRS遠(yuǎn)程傳輸，及時提供給相關(guān)部門使用，為森林研究和保護提供技術(shù)支撐。

基于ZigBee技術(shù)規(guī)范的低速無線個域網(wǎng)(LRWPAN)主要為電源能力受限、吞吐量要求較低的無線應(yīng)用提供簡單的低成本網(wǎng)絡(luò)連接；主要的目標(biāo)是以簡單靈活的協(xié)議構(gòu)建一種安裝布置簡易、數(shù)據(jù)傳輸可靠、設(shè)備成本極低、能量消耗較小的短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)[1]。

1 基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林信息監(jiān)測系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

ZigBee聯(lián)盟將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備按承擔(dān)的任務(wù)不同分為三類:協(xié)調(diào)器、路由器、終端設(shè)備。事實上這些網(wǎng)絡(luò)中角色可由兩類設(shè)備來完成:一類是全功能設(shè)備(FFD);另一類是簡化功能設(shè)備(RFD)。協(xié)調(diào)器和路由器必須是FFD，終端設(shè)備可以是FFD或RFD。該森林信息監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用ZigBee樹簇狀網(wǎng)絡(luò)如圖1所示，其中包含了終端傳感器節(jié)點、簇首、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。

圖1 森林信息監(jiān)測樹簇狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

2 節(jié)點硬件設(shè)計

節(jié)點的基本硬件組成包含有微控制單元、射頻收發(fā)單元 (包含2.4GISM頻段射頻芯片和天線)、供電單元、傳感器單元等基本單元。如果是終端傳感器節(jié)點，可以用較少的資源和存儲容量來實現(xiàn)。對于網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，由于還要把整個網(wǎng)絡(luò)匯集的信息發(fā)送出去，所以它還必須包含GPRS模塊或網(wǎng)關(guān)，從而實現(xiàn)信息的遠(yuǎn)程傳輸。

2.1 射頻收發(fā)單元

射頻收發(fā)芯片是射頻收發(fā)單元的核心部件，它主要負(fù)責(zé)載波信號的產(chǎn)生、信號的調(diào)制與解調(diào)、射頻信號的收發(fā)切換。設(shè)計中采用的射頻芯片AT86RF230是Atmel公司生產(chǎn)的與IEEE 802.15.4/ZigBee兼容的高性能2.4GHz射頻器件。

AT86RF230的芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，它集成了除天線、晶振、去耦電容之外的所有標(biāo)準(zhǔn)射頻單元，無需外接收發(fā)開關(guān)，為天線和微控制器之間提供了完整的無線接口。該芯片具有104 dB的鏈路預(yù)算，-101 dBm的接收靈敏度，發(fā)射功率可從-17～3 dBm；工作所需外部電壓為 1.8～3.6 V,且有內(nèi)部低壓差的電壓調(diào)節(jié)模塊，可為外電路提供1.8 V的標(biāo)準(zhǔn)電壓；超低的功耗，發(fā)射最大功率時耗電16.5 mA，睡眠時僅為20 nA；128字節(jié)的數(shù)據(jù)緩沖器具有TX/RX BBP、SPI兩個獨立端口，可被微控制器讀寫，也存貯收發(fā)的數(shù)據(jù)幀；具有空閑信道評估、ED檢測、RSSI指示。

圖2 AT86RF230芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖[2]

天線是射頻單元的關(guān)鍵部件，天線的作用在于有效地輻射和接收電磁波[3]。本設(shè)計中采用了折疊式偶極子PCB天線，由于節(jié)點工作于2.4 G高頻段，既易于高性能小尺寸天線的實現(xiàn)，同時也降低了節(jié)點的生產(chǎn)成本。同樣的均勻材質(zhì)使射頻輸出管腳經(jīng)饋線到PCB天線實現(xiàn)更好的匹配，減少反射，最大效率的發(fā)揮天線的作用。

