无线传感器网络的大棚环境参数采集系统解决方案

文中采用无线传感器网络技术设计了一种温室大棚温度、湿度及二氧化碳参数测量系统，具有超低功耗、不需布线、测量节点移动方便等优点，克服了人工抄表和有线数据采集系统的诸多缺点。

1 硬件设计

无线传感器网络节点的电路原理图如图1所示。它主要由MCU控制单元、射频收发单元、温湿度传感器、二氧化碳浓度传感器构成。所有单元均采用低功耗器件，MCU采用中颖电子的具有休眠功能的SH79F64单片机，温度和湿度测量单元采用SENSIRON公司的具有休眠功能的SHT75温湿度传感器，CO2浓度测量采用GSS公司的功率仅为3.5 mW的COZIR传感器，射频收发单元采用SILICON LABS公司的具有休眠功能的SI4432无线收发器。所有器件均采用3.3 V供电，便于电池集中供电。

图1 无线测量节点的电路结构图

上位机无线模块硬件设计可采用类似结构，取消传感器部分，增加Silicon LABS公司的CP2102单芯片USB与UART桥接单元，通过USB口连接PC机。PC通过USB接口给无线模块供电。

1.1 MCU单元

MCU采用中颖电子生产的SH79F64低功耗单片机，SH79F64是一颗低功耗高性能8位芯片，SH79F64内嵌加强8051核，具有高速高效率特性。在同样振荡频率下，较之传统的8051芯片它具有运行更快速的优越特性。它保留了标准8051芯片的大部分特性。这些特性包括内置256字节RAM和3个16位定时器/计数器，2个EUART,外部中断INT0和INT1.此外，SH79F64还集成了外部2776字节RAM（不包括LCD RAM），1路8位PWM输出，外部中断INT2和INT3,可兼容8052芯片的16位定时器/计数器（Timer3）和适合存储程序和数据的64k字节flash以及1 k字节类EEPROM存储器。

除具有普通单片机的功能，SH79F64还具有其他特点：

1）强大的处理能力  SH79F64虽然是8位单片机，但是机器周期为1个振荡器周期，而传统型51内核机器周期为12个振荡器周期。其指令执行效率约为同频率的传统8051的8~10倍。另外还提供增强型的乘/除法指令，支持16 bitx8bit和16 bit÷8 bit运算，提供双DPTR指针，用户在使用查表，数据搬移等操作时会更方便。

2）丰富的数据存储区域  SH79F64提供64 k字节FLASH ROM,每1 k字节为1个扇区（SECTOR），每个扇区可分别进行加密。如果没有加密，每个扇区可分别单独进行编程和擦除。整体擦除（MASS ERASE）可以擦除所有扇区。SH79F64的全部64 k BYTE都可用于存储程序和数据，存放在FLASH ROM中的程序可以对不在同一扇区的FLASHROM编程（SSP模式），因此可以当作EEROM来使用。另外提供1 k字节的客户信息区/类EEPRO M块区用于存放用户数据，每个扇区（SECTOR）为256字节。

3）高性能模拟技术及丰富的片上外围模块  SH79F64内部集成的有：3个16位定时/计数器T0、T1和T2,1个16位定时器T3,看门狗定时器，1路8位PWM定时器，4/5x40/39段LCD驱动器，EUART、IR、TWI和SPI等标准通信模块，8通道10位AD转换器，蜂鸣器输出等。

4）超低功耗  其供电电压为2.4~3.6 V,内建低电压复位功能和低电压检测功能。系统可采用双时钟方式，支持两种省电模式：IDLE模式和掉电模式。当系统时钟采用高速时钟，外围模块采用32.768 Hz时钟时，掉电模式将停止CPU时钟信号，用于定时器3的时钟可以开启，此时的工作电流不超过20μA.

