一種雞舍環(huán)境監(jiān)測(cè)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

游 洪， 嚴(yán)文強(qiáng)， 李雪冬，黃桂林

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇南京 210031)

一種雞舍環(huán)境監(jiān)測(cè)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

游 洪， 嚴(yán)文強(qiáng)， 李雪冬，黃桂林*

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇南京 210031)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)雞舍環(huán)境中溫濕度、二氧化碳和氨氣濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)了基于UTC4432的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)模塊。該模塊是以無(wú)線(xiàn)透?jìng)髂KUTC4432為收發(fā)模塊，傳感器將采集的數(shù)據(jù)信息傳送給主控芯片STM32進(jìn)行處理，再經(jīng)無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送給主節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)和發(fā)送。該節(jié)點(diǎn)模塊具有體積小、功耗低、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)，同時(shí)具有很好的適用性，發(fā)展前景廣闊。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)；UTC4432；STM32；雞舍環(huán)境監(jiān)測(cè)

目前，在現(xiàn)有的環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備中，主要采用有線(xiàn)的方式，因其具有良好的實(shí)時(shí)性和安全性。作為國(guó)內(nèi)外的熱門(mén)技術(shù)，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)也越來(lái)越得到人們的關(guān)注，運(yùn)用到環(huán)境監(jiān)測(cè)中的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也越來(lái)越多。如運(yùn)用面很廣的基于ZigBee[1-3]的無(wú)線(xiàn)模塊，因其傳輸距離遠(yuǎn)和組網(wǎng)規(guī)模大而得到很好的利用，也有基于CC2420[4]無(wú)線(xiàn)模塊和nRF24L[5]無(wú)線(xiàn)模塊的，在國(guó)外現(xiàn)有比較典型的無(wú)線(xiàn)模塊節(jié)點(diǎn)有美國(guó)DARPA支持下開(kāi)發(fā)的Smart Dust和NEST項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的Telos節(jié)點(diǎn)，以及美國(guó)加州大學(xué)Berkeley分校的Mica系列節(jié)點(diǎn)[6]。在該研究中節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)上，采用微處理器STM32為處理器，UTC4432為無(wú)線(xiàn)模塊作為節(jié)點(diǎn)，從而對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握環(huán)境變化。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的各部分組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。在該模塊的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，采用了ST(意法半導(dǎo)體公司)的144位嵌入式微控制處理器STM32F103RCT6[7-8]。STM32芯片在各方面都表現(xiàn)優(yōu)異，包括外設(shè)、功耗控制、成本，同時(shí)具有較好的穩(wěn)定性，能適應(yīng)一些惡劣的環(huán)境。在與UTC4432進(jìn)行通信時(shí)，不需要進(jìn)行SPI配置，可直接進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳輸；采用UTC4432為無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，該模塊是工作于430～450 MHz免費(fèi)ISM頻段，適合多節(jié)點(diǎn)的特殊場(chǎng)合，當(dāng)需要多節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信時(shí)，該模塊具有很好的適用性；對(duì)傳感器模塊，主要采用數(shù)字式的溫度傳感器和模擬量輸出的CO2和NH3傳感器，該模塊不用進(jìn)行比較復(fù)雜的程序書(shū)寫(xiě)；電源模塊的作用是將電壓穩(wěn)定在3.3、5.0和6.0 V。

圖1 無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

2 節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)的硬件電路圖如圖2所示，實(shí)物圖如圖3、4所示。圖2中PA8、PA6分別接CO2和NH3的AOUT口，通過(guò)傳感器的模擬后采集數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)的整體結(jié)構(gòu)包含控制模塊、無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊、傳感器模塊以及電源模塊。

圖2 節(jié)點(diǎn)硬件電路示意

圖3 節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖正面

圖4 節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖反面

2.1 微處理器模塊 STM32系列是基于專(zhuān)為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核。其特性主要為：①按性能分為STM32F103系列增強(qiáng)型和STM32F101系列基本型，其時(shí)鐘頻率分別為72和36 MHz，同時(shí)內(nèi)置32～128 K的閃存；②工作電壓低，為2.0～3.6 V，能容忍5.0 V的I/O管腳；③具有優(yōu)異的安全時(shí)鐘模式以及帶喚醒功能的低功耗模式；④內(nèi)部帶有RC振蕩器，同時(shí)內(nèi)嵌復(fù)位電路；⑤工作溫度范圍為-40～85 ℃或125 ℃；⑥對(duì)增強(qiáng)型最多達(dá)13個(gè)通信接口，包括2個(gè)IIC接口、5個(gè)USRAT接口、3個(gè)SPI接口、1個(gè)CAN接口(2.0B)、1個(gè)USB2.0全速接口、1個(gè)SD IO接口。