2.2 微控制器與射頻芯片AT86RF230的接口及主要外圍電路

在網(wǎng)絡(luò)中，可根據(jù)節(jié)點設(shè)備實現(xiàn)功能的不同，從節(jié)約硬件資源成本考慮，終端傳感器節(jié)點、路由或協(xié)調(diào)器的微控制器分別采用了Atmel公司的8位高性能AVR增強型系列單片機ATmega8515 L和ATmega128 L。AVR單片機的最大特點就是低功耗和高速度，片內(nèi)資源豐富，端口驅(qū)動能力強。它們的工作電壓均為2.7～5.5 V（頻率為0～8 MHz時）,是具有多種休眠模式的低功耗產(chǎn)品，且具有豐富的內(nèi)部資源和外圍接口（包含可主從設(shè)置的SPI接口），片內(nèi)有經(jīng)過標(biāo)定的RC振蕩器無須外接晶振，ATmega8515 L具有8 K字節(jié)系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，而ATmega128 L具有128 K字節(jié)系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash[4-5]。

無論使用何種微控制器，與AT86RF230的接口卻很簡捷方便，僅需 SPI接口（MOSI、MISO、SEL、SCLK）和IRQ、RST提供的6條線便可與微控制器很好地協(xié)同工作，只是不同型號微控制器的具體功能接口所處的管腳號不同而已，使用ATmega8515 L的終端傳感器節(jié)點的與射頻芯片的接口及主要外圍電路原理圖如圖3所示。

如圖3所示，微控制器的SPI接口與射頻芯片的SPI接口線一一對接，而且必須把微控制器的SPI接口設(shè)置為主機狀態(tài)，而射頻芯片AT86RF230的SPI接口為從機狀態(tài)，這樣微控制器便可通過這4條線來讀寫AT86RF230的內(nèi)部寄存器以及上傳或下載幀緩沖器中的數(shù)據(jù)。IRQ線可將射頻芯片的中斷觸發(fā)信號提供給微控制器，如AT86RF230數(shù)據(jù)接收完成時，便可在IRQ上產(chǎn)生脈沖信號，通知微控制器射頻芯片有中斷事件觸發(fā)，此時AT－mega8515L只需通過查詢AT86RF230的內(nèi)部寄存器IRQ_STATUS，便可確定是何種中斷從而進行相應(yīng)的工作。雖然射頻芯片本身具有上電復(fù)位功能，但為了增強可靠性和調(diào)試方便，可通過按鈕開關(guān)手動復(fù)位，也可通過微控制器的I/O管腳來控制它的復(fù)位。

圖3 微控制器與射頻芯片接口及主要外圍電路

傳感器是該硬件節(jié)點的重要部件，只有通過它才能感知到需要監(jiān)測的森林信息，本節(jié)點可根據(jù)不同需要連接溫度傳感器、濕度傳感器、樹木生長監(jiān)測傳感器、火焰紫外傳感器等傳感器。

隨著半導(dǎo)體集成電路的發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)了數(shù)字輸出型溫度和濕度傳感器，這樣可使電路設(shè)計更加簡潔。瑞士SENSIRION公司生產(chǎn)的一款高性能數(shù)字型溫濕度傳感器芯片SHT11，它將溫濕度傳感器、信號放大調(diào)理、A／D轉(zhuǎn)換、I2C總線接口全部集成于一芯片；可給出全校準(zhǔn)相對濕度及溫度值輸出，傳感器默認(rèn)分辨率為溫度14位，濕度12位，并可通過狀態(tài)寄存器配置為12位和8位；具有可靠的CRC數(shù)據(jù)傳輸校驗功能；體積小，其表貼LCC封裝典型尺寸為7.47 x 4.98 x 2.5 mm；功耗低，供電電壓為 2.4～5.5 VDC，電流測量時典型值為 550 μA，休眠時最大值為1.5 μA；為了防止灰塵和水滴進入以保護傳感器芯片，可使用用配套的保護罩或用環(huán)氧樹脂封裝在PCB板上[6]。

2.3 電源部分

在該節(jié)點電路中的元器件均選用了低功耗產(chǎn)品，并且通過閑時控制節(jié)點進入休眠狀態(tài)，并降低微控制器的主頻率，達(dá)到降低功耗的目的，這樣如果使用普通干電池來供電便可延長電池使用壽命，此外，還可利用野外的太陽光照選用太陽能環(huán)保電池來供電。

在該模擬數(shù)字混合高頻電路中為了加強電源的抗干擾能力，將模擬電壓和數(shù)字電壓的供電隔離開來，采用獨立的穩(wěn)壓模塊或加磁珠的方法，同時也在模擬地和數(shù)字地之間加一磁珠；在給電源濾波時，采用大容量鉭電容和小容量陶瓷電容組合的方法，在離集成器件盡可能近的地方再加一小的電容，這樣可以極大地提高濾波的效果。