MCU是无线测量节点的核心，在无事件发生时工作于掉电模式，当无线模块收到数据时会通过IO口唤醒SH79F64进人活动工作状态。SH79 F64功能丰富，编程方式灵活，完全可以满足无线测量节点的设计需求。

1.2 无线收发单元

Si4432芯片是Silicon Labs公司推出的一款高集成度、低功耗、多频段的EZRadioPRO系列无线收发芯片，早期生产的V2版本不太稳定，改进后的B1版本性能比较稳定。其工作电压为1.8~3.6 V,20引脚QFN封装（4 mmx4 mm），可工作在240~930 MHz的频段；内部集成分集式天线、功率放大器、唤醒定时器、数字调制解调器、64字节的发送和接收数据FIFO,以及可配置的GPIO等。Si4432在使用时所需的外部元件很少，1个30 MHz的晶振、几个电容和电感就可组成一个高可靠性的收发系统，设计简单，且成本低。

Si4432的接收灵敏度达到-121 dB,可提供极佳的链路质量，在扩大传输范围的同时将功耗降至最低；最小滤波带宽达2.6 kHz,具有极佳的频道选择性；在240~930 MHz频段内，不加外部功率放大器时的最大输出功率就可达+20 dBm,设计良好时收发距离最远可达2km.Si443 2可适用于无线数据通信、无线遥控系统、小型无线网络、小型无线数据终端、无线抄表、门禁系统、无线遥感监测、水文气象监控、机器人控制等诸多领域。

Si4432有多种工作模式，本设计用到其中的3种模式：发射模式，接收模式，睡眠模式。当芯片工作在睡眠模式时，外部晶振关闭，唤醒定时器采用内部的32.768 kHz晶振作为时钟源，它每周期在nIRQ脚上产生一个低电平，这个信号可以通过外部中断唤醒SH79F64,SH79F64通过SPI口读取相关寄存器状态就可发现Si4432是否收到前导码或同步码，从而决定是否让Si4432进入接收状态。Si4432在睡眠状态时，电流仅为1μA。

为了防止射频干扰，无线收发单元采用射频板材单独制版，并用金属罩对其进行屏蔽。本文的设计方案中，GP1接单片机的INT0口，GP2接P5.1口，GP3接P0.6口，GP4接P0.6.GP5接P5.0。

图2 射频收发单元电路图

1.3 低功耗传感器单元

温度和湿度测量单元采用SENSIRON公司的具有休眠功能的SHT75温湿度传感器，传感器包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件，并与一个14位的A/D转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝连接。SHT75采用串行接口，它的分辨率可以根据现场的采集速率进行调整，一般情况下默认的测量分辨率分别为14 bit（温度）、12bit（湿度），如果在高速采集中就可分别降至12 bit和8 bit,温度的量程范围：-40~123.8℃，湿度的量程范围：0~100%RH.它操作比较简单，只需用一组"启动传输"时序，就能实现传感器数据传输的初始化，同时，在测量和通讯结束后，SHT75会自动转入休眠模式，这大大减少了功耗。

文中对SHT75采用3.3 V供电，SHT75的SCK脚接单片机的SCL口，DATA脚接单片机的SDA口。

CO2浓度测量采用GSS公司的COZIR-W-100型传感器，其功耗仅3.5 mW,可温度补偿，湿度补偿，以及感知白天黑夜的环境状态。预热时间仅10 s,量程100%.性能：1）功耗3.5 mW;2）峰值电流33 mA;3）平均电流小于1.1 mA;4）电源3.3 V;5）T90小于4 s;6）标准型号温度范围0~50℃（可扩展-25~55℃）；7）湿度适用范围0~95%RH;8）存储温度-30~+70℃；9）尺寸：传感器18 mmx20 mm.

COZIR连接简单，除了3.3 V电源和地线外，还有RX和TX引脚可直接连接单片机的UART口。所有的通信均使用ASCII码，命令格式按照文献的规定执行。传感器有3种工作模式：命令模式（Command Mode），流模式（Streaming Mode）和查询模式（Polling Mode）。

命令模式适用于从传感器提取大批量数据时使用，此时传感器处于停止测量状态，其功耗小于3.5 mW.流模式是工厂默认模式，此时传感器每秒产生2个测量数据，除了正处于测量的过程中以外，传感器会及时处理收到的命令，所以传感器在处理命令时可能会出现100 ms的延迟，这种工作模式的功耗为3.5 mW.查询模式时传感器并不产生数据，但是周期性的测量在后台继续，当传感器收到读取命令时，会将最近的测量值转换成数据送出。查询模式的功耗与查询频率有关，但是几乎接近3.5mW.

