摘 要： 傳統的環境監測方法存在著成本高、非實時、難以實現等缺點，而新興無線傳感器網絡技術具有部署簡便、成本低、監測范圍大的優點，將其應用到環境監測具有明顯的優勢。結合項目需求，設計了應用于精細農業的無線傳感器網絡監控系統。通過試運行證明，該系統運行穩定且功耗低。
關鍵詞： 環境監測；無線傳感器網絡；硬件設計；軟件設計
隨著現代微電子技術、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展，由隨機分布的集成了傳感器、數據處理單元和通信模塊的微小節點通過自組織的方式構成的無線傳感器網WSN(Wireless Sensor Network)[1]也取得了飛速發展。其借助節點內置的功能多樣的傳感器來探測周圍環境的興趣因子，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，在節點上對數據進行融合處理后傳輸到網絡監控中心，網絡監控中心根據收集的信息進行決策。
目前的環境檢測多采用人工方式或者通過預先部署有線計算機網絡，人工方式加大了工作量，而且容易對監測區域造成環境破壞；而有線計算機網絡對一些特殊的環境具有限制，如人類無法到到達的區域，對移動目標的定位，高溫高壓的環境等，另外，大面積的環境自然導致監測網絡成本的不可控制。
作為全新的無線傳感器網絡技術，將其應用于環境監測[2]具有比較明顯的優勢，克服了人工方式及有線方式的缺點，可適用于大面積的環境監測、移動目標跟蹤、高溫高壓等特殊環境。
1 傳感器網絡及通信協議設計
1.1 無線傳感器網絡
無線傳感器網絡是無基礎設施的網絡，由隨機分布在監測區域的傳感器網絡節點、Sink匯聚節點和終端用戶管理組成，如圖1所示。
傳感器網絡節點是集環境因子采集、通信網絡拓撲控制和路由信息維護以及數據融合處理等多功能于一體的微型化嵌入式計算設備。Sink匯聚節點匯聚全網的數據并進行融合處理以及完成無線傳感器網絡的無線通信協議和有線通信網絡間的協議轉換功能，相對傳感器網絡節點，資源限制較少，終端用戶管理由決策支持系統、特征數據庫、無線傳感器網絡管理用戶程序等構成，負責控制整個網絡。
1.2 通信協議設計
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、實現成本低、收發信號設備功耗低等特點，和無線傳感器網絡通信協議的設計目標相符，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 環境監測系統總體設計
根據無線傳感器網絡的組織結構和環境監測應用場景，將傳感器網絡的總體結構設計為3個部分，環境監測無線傳感器網絡整體結構[4]如圖2所示。
環境因子數據采集部分主要由部署在檢測任務區的傳感器網絡節點構成，傳感器網絡節點是低功耗、低成本的微型化嵌入式計算設備，通過內置在節點設備上的功能多樣的傳感器完成諸如大氣、水質、溫濕度等環境興趣因子的采集，并完成數據融合處理。
數據傳輸網絡完成將采集到的有效數據傳輸到評測預警系統，可以采用有線計算機網絡或者是無線通信網絡，如果采用有線計算機網絡，可以將由數據采集部分采集到的數據在Sink節點進行融合處理后進行傳輸，通過無線傳感器網絡可在節點上進行數據的融合處理。
評測預警系統對接收到的采集數據進行分析和預警處理。將采集到的信息與特征信息數據庫中的信息進行對比匹配，調用相應的預警控制規則，完成系統的預警功能和控制功能。
3 傳感節點設計
3.1 傳感節點硬件設計
3.1.1 設計思路
根據環境監測功能，無線傳感器網絡節點是具有計算、存儲、感知、通信功能的微型化嵌入式設備，通常分布在監測任務區，要求自身攜帶電源供電。所以傳感器節點硬件設計采用如圖3所示的結構[5]。
控制模塊：傳感器節點設備中的CPU，完成指令的運行。
存儲模塊：軟件系統代碼映像的存儲和采集到的數據存儲，通常包括片內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點自身攜帶的微型電源進行動態控制和對傳感器節點各個部分供電。
傳感器采集數據標準接口：無線傳感器網絡在環境監測的應用中，需采集不同形式的環境興趣因子，需要不同功能的傳感器，為增強傳感器節點擴展性，本設計為標準通用性傳感器采集板提供了傳感器采集數據標準接口。
網絡通信模塊：節點支持有線和無線兩種通信方式。有線的通信采用以太網芯片，無線的通信采用IEEE802.11.4通信協議標準芯片。
串口接口：傳感器節點板提供標準的RS232接口，用于對傳感器節點的在線編程和調試。
3.1.2 部件選型及其電路連接
本設計采用了TI生產的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電壓調節和動態功率控制，以優化電源供給。同時帶有片內存儲器可方便地進行在線仿真和編程，運行環境溫度在-40 ℃~+85 ℃，能適應惡劣的環境；存儲模塊的片外存儲器采用意法半導體公司生產的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生產的TPS60210線性穩壓芯片[8]，具備低功耗電源管理能力。傳感器節點電源采用兩節AA電池供電；RS232模塊的實現：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負責數據的輸入輸出，串口的傳輸速率設置為9 600波特/s。無線收發模塊采用了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。由于本項目用于中藥材大棚種植監測，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 傳感節點軟件設計
3.2.1 設計需求
無線傳感器網絡節點有限的資源(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性。軟件設計時應滿足以下幾個要求：
(1)采用超微型內核結構，傳感器網絡節點設計要求系統在低于300 B的指令空間中運行。
(2)支持處理器的動態電壓調節DNS(Dynamic Voltage Scaling)和動態電源管理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能設計。
(3)采用短小的微線程技術，針對無線傳感器網絡環境監測的應用場景，采用事件和任務兩層調度算法。
(4)便于應用軟件的實現，采用構件化的編程實現模式以及構件間基于接口的靜態綁定技術，提高映像代碼的執行效率。
(5)對通信協議的支持和對硬件平臺的良好封裝。
3.2.2 軟件系統結構
根據上述設計需求，本文設計的軟件體系結構，如圖5所示，由應用層、操作系統層以及硬件平臺層構成。
(1)應用層：無線傳感器網絡應用部署層次，由開發者實現應用的邏輯功能構件。
(2)操作系統層：操作系統層實現網絡協議、任務調度和管理、內存管理和分配、時鐘管理、對應用層構件提供編程接口等。具體實現通信協議的消息構件，描述系統各個組件運行狀態的狀態構件，負責內存申請、分配和回收的內存管理構件，完成任務調度管理功能的任務調度構件以及負責提供系統時鐘的時鐘構件庫等。
(3)硬件平臺層：為了提高操作系統的可擴充性，將硬件功能和表示部分劃分為硬件平臺層，主要實現硬件平臺配置、設備驅動管理、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，系統跨平臺性能增強。具體有配置形式各樣的節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
在項目開發過程中，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，包括其設計和編程模式、任務調度模型、通信協議支持等特性。由于TinyOS操作系統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絡操作系統，將其移植到項目平臺上，在移植過程中需要對操作系統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開發了無線溫濕度數據采集應用程序、光強度數據采集應用和ZigBee協議實現。
結合項目需要，本文設計了面向環境監測的無線傳感器網絡監測系統，包括傳感器網絡節點硬件各構成模塊的設計和節點軟件系統的設計，該系統在實際項目應用中運行穩定性較好，對傳感器節點編程和調試較為方便。
參考文獻
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