多深度土壤溫度無線傳感器網絡節點設計

朱性偉，王子榮

(湖南大學 信息科學與工程學院，湖南 長沙 410072)

多深度土壤溫度無線傳感器網絡節點設計

朱性偉，王子榮

(湖南大學 信息科學與工程學院，湖南 長沙 410072)

針對多深度土壤溫度傳感器節點的設計要求，提出了一個二叉樹搜索算法。該算法通過單總線識別所有連接在單節點上的傳感器,并讀取它們采集的溫度。傳感器節點有低功耗和處理功能單一2個特性,算法采用遞歸方式使得其上代碼簡潔和緊湊。理論分析與實驗結果證明了算法的可行性和有效性。該設計將廣泛應用在無線傳感器網絡(WSNs)應用背景下的實際生產和生活中。

多深度土壤溫度；單總線；無線傳感器網絡；二叉樹搜索

0 引 言

無線傳感器網絡(wireless sensor networks,WSNs)系統中的節點使用內置的傳感器采集周邊環境的信息,對這些信息進行處理后,通過與其他節點協同工作,最終將有用的信息經無線網絡發送出去。WSNs改變了人與自然界的交互方式，實現人與人、人與物、物與物之間的互聯，把虛擬的信息世界與現實的物理世界鏈接起來，融為一體，擴展了現有網絡的功能和人類認識改造世界的能力。WSNs巨大的科學意義和應用價值，已引起了世界各國學術界、軍事部門和工業界的極大關注，被譽為本世紀最有影響的技術革命和改變世界的技術[1]。傳感器網絡可有效地應用于事件檢測、目標定位、跟蹤和識別、信息無線傳輸和智能處理，在工業控制、農業環境、國防軍事、安全反恐、交通管理、醫療衛生和工業生產制造等領域應用前景廣闊[2]。

隨著農業現代化與信息化的快速發展和應用需求的不斷擴大，WSNs在現代精準農業中應用會越來越廣泛。實際工程設計應用中，單點往往需要采集多個傳感器信息，本文設計了具有多深度土壤溫度采集功能的單無線傳感器節點。硬件連接上直接通過單總線方式連接多個土壤溫度傳感器與節點單片機通信，在實際應用中使用方便，可擴展性強。軟件上根據識別多傳感器流程而設計二叉樹搜索算法，應用在單片機上可行性高。結合硬件和軟件兩方面特性，本文設計的傳感器節點很好地滿足了監測多深度土壤溫度應用的需求。

1 WSNs節點設計概述

1.1 WSNs架構

WSNs由多功能網關和傳感器節點構成，傳感器節點采集不同深度的土壤溫度信息，通過2.4 GHz無線射頻發送到多功能網關，之后經過GPRS/3G，LAN/WiFi傳到云端服務器，整個傳感器網絡拓撲架構如圖1，每個傳感器節點具有路由功能，傳感器網絡具有多跳、自組織、自愈合的功能。

傳感器節點負責采集環境數據，數據經過網絡中的節點到達網關節點。傳感器節點通過周期性地采集數據，設定時間間隔，通過定時器來實現中斷，而對查詢與控制命令采取信號中斷響應的方式[3]。

圖1 網絡拓撲圖Fig 1 Networks topology diagram

傳感器節點單片機基于CC2530，它是用于2.4 GHz IEEE 802.15.4，Zig Bee和RF4CE應用的真正的片上系統解決方案，結合了領先的RF收發器的優良性能、業界標準的增強型8051CPU、系統內可編程閃存、8kB RAM以及其他強大的功能[4]。

WSNs比一般的網絡在設計和資源利用上有諸多的限制，設計限制來自所觀測的環境[5]。WSNs節點具有以下3個特點：

1)傳感器網絡節點數量大，形成自組織、多跳、低功耗網絡；

2)整個網絡的節點只需要部署一次，傳感節點功能固定；

3)傳感器節點功能單一，處理數據的能力有限，只負責采集環境信息和轉發數據包。

1.2 傳感器節點結構

節點功能模塊組成如圖2所示,包括CC2530模塊組件、傳感采集組件、無線通信組件以及太陽能供電組件。

圖2 傳感器節點功能模塊圖Fig 2 Function module chart of sensor node

2 傳感器節點硬件設計

選用DS18B20作為傳感器采集部件，監測多深度土壤溫度。DS18B20由DALLAS(達拉斯)半導體公司生產，是一種超小體積、超低硬件開銷、抗干擾能力強、精度高的單線數字式智能溫度傳感器[6]。