文中将COZIR的通讯口接到单片机的EUART0口，COZIR工作在查询模式（Polling Mode）。

2 软件设计

软件的开发环境为Keil uVision3,使用C51语言。系统的无线通信部分采用标准MODBUS协议，为点对多点的通信方式。主机采用同样的电路，去除传感器部分，增加USB与UART桥接芯片CP2102,通过USB口连接PC机。PC机在安装Silicon Labs公司提供的免费驱动程序后，通过USB接口虚拟出一个COM口。从机为无线测量节点，每一个节点都拥有一个唯一的地址，工作方式为主站轮询，从站监听的方式。节点软件的主要流程如图3所示。

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图3 系统程序框图

2.1 程序流程

系统初始化时，MCU进入掉电模式，Timer3选择32768 kHz晶振作时钟源，定时1 min中断。Si4432进入睡眠模式，开启Si4432的Wake-up Timer,定时31s.有两个事件会将MCU唤醒：Timer3定时和Si4432的nIRO引起的外部中断。

在Timer3的中断服务子程序中做两件工作：1）软时钟计时。由于系统对实时性要求不高，时钟可以分钟为最低计时单位。并且上位机可定期通过写指令对时钟进行校准；2）采集数据。从温湿度传感器和CO2浓度传感器读取数据并按规定格式存放在规定缓冲区，等待上位机读取。

MCU的INT0设置为低电平触发，连接Si4432的nIRQ脚，每31秒Si4432的Wake-up Timer使得nIRQ脚产生低电平，从而引发MCU外部中断。在中断服务子程序中MCU通过SPI口读取Si4432的iswdet和ipreaval位，以判断是否接收到前导码或同步码。若有，则命Si4432进入RX状态，继续接收数据并处理，否则回到休眠状态。上位机要唤醒无线节点，需连续发40 s（大于31 s）唤醒信号，这对于供电充分的上位机来说不是问题。

2.2 通信协议

通信协议采用MODBUS协议的RTU传输模式。MODBUS协议是免费的用于工业现场的总线协议。在我国，MODBUS已经成为国家标准GB/T195 82-2008.可以支持多种电气接口，如RS-232、RS-485等，还可以在各种介质上传送，如双绞线、光纤、无线等。

在本系统中，主机（PC）直接面对的是虚拟COM口，因此可方便地采用MODBUS协议，主机界面可采用简单的串口调试工具，如SSCOM等，也可以由用户自行开发。通过USB口连接主机的无线节点与从机之间采用透明传输，由上向下传输数据前需增加唤醒过程。从机（无线测量节点）向上发送数据时，则按照MODBUS帧格式组建数据包连续发送。

MODBUS通信使用主--从技术，即仅一个设备（主设备）能初始化传输（查询）。其他设备（从设备）根据主设备查询提供的数据作出相应反应。主设备可单独和从设备通信，也能以广播方式和所有从设备通信。如果单独通信，从设备返回一个消息作为回应，如果是以广播方式查询的，则不作任何回应。

在本系统中，通信地址的分配情况如下：

*电子标签区 0x0000~0x00BF

*工作参数区 0x2000~0x2022

*实时数据区 0x3000~0x307A

其中电子标签和工作参数位于MCU的类EEPROM区域，断电情况下不会丢失。电子标签用于存放无线节点的产品代码等信息，工作参数用于存放无线节点的数据传输速率、频段、无线发送功率等参数。实时数据区位于RAM区，在MCU掉电模式下能够得到保存。实时数据的存放格式如表1所示。每次读取的采样数据和时间存放在两个位置，一是地址0x3003-0x3008,二是沿地址0x3009-0x307A顺序循环存放。

表1 实时数据的存放格式

3 结束语

文中设计的超低功耗大棚无线传感器网络系统硬件结构简单，成本低，技术开发成熟，所采用的器件均为超低功耗器件，使得整个系统的功耗很低。由于大棚参数测量对实时性要求不高，无线节点的元器件大部分时间处于低功耗状态，大大降低了系统的功耗。所采用的Si443 2无线收发器，在不增加外部功放电路的情况下，将其输出功率设置为+20 dBm,在434 MHz频段工作时，实测有效传输距离达600 m,误包率低于1%,特别适用于分布面积较广的大棚环境。该系统无线传输距离远、无线测量节点功耗低，同样适用于对实时性要求不高的仓库环境监测等应用场合，具有较大的推广价值和广阔的市场前景。