糧庫(kù)無(wú)線溫濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)-工業(yè)控制
引 言
科學(xué)儲(chǔ)糧是糧食生產(chǎn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，若管理不當(dāng)，糧食發(fā)霉或生蟲(chóng)會(huì)造成極大的浪費(fèi)。糧庫(kù)管理中最重要的問(wèn)題是監(jiān)測(cè)糧堆中的溫、濕度變化。國(guó)家為糧食儲(chǔ)藏每年支付很高的費(fèi)用，主要是因?yàn)楸O(jiān)測(cè)設(shè)備的成本過(guò)高，管理方式不夠先進(jìn)。隨著無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及傳感器技術(shù)的發(fā)展，使得研制低成本的先進(jìn)糧庫(kù)溫濕度監(jiān)測(cè)方法成為現(xiàn)實(shí)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)是將大量低功耗、低成本的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)布置到相關(guān)區(qū)域，各傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織快速形成的一種分布式網(wǎng)絡(luò)。WSN具有廣闊的應(yīng)用前景，例如災(zāi)難預(yù)警與救助、環(huán)境監(jiān)測(cè)和生物多樣化勘測(cè)、智能樓宇、設(shè)備管理、機(jī)器監(jiān)視和維護(hù)、運(yùn)輸和信息通信業(yè)務(wù)等。在糧庫(kù)中構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)糧庫(kù)各處溫濕度的低成本、高效監(jiān)測(cè)。其中的傳感器節(jié)點(diǎn)是組成糧庫(kù)WSN的基本單位，節(jié)點(diǎn)將采集的溫濕度數(shù)據(jù)傳送給相鄰節(jié)點(diǎn)，根據(jù)采用的路由協(xié)議最終傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)(sink)。匯聚節(jié)點(diǎn)解析接收到的數(shù)據(jù)，連接到因特網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)信息的更廣泛傳遞。由此可知，節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)直接影響到糧庫(kù)WSN的性能。出于糧庫(kù)WSN低功耗、低成本的考慮，通常采用8位單片機(jī)為節(jié)點(diǎn)CPU。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了以高檔8位AVR單片機(jī)ATmega128L為核心，結(jié)合外圍溫濕度傳感器SHT11和無(wú)線收發(fā)芯片CC2420的糧庫(kù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。
1 節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)
糧庫(kù)無(wú)線溫濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要功能是采集糧庫(kù)溫濕度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。它由傳感器模塊、處理模塊、傳輸模塊和能量供應(yīng)模塊4個(gè)部分組成，如圖1所示。
傳感器模塊采用的是瑞士Scnsirion公司推出的溫濕度傳感器SHT11，通過(guò)I2C接口與處理模塊相連；處理模塊控制其他模塊以及WSN的路由協(xié)議、同步定位執(zhí)行和節(jié)點(diǎn)的功耗管理等；傳輸模塊主要由低功耗無(wú)線通信芯片CC2420及其外圍電路組成，軟件上運(yùn)行相應(yīng)的通信協(xié)議；能量供應(yīng)模塊采用2節(jié) 5號(hào)AA電池供電。
2 糧庫(kù)無(wú)線溫濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
2．1 處理模塊設(shè)計(jì)
ATmega128L是Atmel公司于2001年推出的采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)的基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位微控制器。該芯片內(nèi)部采用Harvard結(jié)構(gòu)，具有極低的能耗和豐富的資源；具有片內(nèi)128 KB的Flash存儲(chǔ)器、4 KB的SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(可外接擴(kuò)展到64 KB)和4 KB的E2PROM存儲(chǔ)器。該芯片還有8個(gè)10位ADC通道，2個(gè)8位和2個(gè)16位硬件定時(shí)／計(jì)數(shù)器，可在多種不同模式下工作；8個(gè)PWM通道、可編程看門狗定時(shí)器和片上振蕩器、片上模擬比較器；USART0／1、SPI、I2C總線接口；可以采用JTAG編程和ISP編程兩種方式。除正常工作模式外， ATmega128L還具有6種不同等級(jí)的低能耗操作模式，每種模式具有不同的能耗。因此ATmega128L非常適合于低能耗的應(yīng)用場(chǎng)合。處理模塊選用 AT-mega128L，其接口電路如圖2所示。
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