基于物聯(lián)網(wǎng)的果蔬多參數(shù)數(shù)據(jù)感知節(jié)點研究

李小敏，朱立學，姚華平，張日紅

（仲愷農(nóng)業(yè)工程學院機電學院，廣州 510225）

0 引言

無線傳感網(wǎng)絡(luò)作為信息采集的一種有效方式，越來越受到人們的重視[1]。特別是在一些環(huán)境惡劣、不利布線的場合，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢更加明顯。農(nóng)業(yè)精準化生產(chǎn)是當前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的趨勢和要求，而其中對農(nóng)作物環(huán)境信息的采集是實現(xiàn)這一目的的首要條件[2]。隨著無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，將其應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息采集成為研究的熱點。果蔬作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要部分，它對環(huán)境的要求更高；而將無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與果蔬環(huán)境信息采集相結(jié)合很容易實現(xiàn)對果蔬環(huán)境的精準掌握[3,4]。果蔬環(huán)境信息的采集是實現(xiàn)果蔬智能控制、精準種植的前提。國內(nèi)外的研究者對無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在果蔬環(huán)境信息采集領(lǐng)域的應(yīng)用進行了相關(guān)研究，目前該技術(shù)存在成本高、集成度低、不易擴展等不足[5]。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計分為節(jié)點設(shè)計、網(wǎng)路層面設(shè)計、客戶端軟件設(shè)計三部分。而其中多參數(shù)數(shù)據(jù)感知節(jié)點是整個網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，它擔負著信息采集和數(shù)據(jù)發(fā)送的任務(wù)。本文以果蔬環(huán)境信息采集為條件，并采用新型低功耗處理芯片CC430F5135設(shè)計了一種果蔬環(huán)境多參數(shù)數(shù)據(jù)感知節(jié)點節(jié)點，在滿足基本需求的前提條件下，以低功耗和低成本為原則，對節(jié)點硬件軟件進行了精簡設(shè)計。

1 果蔬多參數(shù)數(shù)據(jù)感知系統(tǒng)總體設(shè)計

基于果蔬環(huán)境的面積和結(jié)構(gòu)，整個果蔬環(huán)境的無線傳感網(wǎng)絡(luò)采用星型拓撲結(jié)構(gòu)和節(jié)點一到兩跳的拓撲結(jié)構(gòu)，整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分為信息采集節(jié)點、路由基站和客戶端服務(wù)器，如圖1所示，整個網(wǎng)絡(luò)的工作過程為：網(wǎng)絡(luò)的傳感節(jié)點將采集到的數(shù)據(jù)通過無線模塊發(fā)送至父節(jié)點或是發(fā)送給基站；基站將所有節(jié)點的數(shù)據(jù)融合，通過GPRS/GSM或4G將所需要的信息發(fā)送至客戶端服務(wù)器；用戶通過服務(wù)器上的軟件將采集到的數(shù)據(jù)以圖形或表格的形式顯示出來，從而可以了解果蔬環(huán)境的狀態(tài)，為做出相關(guān)決策提供數(shù)據(jù)支持。

圖1 果蔬環(huán)境信息采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 Network structure of fruit and vegetable environment information acquisition system

2 多源信息采集節(jié)點的硬件設(shè)計

2.1 處理芯片與射頻芯片部分

無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)信息采集節(jié)點設(shè)計方案通常有兩種。一種是用8位的AVR芯片＋射頻[6-7]的方案，8位AVR芯片的處理能力有限，不易節(jié)點以后的升級和擴展；第二種是以16位的處理芯片MSp430＋射頻芯片的方案[9-10]，處理能量加強，但是集成度不高。以上方案都是將處理芯片（MCU）與無線發(fā)射芯片（RF）獨立開來通過相關(guān)的電路連接起來，沒有集成在一起，使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)復雜，PCB面積大，成本高且有時節(jié)點性能不穩(wěn)定。