2.2 無(wú)線(xiàn)射頻模塊 UTC4432是一款具備收發(fā)一體、超遠(yuǎn)距離、超低功耗的無(wú)線(xiàn)透明傳輸模塊。通常工作在433 MHz免費(fèi)ISM頻段，支持無(wú)線(xiàn)喚醒功能，提供多個(gè)頻道選擇，同時(shí)，透明傳輸無(wú)需編程，可通過(guò)PC設(shè)置常規(guī)參數(shù)，也可以在線(xiàn)進(jìn)行修改，一次能發(fā)送長(zhǎng)達(dá)512字節(jié)的數(shù)據(jù)包，在開(kāi)闊地能傳輸2 000～2 500 m。

UTC4432基本特性如下：①帶串行接口，支持1 200 / 2 400 / 4 800 / 9 600 / 19 200 / 38 400 / 57 600 bps頻率的波特率；②工作頻率范圍為430～450 MHz免費(fèi)ISM頻段，很適合多節(jié)點(diǎn)的特殊場(chǎng)合；③功耗低，支持無(wú)線(xiàn)喚醒功能，在休眠狀態(tài)下僅為1.5 μA，能滿(mǎn)足低功耗要求的設(shè)備；④采用GFSK調(diào)制，能高效糾錯(cuò)編碼，抗干擾能力強(qiáng)；⑤接收靈敏度能達(dá)到-121 dBm,同時(shí)采取數(shù)字緩沖，一次能發(fā)送長(zhǎng)達(dá)512字節(jié)的數(shù)據(jù)。

UTC4432與MCU的接口電路如圖5所示。

圖5 UTC4432與MCU的接口電路

模塊與STM32連接時(shí)，SET_A與SET_B分別接STM32的兩個(gè)GPIO口，模塊的TXD和RXD分別接STM32串口的RX和TX引腳，AUX腳接STM32的外部中斷引腳(AUX非必須，可以懸空)，3.3和5.0 V電源同時(shí)給模塊供電。

2.3 電源模塊 由于傳感器節(jié)點(diǎn)的體積較小、電源更換不方便，該節(jié)點(diǎn)采用12.0 V、容量為3 500 mAH的高容量聚合物(鋰電池)可充電電池，通過(guò)降壓芯片轉(zhuǎn)化為3.3～6.0 V，節(jié)點(diǎn)在不停地轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，同時(shí)在4種狀態(tài)之間發(fā)生轉(zhuǎn)化。電源模塊電路圖如圖6所示，實(shí)物圖如圖7所示。

圖6 電源模塊電路示意

圖7 電源模塊實(shí)物示意

2.4 傳感器模塊 在溫濕度監(jiān)測(cè)上，該研究采用的是DHT22數(shù)字溫濕度傳感器，部分參數(shù)如表1所示。該傳感器采用專(zhuān)用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，具有極低的功耗，信號(hào)傳輸可達(dá)20 m以上。

在CO2和NH3監(jiān)測(cè)上，該研究采用龍戈電子的MG811型號(hào)和MQ137型號(hào)，其中CO2傳感器電路原理圖如圖8所示。在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上主要由LM393和MG811氣體感應(yīng)探頭組成，該裝置具有TTL電平信號(hào)燈輸出指示，模擬量輸出電壓為0～2.0 V，濃度越高輸出電壓越高，帶有溫度補(bǔ)償特性，適用于家庭和環(huán)境中的CO2濃度測(cè)量，測(cè)試范圍為0～10 000 mg/kg，同時(shí)具有很好的靈敏度和選擇性。

表1 溫濕度參數(shù)

