面向森林環境信息監測的無線傳感器網絡節點的研制

張 霞，李文彬，崔東旭

（北京林業大學，北京 100083）

目前，立木生長信息的收集、森林火災的監測以及其他森林環境信息的獲取主要依賴于人工、衛星遙感或飛機巡航。基于ZigBee的無線通訊技術發展迅速，已在工農業領域廣泛應用，但森林環境比較復雜，溫濕度等氣候環境惡劣，信號傳輸衰減大。因此，基于ZigBee的無線傳感器在森林中應用還很少見。在森林中使用的無線傳感器節點應有特殊的要求，要求功耗低、同功耗下單跳距離遠、防潮。因此，如何將新型的無線傳感器網絡傳輸方式運用于森林信息監測，研制出高性價比的監測網絡節點，積極發展現代森林監測新技術迫在眉睫。本研究自主研制的傳感器節點可遍布于廣闊的森林中，好比人體豐富的神經末梢，可實時感知到森林環境中的變化信息，并通過ZigBee協議組成的簇狀網絡，用無線跳傳的方式將這些信息匯集到網絡協調器上，最后通過Internet或GPRS遠程傳輸，及時提供給相關部門使用，為森林研究和保護提供技術支撐。

基于ZigBee技術規范的低速無線個域網(LRWPAN)主要為電源能力受限、吞吐量要求較低的無線應用提供簡單的低成本網絡連接；主要的目標是以簡單靈活的協議構建一種安裝布置簡易、數據傳輸可靠、設備成本極低、能量消耗較小的短距離無線通信網絡[1]。

1 基于ZigBee無線傳感器網絡的森林信息監測系統的體系結構

ZigBee聯盟將網絡設備按承擔的任務不同分為三類:協調器、路由器、終端設備。事實上這些網絡中角色可由兩類設備來完成:一類是全功能設備(FFD);另一類是簡化功能設備(RFD)。協調器和路由器必須是FFD，終端設備可以是FFD或RFD。該森林信息監測無線傳感器網絡采用ZigBee樹簇狀網絡如圖1所示，其中包含了終端傳感器節點、簇首、網絡協調器。

圖1 森林信息監測樹簇狀網絡結構示意圖

2 節點硬件設計

節點的基本硬件組成包含有微控制單元、射頻收發單元 (包含2.4GISM頻段射頻芯片和天線)、供電單元、傳感器單元等基本單元。如果是終端傳感器節點，可以用較少的資源和存儲容量來實現。對于網絡協調器，由于還要把整個網絡匯集的信息發送出去，所以它還必須包含GPRS模塊或網關，從而實現信息的遠程傳輸。

2.1 射頻收發單元

射頻收發芯片是射頻收發單元的核心部件，它主要負責載波信號的產生、信號的調制與解調、射頻信號的收發切換。設計中采用的射頻芯片AT86RF230是Atmel公司生產的與IEEE 802.15.4/ZigBee兼容的高性能2.4GHz射頻器件。

AT86RF230的芯片內部結構如圖2所示，它集成了除天線、晶振、去耦電容之外的所有標準射頻單元，無需外接收發開關，為天線和微控制器之間提供了完整的無線接口。該芯片具有104 dB的鏈路預算，-101 dBm的接收靈敏度，發射功率可從-17～3 dBm；工作所需外部電壓為 1.8～3.6 V,且有內部低壓差的電壓調節模塊，可為外電路提供1.8 V的標準電壓；超低的功耗，發射最大功率時耗電16.5 mA，睡眠時僅為20 nA；128字節的數據緩沖器具有TX/RX BBP、SPI兩個獨立端口，可被微控制器讀寫，也存貯收發的數據幀；具有空閑信道評估、ED檢測、RSSI指示。

圖2 AT86RF230芯片內部結構框圖[2]

