基于CC2530的無線傳感器網絡網關節點的設計

陳克濤，張海輝，張永猛，張 杰，吳婷婷

(西北農林科技大學 機械與電子工程學院，陜西 楊凌712100)

農田環境信息獲取是精準農業技術發展的重要分支之一，其要求以低成本、高準確度與高密度的信息技術獲取土壤信息、作物信息以及農田微氣象信息[1]。而無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network,WSN)由部署在監測區域內的大量廉價微型傳感器節點組成[2]，具有組網靈活、部署方便、抗毀性強、動態性高、多跳路由和多路徑數據傳輸等特點[3-4]。目前，國內外眾多科研人員已將WSN技術應用于節水灌溉、溫室調控與農業氣象信息監測等方面，并且取得了一定的進展[5-9]。

在農業無線傳感器網絡監測的應用中，網關節點負責網絡組網、網絡間協議轉換及網絡數據的匯聚、處理與轉發等，是無線傳感器網絡的重要組成部分[10]。如楊奎武[11]設計了基于嵌入式處理器AT91R40008與實時操作系統μC/OS-Ⅱ的WSN網關節點，實現了WSN數據的高速采集與可靠傳送。陳昊等[12]設計了基于ARM的針對野外環境的WSN網關節點，具有長期穩定通信與高性能數據管理等特點。張海輝等[13]設計了基于WinCE系統的通用農業信息監控系統架構網關，具有監測區域信息組織管理能力與監測節點的屬性動態配置等特點，可實現現場可視化設備和監測數據的綜合管理。陸建強等[14]設計了一種基于LPC2148 ARM7與WCDMA網絡相結合的用于茶園監測的WSN網關，結合編寫的專用通信協議與路由算法，具有功耗低、生命周期長等優點。劉榮等[15]設計了基于嵌入式處理器PXA270與Linux操作系統的WSN網關，實現了多個無線傳感器網絡與處于外網的信息展示平臺的實時通信功能。

以上研究中，網關節點通?；贏RM處理器，但由于農業應用環境的特殊性，如設施環境高溫高濕、野外設備維護困難、農戶信息技術水平較低、現場人機交互需求少等，使其在實際應用中存在農戶應用困難、維護與檢修難度大及易損壞等不足。而且該類網關節點設計開發成本高，因此有必要研究探索在部署時可一次性配置、無需動態調控、低成本WSN網關節點的實現方法。

本研究針對以上不足，基于TI公司具有低功耗設計、集成MCU與射頻電路的CC2530芯片，設計了WSN網關節點，旨在實現整個網絡監測數據的采集，并通過GPRS網絡實現與中心服務器的信息交互。同時，為了驗證系統的穩定性和可靠性，在大田進行了數據接收信號強度與誤包率測試及實地部署測試試驗，以期為滿足大部分無需現場控制的農業環境自動監測提供支持。

1 系統總體設計

基于WSN的農田環境監測系統的終端節點分布在大田的各個區域，農田監測數據通過ZigBee網絡轉發至網關節點，網關節點對數據進行匯聚處理后，通過GPRS網絡與中心服務器實現遠程連接和數據交互。WSN監測系統總體框架如圖1所示。其中，網關節點作為ZigBee網絡與外部網絡互連的重要節點，具有ZigBee協議組網、數據匯聚、數據格式轉換及GPRS通信等功能，其整體結構如圖2所示。

圖1 農田環境WSN監測系統的總體框架

網關節點由處理器模塊、射頻處理模塊、GPRS模塊、狀態指示電路模塊以及電源管理模塊組成。其中，太陽能電池板、太陽能控制器、蓄電池與電源轉換芯片構成電源管理模塊，其輸出電壓供給處理器模塊、射頻模塊、GPRS模塊與狀態指示電路模塊；處理器模塊通過I/O接口控制狀態指示電路，通過串口與GPRS模塊實現通信。網關節點軟件采用Z-Stack協議棧實現ZigBee網絡的組織管理，通過擴展用戶應用程序實現數據的采集與轉發及GPRS網絡的連接通信等功能。

