摘 要： 針對溫室大棚的溫濕度、光照和土壤含水率，采用TI公司的CC2430芯片設計并開發了一套信息采集的軟硬件系統。整個系統由傳感器節點、信息匯聚節點以及基于ARM的嵌入式Linux的上位機部分組成。各節點功能由基于TinyOS操作系統架構的應用軟件實現。上位機具有數據收集、處理和顯示的功能。實驗證明，本系統工作穩定且操作簡單易行。
關鍵詞： CC2430；溫室；信息采集；TinyOS；QT；串口；線程
近些年來，可控環境農業生產技術研究不斷發展，目的是研制適應中國的可控環境自動控制系統、信息自動采集系統[1]。通過檢測植物的生長環境中的各因子，根據環境因子的變化做出符合植物生長規律、利于產出的環境因子的調整。針對溫室大棚的空氣溫濕度、土壤濕度、光照和CO2濃度等環境因子的綜合信息采集監控系統的開發[2]，在提高產量與品質中將發揮巨大作用。
無線傳感器網絡技術在溫室大棚可控環境中各信息量采集的環節上起到了革命性的作用。應用無線通信控制傳感器采集信息，從有線到無線，大大方便了設施農業的建設[3]。溫室大棚內監控環境參數多為小信息量、多信息點的數據通信，應用傳統無線方式成本高、體積大，而傳感器技術也向更小、更方便使用的方向發展，集成度及能耗成為主要的考慮因素[4]。因此，滿足低成本、小體積、低能耗、低傳輸速率的近距離無線通信技術日益受到青睞，具有代表性的芯片是CC2430，它是一款專門針對2.4 GHz IEEE 802.15.4應用的片上系統，很好地滿足了要求。它是一種近距離、低功耗和低成本芯片，高度集成了無線射頻、微控制器、內存、A/D轉換器、看門狗定時器及休眠定時器等部件，特別適合電池供電的應用領域[5]。TinyOS是一個針對于無線傳感器網絡應用的小型嵌入式操作系統，通過它可實現無線傳感器網絡中節點組網通信，傳感器數據采集，網絡路由協議等功能[6]。
1 系統總體結構設計
系統的總體結構如圖1所示，包括前端傳感器節點、信息匯聚節點和上位機。傳感器節點對其配備的傳感器進行讀取數據，形成數據幀，同時基于無線路由通信協議組網通信，把數據發送到鄰近節點，每個節點具有路由功能，轉發其他節點數據到信息匯聚節點。信息匯聚節點必須在這個無線通信網絡中，并且是網絡的信息匯集中心。每收集到一個節點的數據后，通過串口發送到上位機。上位機采用基于ARM的嵌入式Linux，同時運行兩個任務，一個是實時讀取串口數據并進行數據處理，另一個是通過LCD顯示處理后的結果，即溫室大棚內各點傳感器測量的環境因子。
2 節點硬件設計
系統含有匯聚節點和傳感器節點兩種節點。無線傳感器網絡中的節點是網絡的基礎，節點的無線通信是節點的必要功能。本系統中的CC2430是集高性能的8051核及CC2420射頻核心為一體的芯片，即系統設計中節點的處理器及無線通信單獨成為一個模塊。因此匯聚節點與傳感器節點都包含此核心模塊。
2.1 核心模塊
根據TI公司提供的CC2430的詳細使用手冊，這部分電路主要分為芯片最小工作系統電路、無線電射頻及天線電路、外部接口和調試接口3個部分。核心模塊的電路原理圖如圖2所示。
CC2430引腳特別小，封裝為QLP48。為保證芯片的穩定工作，其外圍電路的器件選擇要滿足芯片手冊要求，并且電源必須適當的去耦，去耦電容的位置和大小，以及電源的過濾，對CC2430達到最佳性能都是關鍵條件。CC2430有3種型號，以內部Flash大小劃分，本系統采用的是片內Flash規格為128 KB的CC2430。
2.2 傳感器節點與匯聚節點的設計
傳感器節點與匯聚節點的區別在于：傳感器節點包含傳感器接口電路，匯聚節點不包含該電路而具有串口通信電路，如圖3所示。傳感器節點包括空氣溫濕度、光照強度和土壤含水率3種類型。由于節點、傳感器類型和供電不同，因此分開進行硬件設計。
2.2.1 溫濕度傳感器節點