DS18B20結構框圖如圖3。首先，傳感器唯一的64位0和1序列號存儲在ROM中，算法據此識別單總線上連接的傳感器。其次，DQ接口與CC2530的I/O接口相連接，實現數據的雙向通信。

圖3 DS18B20結構框圖Fig 3 Structure block diagram of DS18B20

傳感器節點傳感器連接圖如圖4。圖示的3只土壤溫度傳感器分別采集地表下30，60，90 cm處土壤的溫度。它們的DQ線通過單總線與傳感器節點的CC2530的 I/O接口連接。所有的VCC連接電源，所有的GND接地。

圖4 傳感器連接電路圖Fig 4 Connected circuit diagram of sensors

傳感器通過單總線與傳感器節點CC2530的I/O端口連接。電路結構設計和硬件開銷大為簡化[7]，節省能耗；此外簡便的連線方式極大地降低用戶的學習成本，提升用戶體驗。

3 傳感器節點的采集軟件設計

針對上述WSNs的特點和傳感器節點硬件的分析，傳感器節點軟件設計需考慮2個方面。首先，傳感器節點有著低功耗設計的應用背景；其次，傳感器節點數據處理能力有限和嵌入式系統硬件如內存的資源有限。

雖然TinyOS(專為WSNs設計的操作系統)采用了事件驅動模型，這樣可以在很小的空間中處理高并發事件，并且達到節能的目的[8]。但是,應用程序軟件上需要設計算法以適應功能受限的系統和硬件。

3.1 節點傳感器數據采集設計

3.1.1 節點傳感器數據采集

根據上述節點傳感器數據采集分析，傳感器數據采集流程如圖5所示。通過單總線讀取多深度土壤溫度需要3步：1)搜索ROM，讀取單總線上連接的DS18B20的ROM中存儲的序列號；2)匹配ROM，根據搜索得到的64位序列號匹配識別DS18B20；3)讀取DS18B20的2bytes數字輸出。

圖5 傳感器數據采集流程圖Fig 5 Flow chart of sensor data collection

3.1.2 二叉樹遞歸搜索算法設計

針對搜索ROM過程總是在序列號的‘0’和‘1’2個分支之間進行(圖6)，從而設計二叉樹遞歸搜索算法。主方是CC2530，從方是DS18B20。主方搜索從方的ROM包括3個原子操作：通過單總線讀取序列號的一位，通過單總線讀取序列號一位的反碼，向單總線寫‘0’或者‘1’。二叉樹遞歸搜索算法流程如下：

1)主方從單總線連續接收2位，一位是從方向單總線發送自己序列號的一位，并且產生“線與”，另一位是從方向單總線發送序列號一位的反碼，并且產生“線與”。

2)主方判斷接收的序列，若是‘00’序列，說明單總線上既存在左子節點‘0’又存在右子節點‘1’，則主方先發送‘0’進入左側分支，并記錄二叉樹分叉點的深度，跳轉第一步。遞歸返回至分叉點深度之前，主方發送前一個已識別傳感器在分叉深度之前的所有序列號位，再發送‘1’進入右側分支。跳轉第一步；若是‘01’序列，說明單總線上只存在左子節點‘0’，主方發送‘0’進入左側分支，跳轉第一步；若是‘10’序列，則單總線上只存在右子節點‘1’，主方發送‘1’進入右側分支，跳轉第一步。遞歸讀取傳感器64位序列號，搜索至葉子節點并記錄下所有連接在單總線上的傳感器的序列號。

圖6 搜索ROM流程圖Fig 6 ROM searching flow chart

3.2 搜索ROM算法分析

算法完全結合了二叉樹功能簡便、結構清晰和DS18B20單總線數據通信方式2個特性。

在多深度土壤溫度傳感器節點設計中，識別傳感器尤其是相鄰傳感器的流程類似于二叉樹遞歸搜索過程。但是由于傳感器節點的資源受限，在其上實現的算法與一般二叉樹搜索算法存在明顯差異。

3.2.1 算法空間特點分析

在開發應用程序時，必須考慮內存的分配情況并關注應用程序需要運行空間的大小[9]。算法中的遞歸函數具有64層嵌套遞歸，因此，使用函數局部變量記錄二叉樹分叉點的遞歸深度會占用大量內存棧空間，最終造成內存棧溢出。