2 系統硬件設計

2.1 中央處理器模塊

中央處理器主要完成網絡組網、傳感數據匯聚、協議的轉換以及ZigBee網絡與GPRS網絡的通信。本研究選用德州儀器的集成芯片CC2530F256，該芯片集成了增強型8051微控制內核與2.4 GHz的RF收發器，具有256 kB的內存。同時結合該公司開發的ZigBee協議棧(Z-Stack)，為用戶提供了一個較好的ZigBee應用解決方案，用戶可在此協議?；A上開發特定應用場合下的應用程序。CC2530芯片硬件集成度高，具有多種喚醒與休眠工作模式，可達到低功耗的應用要求，且運行模式之間的轉換時間短，可進一步降低功耗，能夠滿足農田監測設備的低功耗要求。CC2530的應用電路如圖3所示。

圖3 CC2530的應用電路

在圖3中，P0端口與P1端口為功能復用端口，由相應的寄存器控制功能模式選擇。當模式選為通用I/O接口時，接入狀態指示電路，其中P1_4引腳接入網絡狀態指示燈，節點上電后，系統程序開始運行，該指示燈閃爍時表示ZigBee網絡建立成功；P1_0 引腳接入數據發送指示燈，從終端節點獲取到的傳感數據經串口發送至SIM900A時，該指示燈長亮3 s，然后經RF收發器發送至移動基站。模式選擇為外設I/O接口時，P0_2引腳與P0_3引腳作為USART0的TX端口和RX端口，連接至串口設備GPRS模塊。P2_1引腳和P2_2引腳為下載調試設備接口，接入仿真器可實現硬件在線調試查錯等。

2.2 GPRS通信模塊

為了實現傳感數據與控制命令的遠程傳輸與通信，設計選用覆蓋面積較廣的無線網絡GPRS/GSM接入方式。無線網絡GPRS/GSM具有遠距離通信的能力，因其按流量計費，因此適用于數據傳輸量較小、實時性要求相對較低的農業監測系統。

設計選用SIMCom公司的SIM900A芯片，該芯片采用省電技術設計，在SLEEP模式下最低耗流只有1.0 mA，適合于惡劣或特殊環境下的低功耗要求。芯片內嵌TCP/IP協議，擴展的TCP/IP AT命令方便用戶使用TCP/IP協議，可以實現語音、SMS、數據和傳真信息的低功耗傳輸。對SIM900A采用標準的AT命令寫入，實現與中心服務器的TCP連接，從而將ZigBee網絡匯聚的數據經GPRS網絡發送至服務器。GPRS通信模塊的電路原理如圖4所示。

GPRS通信模塊硬件電路主要包括特殊供電電源電路、串口電路、SIM卡槽電路以及天線接口電路。其中VBAT引腳為SIM900A的供電端，由于信號傳輸的猝發會導致電壓跌落，此時電流損耗峰值會達到2 A，因此要求可提供2 A的電流，同時使用旁路電容C4、C5濾除雜波。選用8個引腳的SIM卡座，SIM卡插取動作檢測PRESENCE引腳懸空，采用電阻R11、R12、R13分別串在SIM900A的SIM_RST、SIM_CLK、SIM_DATA引腳來匹配模塊與SIM卡之間的阻抗。NETLIGHT信號用來驅動GPRS網絡狀態的LED燈，通過燈的閃爍模式，提示SIM900A是否工作、是否注冊到網絡以及通訊是否處于正常狀態。

2.3 電源模塊

系統的部署環境為作物種類多變、長勢參差不齊的農田環境，很難實現電線輸電，且此方式成本較高，因此采用太陽能供電。

網關節點的核心芯片CC2530的供電電壓為3.3 V，GPRS模塊的供電電壓為5 V，于是采用12 V 20 W單晶硅的太陽能電池板、12 V 10 A的太陽能控制器和12 V 7 A·h的LC-R127R2松下蓄電池形成穩定的12 V電壓輸出系統。電源電路采用開關電源芯片LM2596-5.0與穩壓芯片AMS1117-3.3 V轉換輸出5 V與3.3 V的供電電壓。

圖4 GPRS通信模塊電路圖

3 系統軟件設計

網關節點軟件開發選用配套的IAR Embedded Workbench(簡稱EW)作為集成開發平臺。EW集成了編譯和調試功能，同時支持C/C++編程,是易使用的專業嵌入式應用開發工具。

