CC2431的無線傳感器網絡在溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中的應用 2011-05-03 10:56:03來源:互聯網
溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)整體結構框圖如圖1所示，網絡中采用傳感器測量節(jié)點和具有簡單執(zhí)行控制功能的控制節(jié)點構成無線傳感器網絡。測量節(jié)點用來測量空氣溫度、濕度、光照強度等重要環(huán)境數據，控制節(jié)點(能對調溫、調濕等設備進行相關控制)用來接收計算機傳來的遠程控制信息，以便對溫室環(huán)境參數進行適當調控。測量節(jié)點采集的數據沿著其他測量節(jié)點通過多跳的方式進行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數據可能被多個測量節(jié)點處理，信息經由多跳路由后到達匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點將接收到的數據直接上傳到計算機，所有數據都由計算機進行復雜的數字信號處理，并通過數據庫對傳感器網絡進行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務和收集監(jiān)測數據等信息，最后這些數據還可以通過Internet與遠程控制中心進行交互，從而實現溫室環(huán)境的遠程監(jiān)控。

點擊看大圖

2 CC2431簡介
CC2431是TI公司的產品，它是一個真正的基于無線傳感器網絡ZigBee/IEEE802.15.4解決方案的片上系統(tǒng)，其內部集成了CC2420射頻收發(fā)器，工業(yè)標準增強型8051 MCU內核，128 KB可編程閃存，8 KB的RAM，精確的定位引擎等豐富的片內資源，支持硬件調試，支持基于IAR7.20以上C51開發(fā)環(huán)境下的在線調試，提供強大、靈活的開發(fā)工具。CC2431體積小、功耗低、集成度高，非常適合于無線傳感器網絡節(jié)點的設計。它可工作在4種工作模式下，且工作模式之間的轉換時間較短，因而能夠滿足超低功耗系統(tǒng)設計的要求。
3 傳感器網絡節(jié)點的硬件
傳感器網絡節(jié)點由傳感器測量節(jié)點、控制節(jié)點和匯聚節(jié)點組成。測量節(jié)點負責采集周圍環(huán)境信息，采集的環(huán)境信息經多跳路由后到達匯聚節(jié)點，最終通過Internet到達控制中心。控制節(jié)點用來接收計算機傳來的遠程控制信息，對溫室環(huán)境參數進行調控。
3.1 測量節(jié)點硬件
傳感器測量節(jié)點由傳感器模塊、微處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊組成。其硬件結構框圖如圖2所示。


(1)傳感器模塊。由不同類型的傳感芯片組成，具有對溫度、濕度和光照強度的感知能力。其中溫、濕度傳感器采用I2C總線數字式溫、濕度傳感器SHTll，其體積小、能耗低、兩線數字接口、溫度量程為-40℃～85℃、相對濕度量程為0％～100％RH。光照強度傳感器選用TSL2550D，其功耗可以滿足無線傳感器低功耗系統(tǒng)設計的要求，其總線也易于與CC2431接口。
(2)微處理器模塊。采用集成在CC2431內部的8051 CPU。集成的CPU有4種不同的內存空間：代碼區(qū)、數據區(qū)、擴展數據區(qū)和特殊功能寄存器區(qū)，不同的內存空間有利于代碼和數據的分離，提高CPU對內存的訪問速度。
(3)無線通信模塊
①傳感器網絡節(jié)點在通信時消耗了大量的能量，選擇一款低功耗的無線通信芯片將有效地降低通信模塊的能量消耗。CC2431是一款符合ZigBee標準的低功耗通信芯片，具有快速喚醒和搜索外部設備功能，可以使節(jié)點更多地處于休眠狀態(tài)而節(jié)約功耗，而且其信道頻率和功耗等參數可以靈活設置。CC2431通信模塊的天線考慮到無線傳感器網絡通信質量的要求，采用單極性天線，單極性天線在差分輸出與天線之間要求使用“平衡-不平衡變壓器”。
②無線傳感器網絡節(jié)點電源為電池供電系統(tǒng)，選用的電池為手機專用鋰電池。為了使系統(tǒng)在電池供電時，工作時間持續(xù)長，在設計電源模塊時要考慮到節(jié)點的節(jié)能問題。CC2431提供4種電源管理模式：PM0、PM1、PM2和PM3，合理地使用這4種模式可有效地降低節(jié)點的能耗。
③LED燈用于顯示傳感器節(jié)點的運行狀態(tài)。
(4)電源模塊。為其他模塊提供能源。
3.2 控制節(jié)點
控制節(jié)點由驅動器模塊、微處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊組成。驅動器模塊能對調溫、調濕等設備進行相關控制，其硬件結構框圖如圖3所示。


3.3 匯聚節(jié)點的硬件研究
匯聚節(jié)點由微處理器模塊、無線通信模塊、存儲器模塊、以太網接口模塊、串行接口模塊和電源模塊組成，其硬件結構框圖如圖4所示。