天線是射頻單元的關鍵部件，天線的作用在于有效地輻射和接收電磁波[3]。本設計中采用了折疊式偶極子PCB天線，由于節點工作于2.4 G高頻段，既易于高性能小尺寸天線的實現，同時也降低了節點的生產成本。同樣的均勻材質使射頻輸出管腳經饋線到PCB天線實現更好的匹配，減少反射，最大效率的發揮天線的作用。

2.2 微控制器與射頻芯片AT86RF230的接口及主要外圍電路

在網絡中，可根據節點設備實現功能的不同，從節約硬件資源成本考慮，終端傳感器節點、路由或協調器的微控制器分別采用了Atmel公司的8位高性能AVR增強型系列單片機ATmega8515 L和ATmega128 L。AVR單片機的最大特點就是低功耗和高速度，片內資源豐富，端口驅動能力強。它們的工作電壓均為2.7～5.5 V（頻率為0～8 MHz時）,是具有多種休眠模式的低功耗產品，且具有豐富的內部資源和外圍接口（包含可主從設置的SPI接口），片內有經過標定的RC振蕩器無須外接晶振，ATmega8515 L具有8 K字節系統內可編程Flash，而ATmega128 L具有128 K字節系統內可編程Flash[4-5]。

無論使用何種微控制器，與AT86RF230的接口卻很簡捷方便，僅需 SPI接口（MOSI、MISO、SEL、SCLK）和IRQ、RST提供的6條線便可與微控制器很好地協同工作，只是不同型號微控制器的具體功能接口所處的管腳號不同而已，使用ATmega8515 L的終端傳感器節點的與射頻芯片的接口及主要外圍電路原理圖如圖3所示。

如圖3所示，微控制器的SPI接口與射頻芯片的SPI接口線一一對接，而且必須把微控制器的SPI接口設置為主機狀態，而射頻芯片AT86RF230的SPI接口為從機狀態，這樣微控制器便可通過這4條線來讀寫AT86RF230的內部寄存器以及上傳或下載幀緩沖器中的數據。IRQ線可將射頻芯片的中斷觸發信號提供給微控制器，如AT86RF230數據接收完成時，便可在IRQ上產生脈沖信號，通知微控制器射頻芯片有中斷事件觸發，此時AT－mega8515L只需通過查詢AT86RF230的內部寄存器IRQ_STATUS，便可確定是何種中斷從而進行相應的工作。雖然射頻芯片本身具有上電復位功能，但為了增強可靠性和調試方便，可通過按鈕開關手動復位，也可通過微控制器的I/O管腳來控制它的復位。

圖3 微控制器與射頻芯片接口及主要外圍電路

傳感器是該硬件節點的重要部件，只有通過它才能感知到需要監測的森林信息，本節點可根據不同需要連接溫度傳感器、濕度傳感器、樹木生長監測傳感器、火焰紫外傳感器等傳感器。

隨著半導體集成電路的發展，已經出現了數字輸出型溫度和濕度傳感器，這樣可使電路設計更加簡潔。瑞士SENSIRION公司生產的一款高性能數字型溫濕度傳感器芯片SHT11，它將溫濕度傳感器、信號放大調理、A／D轉換、I2C總線接口全部集成于一芯片；可給出全校準相對濕度及溫度值輸出，傳感器默認分辨率為溫度14位，濕度12位，并可通過狀態寄存器配置為12位和8位；具有可靠的CRC數據傳輸校驗功能；體積小，其表貼LCC封裝典型尺寸為7.47 x 4.98 x 2.5 mm；功耗低，供電電壓為 2.4～5.5 VDC，電流測量時典型值為 550 μA，休眠時最大值為1.5 μA；為了防止灰塵和水滴進入以保護傳感器芯片，可使用用配套的保護罩或用環氧樹脂封裝在PCB板上[6]。

2.3 電源部分

在該節點電路中的元器件均選用了低功耗產品，并且通過閑時控制節點進入休眠狀態，并降低微控制器的主頻率，達到降低功耗的目的，這樣如果使用普通干電池來供電便可延長電池使用壽命，此外，還可利用野外的太陽光照選用太陽能環保電池來供電。