針對上面兩種方案的不足，本文以CC430F5137為基礎(chǔ)設(shè)計了適應(yīng)于果蔬環(huán)境高集成度的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。CC430系列芯片是TI公司2008年推出的能滿足射頻頻率低于1 GHz要求。該芯片將超低功耗處理芯片（SoC）MSP430和CC1101射頻模塊集成到MCU片內(nèi)，采用穩(wěn)定性更好的芯片封裝技術(shù)。CC430不但繼承傳統(tǒng)MSP430已有低功耗、功能強大、IO豐富、性能穩(wěn)定和CC1101調(diào)制方式多樣、靈敏度高等特點，而且集成度更高、外部電路簡單。其成為無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計首選的芯片。CC430F5137是一種16位采用RISC結(jié)構(gòu)的RF處理芯片。工作電壓為1.8～3.3 V，且有五種低功耗模式供用戶選擇，其喚醒時間最多為6μs完全可以滿足用戶的需求。

圖2 節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of node hardware structure

果蔬信息采集節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)由電源、處理器、射頻外圍電路、傳感器模塊和擴展接口組成，如圖2所示。整個節(jié)點可以實現(xiàn)對果蔬環(huán)境空氣的溫濕度、光照強度、CO2含量、以及土壤參數(shù)的采集，然后通過節(jié)點的無線射頻系統(tǒng)將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。為了節(jié)點以后的擴展和設(shè)計，增加了擴展接口。

2.2 傳感器部分

傳感器作為節(jié)點的重要部分，其作用是將果蔬環(huán)境下的感知量轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的電信號，通過接口總線傳輸給MCU。所以傳感器的選擇，不僅關(guān)系到無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的成本和采集數(shù)據(jù)的準確性，而且直接影響節(jié)點的功耗，進而決定節(jié)點的壽命。

果蔬環(huán)境下空氣的溫濕度、CO2含量、光照強度、土壤的溫度和含水量、氧氮含量等都對植物生長有影響。所以節(jié)點傳感器的選擇在滿足果蔬環(huán)境要求基礎(chǔ)上，以成本和低功耗為原則進行選擇。空氣溫濕度參數(shù)采用SHT11，土壤溫濕度用SLHT5-1，光強選用ISL29010，而以TGS4161來檢測CO2的含量。表1是果蔬環(huán)境信息采集節(jié)點相關(guān)傳感器的部分參數(shù)。

表1 傳感器參數(shù)表Table 1 sensor parameters

2.3 電源電路

果蔬環(huán)境下不宜采用自供電系統(tǒng)為節(jié)點供電，所以在設(shè)計節(jié)點電源系統(tǒng)時采用3.7 V可反復充電使用的充電鋰電池為電源。如果節(jié)點需要長期使用，或是信息采集頻率高可以將多節(jié)鋰電池并聯(lián)使用，以延長無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的壽命。由于其中SHT11、SLHT5-1、ISL29010都可以在3.3 V電壓下工作，所以處理芯片采用3.3 V電源系統(tǒng)，但是CO2傳感器TGS4161需要5 V電源供電。所以在設(shè)計節(jié)點電源系統(tǒng)時需將3.7 V轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的其他大小數(shù)值的電壓。

圖3 電源系統(tǒng)外圍電路Fig.3 Peripheral circuit of power system

本文可以采用TI公司的LM3671穩(wěn)壓芯片為基礎(chǔ)輸出3.3 V電壓。LM3671芯片可以輸入電壓為2.7 ～5.5 V，并可轉(zhuǎn)化為電流為 600 mA 的 1.1～3.3 V 電壓；5 V電壓轉(zhuǎn)換采用TPS61070芯片。該芯片可將3.3 V電壓調(diào)節(jié)到5 V/200 mA。通過在兩個芯片電路上添加相應(yīng)的濾波電路，完全可以滿足網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的供電需求。圖3為兩個芯片的相關(guān)外圍電路。

3 節(jié)點的軟件設(shè)計

3.1 節(jié)點主程序的設(shè)計

果蔬環(huán)境下的節(jié)點主要有采集數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)兩個任務(wù)。采用周期時間對數(shù)據(jù)進行采集，并以時間中斷的方式來觸發(fā)。當采集時間到時，MCU從低功耗模式蘇醒，完成數(shù)據(jù)采集，然后通過無線通信將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