使用一個全局數組，記錄搜索序列號過程中二叉樹分叉點的深度。全局數組在定義在堆空間，節省了程序運行時所需的內存棧空間。向葉子方向搜索二叉樹，數組存儲記錄分叉點深度。向樹根方向搜索二叉樹，即返回至分叉點所在深度時，讀出數組中記錄的分叉點深度。

3.2.2 算法時間特點分析

對于線性數據結構，適合用迭代循環方法，而對于樹狀數據結構，比如二叉樹，遞歸方法則非常簡捷。

讀取傳感器序列號流程緊湊，代碼實現簡捷。因為相鄰傳感器的序列號總是存在分叉點，而分叉點所在深度之上各個位是相同的，所以，在搜索當前傳感器序列號時，連續發送上一個已搜索并且重復的序列號位，以省略條件判斷語句，節省算法時間開銷。

4 實驗結果

將所設計的傳感器節點安放在實際監測環境中，多個DS18B20分別部署在不同深度的同一土壤中，實時采集多深度土壤溫度。圖7為某白天一時段中多深度土壤的溫度變化曲線。結果表明：設計的傳感器節點采集多深度土壤溫度是可行并且有效的。

圖7 多深度土壤溫度變化曲線Fig 7 Graph of temperature variation of multi-depth soil

5 結束語

在WSNs應用背景下，針對傳感節點低功耗設計特性，和由此帶來的硬件以及系統上的功能受限，對二叉樹遞歸搜索算法進行改進以適應之。實現搜索單總線上傳感器序列號以識別它們這一核心功能，之后傳感器節點讀取其上各個傳感器采集的數據，完成監測多深度土壤溫度的任務。在對土壤溫度要求嚴格的農作物種植環境下，傳感器節點負責測試不同深度土壤溫度，便于生產者及時掌握土壤溫度值，以采取相應措施。這樣農業將有可能逐漸地從以人為中心，依賴于孤立機械的生產模式轉向以信息和軟件為中心的生產模式。

[1] 孫利民.無線傳感器網絡[M].北京：清華大學出版社，2009：1-25.

[2] 孫其博，劉 杰，黎 羴，等.物聯網：概念、架構與關鍵技術研究綜述[J].北京郵電大學學報，2010，33(3)：3-4.

[3] 朱恒軍，于泓博，王發智，等.環境監測物聯網傳感器節點設計與實現[J].計算機科學，2012，39(8)：128-129.

[4] 李外云.CC2530與無線傳感器網絡[M].北京：北京航空航天大學出版社，2013：172-173.

[5] 宮 鵬.無線傳感器網絡技術環境應用進展[J].遙感技術，2010，14(2)：387-388.

[6] DS18B20.PDF[EB/OL].[2010—03—15].http:∥www.dalsemi.com.

[7] 丁曉進，史小軍，朱 為,等.基于DS18B20的多點溫度檢測[J].電子工程師,2006,32(7)：2-3.

[8] 王 漫，何 寧，裴 俊,等.面向無線傳感器網絡應用的嵌入式操作系統綜述[J].計算機應用與軟件,2006,24(6)：45.

[9] 夏瑋瑋，沈連豐，肖 捷,等.嵌入式系統關鍵技術分析與開發應用[J].單片機與嵌入式系統應用,2003(2)：5-6.

Design of multi-depth soil temperature sensor node for WSNs

ZHU Xing-wei, WANG Zi-rong

(College of Information Science and Engineering,Hunan University,Changsha 410072,China)

Aiming at requirement for design of multi-depth soil temperature sensor node,present a binary tree search algorithm. The algorithm recognizes sensors which connected to single node by 1-bus and reads the acquired temperature. The sensor node has features of low power consumption and single processing function,so the algorithm adopts recursive method to make the code concise and compact. Theoretical analysis and experimental results demonstrate feasibility and effectiveness of the algorithm. This design will be widely applied in actual production and life,under application background of wireless sensor networks(WSNs) development.

multi-depth soil temperature; 1-bus; WSNs; binary tree search

10.13873/J.1000—9787(2014)10—0073—03

2014—03—27

TP 212.9

A

1000—9787(2014)10—0073—03

朱性偉(1989-)，女，河南新鄉人，碩士研究生，研究方向為物聯網無線傳感網系統。