軟件功能主要包括ZigBee網絡與GPRS網絡的建立、監測數據的處理、信息的下行采集及用戶任務處理等。用戶應用程序開發結合了ZigBee 2007 PRO協議棧，通過調用Z-Stack協議棧提供的API接口函數與原語函數實現ZigBee網絡建立、設備初始化、網絡管理、網絡參數配置、終端節點的網絡地址分配和數據包格式轉換等功能。同時通過用戶應用程序合理選擇主芯片的工作模式，降低系統功耗。GPRS網絡的建立則是CC2530通過USART0對SIM900A發送AT命令實現GPRS連接。系統軟件總體設計流程如圖5所示。

網關節點上電后，節點進行設備初始化并建立ZigBee網絡與GPRS網絡，終端節點上電掃描信道選擇最佳路由路徑，傳感數據經最佳路徑發送至網關節點，最后通過接入的GPRS網絡傳送至中心服務器。

網關節點在響應射頻模塊接收數據時，程序內執行中斷處理，并設置標志位。協議棧采用多任務的資源分配機制操作系統OSAL循環完成任務事件的標志檢測與響應處理，程序中的tasksEvents[]數組存放任務事件的標志位，tasksArr[]數組存放事件處理函數的地址，通過任務號idx與tasksEvents[]相對應，保證相應的響應被處理，從而完成數據的采集、轉發與上傳。

圖5 網關系統軟件總體設計流程

4 農田實地部署測試

2013-07-08，在楊凌示范區揉谷鄉進行了為期1個月的網關節點穩定性與可靠性測試。本試驗測試系統各節點的拓撲關系與圖1相同，系統由8個終端節點與1個網關節點組成，節點高度為2 m，終端節點呈網格排列部署，且每個終端節點接有土壤溫度、土壤濕度、空氣溫度與空氣CO2質量分數傳感器，監測數據上傳時間間隔為10 min。

4.1 網關節點接收的信號強度與誤包率

為了形成網絡的最大覆蓋，試驗采用SmartRF Studio軟件對終端節點與網關節點ZigBee網絡通信進行了測試，測試內容為不同節點距離下接收的信號強度與誤包率，從而可以在接收的信號強度和誤包率允許條件下得到最合適的節點部署距離。表1為不同節點距離下接收的信號強度與誤包率的測試結果。

表1 不同節點距離下網關節點接收的信號強度與誤包率

由表1可知,節點距離為100～150 m時，接收的信號強度差別不大。而在節點距離大于120 m時，誤包率出現且逐漸增大，為保證系統的可靠性與準確性，將網關測試系統的節點距離確定為120 m。

4.2 網關節點的穩定性

由于網關節點不具備數據存儲和顯示功能，通過訪問上層中心服務器分析網站網頁上節點上傳數據的準確性和數據趨勢曲線，驗證農田環境監測系統整體功能的穩定性。

表2為隨機選取的某一時間點5001～5008號監測節點的環境監測數據，表明利用該網關節點可以實時獲取各監測節點的空氣溫度、土壤溫度、土壤水分與空氣CO2質量分數等數據，證明各監測節點數據經網關上傳正常且有效可靠。

表2 測試期某時刻8個監測節點上傳中心服務器的監測數據

圖6為隨機選取的5004號監測節點連續24 h空氣溫度監測數據動態曲線，曲線上的各時刻點數據為每小時6個數據的平均值，曲線連續無斷點，證明網關節點可連續匯集并轉發環境監測數據。

圖6 2013-07-24 5004號監測節點24 h空氣溫度變化曲線

圖7為5004號監測節點在2013年7月逐日空氣溫度監測數據變化曲線，曲線各點數據為每天監測數據的平均值，曲線連續無斷點，證明網關節點可長時間穩定工作。

5 結 論

本研究從硬件與軟件兩個方面設計了基于CC2530的面向農業生產環境監測的WSN網關節點，給出了以CC2530為核心處理芯片的簡易版網關的硬件架構設計與軟件通信流程，設計的網關節點實現了ZigBee網絡的組建與監測數據的收集，并能由GPRS網絡發送至服務器。農田實地部署測試表明，所設計的網關節點具有丟包率低、運行穩定可靠與成本低等特點。該網關節點適用于地形復雜多變的農田環境，具有良好的發展前景。

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