圖8 CO2傳感器電路原理示意

NH3傳感器模塊主要由NH3氣體傳感器組成，工作電壓為5.0 V，采用雙路信號(hào)輸出，同時(shí)帶有電平信號(hào)輸出，以及報(bào)警知識(shí)燈，測(cè)試范圍為5～500 mg/kg，靈敏度大于3%，對(duì)環(huán)境中的NH3濃度具有很好的監(jiān)測(cè)性，在該節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)上主要采用模擬量輸出。

NH3傳感器原理圖如圖9所示。

圖9 NH3傳感器原理示意

3 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖10所示。完成STM32、UTC4432、傳感器的初始化后，配置寄存器寫(xiě)入相應(yīng)的初始化RF控制字。在節(jié)點(diǎn)軟件的設(shè)計(jì)上，采用C語(yǔ)言[9]進(jìn)行程序編寫(xiě)，開(kāi)發(fā)環(huán)境是由美國(guó)Keil Software公司出品的51系列兼容C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)[10]，它提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器和功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等調(diào)試工具，同時(shí)具有方便易用的集成環(huán)境、強(qiáng)大的軟件仿真調(diào)試工具。運(yùn)用于STM32微處理器在Keil軟件上的編寫(xiě)過(guò)程，結(jié)合Keil軟件自身的編譯工具及相應(yīng)參數(shù)的設(shè)置。

圖10 軟件設(shè)計(jì)流程示意

在無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的軟件部分需要完成的工作：①初始化：通過(guò)硬件部分的連接關(guān)系，完成各個(gè)參數(shù)和接口之間的初始化，這個(gè)過(guò)程包括對(duì)STM32F103RCT6的初始化、UTC4432的初始化以及各個(gè)傳感器的初始化。②數(shù)據(jù)信息傳輸：將傳感器采集來(lái)的數(shù)據(jù)信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊傳送給中繼節(jié)點(diǎn)，處理后進(jìn)而傳送給監(jiān)控中心。在該節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)上，由于采用12.0 V的電源供電，同時(shí)檢測(cè)種類(lèi)較多，所以采用功耗相對(duì)較低的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)方式，定時(shí)啟動(dòng)，進(jìn)行傳感器的數(shù)據(jù)信息采集，然后將信息發(fā)送出去，不需要的時(shí)候轉(zhuǎn)入睡眠模式。

在數(shù)據(jù)信息的發(fā)送上，采用定時(shí)發(fā)送，定時(shí)排險(xiǎn)，在節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)上，定時(shí)啟動(dòng)時(shí)采集數(shù)據(jù)信息，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控中心，之后轉(zhuǎn)入睡眠模式。

4 結(jié)論

隨著雞舍養(yǎng)殖環(huán)境的變化，對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境的監(jiān)測(cè)提出了更高的要求。集成電路和無(wú)線(xiàn)通信在各個(gè)領(lǐng)域的運(yùn)用也越來(lái)越廣泛[11]，無(wú)線(xiàn)傳感器檢越來(lái)越受到人們的喜愛(ài)。利用以UTC4432為基礎(chǔ)的無(wú)線(xiàn)模塊解決了雞舍環(huán)境監(jiān)測(cè)中存在的監(jiān)測(cè)區(qū)域小、數(shù)據(jù)采樣率低、工作量大、成本投入大的缺點(diǎn)[12]，具有廣闊的運(yùn)用前景，適合絕大多數(shù)環(huán)境監(jiān)測(cè)中信息采集的需要。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，按照設(shè)計(jì)要求基本實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)，但也存在著不少問(wèn)題，如電路設(shè)計(jì)缺少經(jīng)驗(yàn)，射頻知識(shí)掌握不多，沒(méi)有采用先進(jìn)的表面貼片封裝天線(xiàn)，減小體積，設(shè)計(jì)更小的板子。但總體來(lái)講，基本上達(dá)到了目標(biāo)。

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南京農(nóng)業(yè)大學(xué)SRT國(guó)家級(jí)立項(xiàng)(201310307073)。

游洪(1990- )，男，四川廣安人，本科生，專(zhuān)業(yè)：雞舍養(yǎng)殖環(huán)境的無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。*通訊作者，講師，碩士，從事智能環(huán)境監(jiān)測(cè)及EDA方面的研究。

2014-05-04

S 126

A

0517-6611(2014)15-04901-03

鳴 謝 在項(xiàng)目的研究過(guò)程中，得到了尹文慶教授和黃桂林老師的大力幫助，在此表示由衷的謝意。