3.2 MAC協(xié)議的設(shè)計

在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，無線模塊數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收是非常消耗能量的。在以降低功耗為目的的前提下，盡可能使無線節(jié)點處于睡眠狀態(tài)。由于果蔬環(huán)境的面積一般較小，所以采集信息時所用的節(jié)點較少，而且整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的采集頻率不是很高。綜合以上3個因素，在多參數(shù)無線采集MAC協(xié)議時，采用在傳輸數(shù)據(jù)時周期性的睡眠機制。通過周期睡眠機制可以使得節(jié)點避免空閑監(jiān)聽及泛洪協(xié)議傳輸中的碰撞、節(jié)點旁聽、控制繁雜四個方面造成的感知節(jié)點能量的浪費[11]。

圖4給出了在周期性睡眠MAC協(xié)議下，節(jié)點通信的機制。節(jié)點2有兩個子節(jié)點，分別為節(jié)點1、節(jié)點3。當無數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)點1，2，3都處于睡眠狀態(tài)。當節(jié)點需要傳輸數(shù)據(jù)時，3個節(jié)點進入周期睡眠機制。節(jié)點1向節(jié)點2發(fā)送數(shù)據(jù)時：首先節(jié)點1先向節(jié)點2發(fā)送通信請求，節(jié)點2接受該請求后并判斷信道是否被占用，如果信道空閑，節(jié)點2向節(jié)點1發(fā)送通信許可的應(yīng)答信號，然后兩個節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸完成節(jié)點1進入睡眠狀態(tài)。在整個發(fā)送過程中，節(jié)點3采用周期的睡眠機制，在活動狀態(tài)時向節(jié)點2發(fā)送通信請求。當信道空閑時，節(jié)點2向節(jié)點3發(fā)出通信許可應(yīng)答信號，完成節(jié)點2、3之間的通信，然后節(jié)點2再將數(shù)據(jù)傳輸給自己的父節(jié)點。當通信完成后節(jié)點1、2、3都進入睡眠狀態(tài)。

圖4 節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸時序圖Fig.4 Node data transmission timing diagram

4 試驗與分析

4.1 通信距離測試

節(jié)點通信距離測試條件為山地火龍果果園環(huán)境，測試時無線射頻頻率為433 MHz，射頻的發(fā)射功率分別為 -12 dBm、-6 dBm、0 dBm 和 10 dBm 四種功率。測試條件為：天線增益3 dBi離地面為1 m，溫度為30℃，濕度分別為45%，52%，68%，76%。圖5給出不同發(fā)射功率、不同濕度下的有效通信距離?？紤]到果蔬環(huán)境面積，節(jié)省節(jié)點的功率，所以采用10 dBm的發(fā)射功率完全可以滿足果蔬環(huán)境采集數(shù)據(jù)的需求。

4.2 功耗分析

經(jīng)過對系統(tǒng)進行整體的系統(tǒng)指標測量，測得系統(tǒng)總體指標如下:低功耗模式3(LPM3)，即CPU關(guān)閉、主時鐘(MCLK)、鎖頻環(huán)和DCO時鐘關(guān)閉、DCO內(nèi)部直流發(fā)生器關(guān)閉、活動時鐘(ACLK)保持活動模式。在10 dBm的發(fā)射功率下，通過時間終端喚醒機制測得節(jié)點的參數(shù)如下：傳輸距離范圍為110 m左右；消耗的功率：最大做工電流為64.9 mA，處于睡眠狀態(tài)下節(jié)點的功耗測量為70.7 uA。經(jīng)過對本系統(tǒng)的射頻指標和總體指標的測量，表明此方案設(shè)計的節(jié)點性能完全能夠達到設(shè)計要求，滿足了果蔬信息采集的需求。

圖5 不同發(fā)射功率下的通信距離Fig.5 Communication distance under different transmission power

5 結(jié)束語

本文針對果蔬環(huán)境信息采集的要求，結(jié)合TI公司提出的高集成度和低功耗芯片CC430F135，設(shè)計了適應(yīng)于果蔬環(huán)境下的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。發(fā)送數(shù)據(jù)時節(jié)點采用周期性的睡眠機制，有效地節(jié)省了節(jié)點自身的能量，并且防止泛洪協(xié)議的數(shù)據(jù)碰撞。實驗結(jié)果表明采用該種設(shè)計方案，完全滿足了設(shè)計需求，達到了降低節(jié)點體積與成本的目的。