在該模擬數字混合高頻電路中為了加強電源的抗干擾能力，將模擬電壓和數字電壓的供電隔離開來，采用獨立的穩壓模塊或加磁珠的方法，同時也在模擬地和數字地之間加一磁珠；在給電源濾波時，采用大容量鉭電容和小容量陶瓷電容組合的方法，在離集成器件盡可能近的地方再加一小的電容，這樣可以極大地提高濾波的效果。

2.4 其它抗干擾設計

為了減少信號之間的相互串擾，從板圖布局上，使數字低頻器件盡可能遠離高頻模擬器件，從空間上把它們分割開來；印制板上大面積的鋪地，不僅可以增強抗擾能力，也可有利于電路板上工作的元器件散熱；差分輸出線要等長且盡量短，印制板的走線拐角曲線要光滑。

3 軟件設計

眾多的無線傳感器節點的正常工作和組成ZigBee網絡最后必須通過軟件來得以實現，本系統的軟件設計開發平臺基于AVRSTUDIO+ICCAVR，采用C語言完成設計[7]。

節點的基本軟件程序主要包括主服務程序、初始化程序、系統狀態服務程序、上層接口服務程序、中斷處理程序等。主服務程序是程序的主體，負責各模塊程序的協調調用工作。初始化程序對微控制器、射頻芯片、外圍器件進行初始化設置。系統狀態服務程序負責轉換和識別系統的工作模式狀態，如對MCU、AT86RF230的多種休眠模式與工作模式的切換。在發射和接收模式期間，電能的消耗量是類似的，盡量避免使AT86RF230一直處于RX_ON狀態[8]，這些就要系統狀態服務程序來設置。上層接口服務程序主要負責上層和底層程序提供接口。

編程的基本思路是：先是微控制器的初始化，包含SPI主機狀態初始化設置；使能SPI口對射頻芯片初始化，以及其他外圍硬件初始化；進入主服務程序，實現休眠和工作狀態切換，進行數據接收和發送，以及數據處理和上層服務。基本的數據接收和發送流程如圖4所示。

圖4 數據發送和接收程序流程圖

4 測試結果及總結

在室外開闊地和人工林地分別對自主研制的面向森林環境信息監測的無線傳感器網絡節點進行了實驗。在通信信道選擇為15即頻率為2 425 MHz，發射功率輸出配置為+0.5 dBmW（芯片輸出最大可達+3 dBmW），節點距離地面高度80 cm條件下，測試點對點通信有效距離。結果表明，室外開闊地有效距離為100～120 m,人工林地為70～100 m。研制的基于Atmel高性能增強型微控制器和射頻芯片AT86RF230的傳感器節點具有功耗小、成本低，適用于野外只能靠電池供電的工作環境，并能夠在廣闊無人森林中大范圍或者在重點區域布點成網來傳輸森林環境信息。該節點能深入現場在火災爆發的萌芽狀態就能及時感知并報告，也從傳統方式需要耗費大量人力物力中解脫出來，提高森林火災監測水平，也適用于林區的環境監測，具有很強的實用性和現實意義。

[1] 瞿 雷，劉盛德，胡咸斌.Zigbee技術及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[2] Atmel.2.4G Radio Transceiver AT86RF230 Datasheet[EB/OL].www.atmel.com,2008.

[3] Atmel.Design and characterization of the Radio Controller Board's 2.4GHz PCB Antenna[EB/OL].www.atmel.com,2008.

[4] Atmel.8-bit Microcontroller Atmega128L Datasheet[EB/OL].www.atmel.com,2008.

[5] Atmel.8-bit Microcontroller Atmega8515L Datasheet[EB/OL].www.atmel.com,2008.

[6] Sensirion.Datasheet SHT1X[EB/OL].www.sensirion.com.2008.

[7] 沈 文，Eagle Lee.詹衛前.AVR單片機C語言開發入門指導[M].北京：清華大學出版社，2003.

[8] Atmel.AT86RF230 Software Programmer'sGuide[EB/OL].www.atmel.com,2008.