糧庫無線溫濕度傳感器網絡的監測節點設計

引 言
科學儲糧是糧食生產的一個重要環節，若管理不當，糧食發霉或生蟲會造成極大的浪費。糧庫管理中最重要的問題是監測糧堆中的溫、濕度變化。國家為糧食儲藏每年支付很高的費用，主要是因為監測設備的成本過高，管理方式不夠先進。隨著無線通信網絡技術及傳感器技術的發展，使得研制低成本的先進糧庫溫濕度監測方法成為現實。無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network，WSN)是將大量低功耗、低成本的無線傳感器節點布置到相關區域，各傳感器節點通過自組織快速形成的一種分布式網絡。WSN具有廣闊的應用前景，例如災難預警與救助、環境監測和生物多樣化勘測、智能樓宇、設備管理、機器監視和維護、運輸和信息通信業務等。在糧庫中構建無線傳感器網絡，就可以實現對糧庫各處溫濕度的低成本、高效監測。其中的傳感器節點是組成糧庫WSN的基本單位，節點將采集的溫濕度數據傳送給相鄰節點，根據采用的路由協議最終傳送到匯聚節點(sink)。匯聚節點解析接收到的數據，連接到因特網上實現信息的更廣泛傳遞。由此可知，節點的設計直接影響到糧庫WSN的性能。出于糧庫WSN低功耗、低成本的考慮，通常采用8位單片機為節點CPU。本設計實現了以高檔8位AVR單片機ATmega128L為核心，結合外圍溫濕度傳感器SHT11和無線收發芯片CC2420的糧庫無線傳感器網絡節點。

1 節點結構
糧庫無線溫濕度傳感器網絡節點主要功能是采集糧庫溫濕度數據，并將數據發送給匯聚節點。它由傳感器模塊、處理模塊、傳輸模塊和能量供應模塊4個部分組成，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的路由協議、同步定位執行和節點的功耗管理等；傳輸模塊主要由低功耗無線通信芯片CC2420及其外圍電路組成，軟件上運行相應的通信協議；能量供應模塊采用2節 5號AA電池供電。

2 糧庫無線溫濕度傳感器網絡節點設計
2．1 處理模塊設計
ATmega128L是Atmel公司于2001年推出的采用低功耗CMOS工藝生產的基于AVR RISC結構的8位微控制器。該芯片內部采用Harvard結構，具有極低的能耗和豐富的資源；具有片內128 KB的Flash存儲器、4 KB的SRAM數據存儲器(可外接擴展到64 KB)和4 KB的E2PROM存儲器。該芯片還有8個10位ADC通道，2個8位和2個16位硬件定時／計數器，可在多種不同模式下工作；8個PWM通道、可編程看門狗定時器和片上振蕩器、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用場合。處理模塊選用 AT-mega128L，其接口電路如圖2所示。