空氣溫濕度傳感器采用SHT10，它是一款數字式傳感器，具有符合I2C標準的兩線制數據通信接口，控制器通過發送指令即可對其操作。其內部包含溫度感測和濕度感測器件、信號放大器、A/D轉換器和校準存儲器。其體積小，采用CMOS工藝，可靠性更高。SHT10供電電壓為直流2.4 V~5.5 V，功耗低，特別適用于電池供電的傳感器節點應用。
2.2.2 光照強度和土壤含水率傳感器節點
光照強度傳感器采用了魏圖農業科技的WLS-TH100傳感器，輸入線電阻高，線性度好。其抗干擾能力強，可長距離應用。供電電壓為直流12 V，輸出信號為4~20mA。
土壤含水率傳感器采用了魏圖農業科技的SWCP系列土壤水分傳感器，該系列傳感器的特點是響應速度快、工作穩定、精度高且使用方便。其供電電壓為12 V，輸出信號為0~2 V。
這兩種傳感器應用方式類似，因此電路原理一樣，只是接口有所區別。此節點電路包括降壓電路、繼電器控制電路及信號調理電路。調理電路的作用是把傳感器輸出的電壓或電流信號轉變成統一的符合CC2430內部A/D轉換范圍的電壓信號，通過運放實現阻抗匹配。
2.2.3 匯聚節點
匯聚節點包含核心模塊插槽、降壓電路及串行接口電路。電源采用外接5 V直流電源供電。外接串行接口電路主要由MAX3232構成。
2.3 上位機的結構與功能
上位機選用TQ2440開發板作為實驗平臺，其硬件資源比較豐富，在這里主要應用其串行通信接口及LCD觸摸屏，實現串口讀取數據和LCD屏幕顯示數據信息。
3 系統軟件設計
3.1 節點軟件設計
本系統節點的應用程序設計是基于TinyOS操作系統來實現的，需要將TinyOS移植到CC2430上。通過添加和修改TinyOS系統的部分源碼，編譯形成可執行文件，下載到CC2430內部Flash。移植TinyOS的同時添加應用程序代碼，即實現無線傳感器網絡的相關功能。TinyOS由nesC語言編寫，nesC應用程序是由一個或多個組件連接起來實現的，組件之間的配合通過組件提供和使用的接口來完成。nesC的組件有模塊和配置兩種形式。模塊是具體的功能實現和對外部操作的代碼，提供一個或多個接口，模塊內也可以包含其他內部可重用組件的接口；配置的作用是組裝組件，對組件間要對接和關聯的接口進行連接。
3.1.1 開發環境的建立及移植
建立工具鏈，安裝的軟件有Keil C51 7.50A、Java 2 SDK v1.5、Cygwin，把TinyOS的編譯工具的安裝包安裝到Windows XP下的Cygwin環境中，TinyOS8051wg-0.1pre4.tgz解壓到Cygwin環境中[7]。
TinyOS是一個具有層次體系結構的操作系統，不同層有不同的組件。組件對不同層次的抽象和平臺相關的組件就是底層硬件的抽象[8]。在CC2430上移植工作就是添加底層硬件的抽象，能夠和系統組件和庫組件連接應用。
3.1.2 傳感器節點與匯聚節點程序
傳感器節點的應用程序主要包含無線通信協議棧代碼程序、發送與接收數據程序以及傳感器驅動程序三部分。無線通信協議棧代碼實現自組網，負責拓撲結構的建立及維護[9]；發送與接收數據程序負責數據成幀，發送或接收鄰近節點數據；傳感器驅動程序對傳感器操作，獲得環境因子的原始轉換數據。圖4為CC2430內部ADC的程序流程圖。
測試成功后，移植到開發板，需要重新定義串口，編譯下載，設置程序開機自啟動。實驗結果表明，程序運行正常，可應用觸摸屏操作界面。圖6為系統硬件圖。
應用多線程編程可使上位機界面響應觸摸操作速度快，基于CC2430芯片設計制作的模塊電路運行良好，焊接所用焊錫以及貼片電阻、電容品質很關鍵。實驗證明，所設計無線模塊傳輸距離在都10 m以上。本系統硬件結構簡潔，傳感器功耗低，滿足了節能的需求。
參考文獻
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