2.4 其它抗干擾設(shè)計

為了減少信號之間的相互串?dāng)_，從板圖布局上，使數(shù)字低頻器件盡可能遠(yuǎn)離高頻模擬器件，從空間上把它們分割開來；印制板上大面積的鋪地，不僅可以增強抗擾能力，也可有利于電路板上工作的元器件散熱；差分輸出線要等長且盡量短，印制板的走線拐角曲線要光滑。

3 軟件設(shè)計

眾多的無線傳感器節(jié)點的正常工作和組成ZigBee網(wǎng)絡(luò)最后必須通過軟件來得以實現(xiàn)，本系統(tǒng)的軟件設(shè)計開發(fā)平臺基于AVRSTUDIO+ICCAVR，采用C語言完成設(shè)計[7]。

節(jié)點的基本軟件程序主要包括主服務(wù)程序、初始化程序、系統(tǒng)狀態(tài)服務(wù)程序、上層接口服務(wù)程序、中斷處理程序等。主服務(wù)程序是程序的主體，負(fù)責(zé)各模塊程序的協(xié)調(diào)調(diào)用工作。初始化程序?qū)ξ⒖刂破?、射頻芯片、外圍器件進行初始化設(shè)置。系統(tǒng)狀態(tài)服務(wù)程序負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換和識別系統(tǒng)的工作模式狀態(tài)，如對MCU、AT86RF230的多種休眠模式與工作模式的切換。在發(fā)射和接收模式期間，電能的消耗量是類似的，盡量避免使AT86RF230一直處于RX_ON狀態(tài)[8]，這些就要系統(tǒng)狀態(tài)服務(wù)程序來設(shè)置。上層接口服務(wù)程序主要負(fù)責(zé)上層和底層程序提供接口。

編程的基本思路是：先是微控制器的初始化，包含SPI主機狀態(tài)初始化設(shè)置；使能SPI口對射頻芯片初始化，以及其他外圍硬件初始化；進入主服務(wù)程序，實現(xiàn)休眠和工作狀態(tài)切換，進行數(shù)據(jù)接收和發(fā)送，以及數(shù)據(jù)處理和上層服務(wù)。基本的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)發(fā)送和接收程序流程圖

4 測試結(jié)果及總結(jié)

在室外開闊地和人工林地分別對自主研制的面向森林環(huán)境信息監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進行了實驗。在通信信道選擇為15即頻率為2 425 MHz，發(fā)射功率輸出配置為+0.5 dBmW（芯片輸出最大可達(dá)+3 dBmW），節(jié)點距離地面高度80 cm條件下，測試點對點通信有效距離。結(jié)果表明，室外開闊地有效距離為100～120 m,人工林地為70～100 m。研制的基于Atmel高性能增強型微控制器和射頻芯片AT86RF230的傳感器節(jié)點具有功耗小、成本低，適用于野外只能靠電池供電的工作環(huán)境，并能夠在廣闊無人森林中大范圍或者在重點區(qū)域布點成網(wǎng)來傳輸森林環(huán)境信息。該節(jié)點能深入現(xiàn)場在火災(zāi)爆發(fā)的萌芽狀態(tài)就能及時感知并報告，也從傳統(tǒng)方式需要耗費大量人力物力中解脫出來，提高森林火災(zāi)監(jiān)測水平，也適用于林區(qū)的環(huán)境監(jiān)測，具有很強的實用性和現(xiàn)實意義。

[1] 瞿 雷，劉盛德，胡咸斌.Zigbee技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[2] Atmel.2.4G Radio Transceiver AT86RF230 Datasheet[EB/OL].www.atmel.com,2008.

[3] Atmel.Design and characterization of the Radio Controller Board's 2.4GHz PCB Antenna[EB/OL].www.atmel.com,2008.

[4] Atmel.8-bit Microcontroller Atmega128L Datasheet[EB/OL].www.atmel.com,2008.

[5] Atmel.8-bit Microcontroller Atmega8515L Datasheet[EB/OL].www.atmel.com,2008.

[6] Sensirion.Datasheet SHT1X[EB/OL].www.sensirion.com.2008.

[7] 沈 文，Eagle Lee.詹衛(wèi)前.AVR單片機C語言開發(fā)入門指導(dǎo)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[8] Atmel.AT86RF230 Software Programmer'sGuide[EB/OL].www.atmel.com,2008.