应用于土壤温度测量的无线传感器节点设计

PROCESSAUTOMATIONINSTRUMENTATIONVo.l27No.5May2006应用于土壤温度测量的无线传感器节点设计

DesignofWirelessSensorNodeUsedforSoilTemperatureMeasurement

徐笑然󰀁袁󰀁涛(清华大学自动化系,北京󰀁100084)摘󰀁要:针对传统土壤温度测量方法的缺陷,设计了一种由MCU、传感器、无线收发模块组成的传感器节点。测量时将整个传感器节点埋入土层长期监测土壤温度,通过无线方式进行传输数据,解决了传统测量方法中劳动强度和测量准确性不能兼顾的矛盾。实验证明,通过对节点的电磁兼容和低功耗设计,使节点的通信距离和电池使用寿命均达到了理想的效果。关键词:土壤温度󰀁无线通信󰀁传感器节点󰀁低功耗中图分类号:TP212󰀁6󰀁󰀁󰀁󰀁文献标识码:AAbstract:Inaccordancewiththedefectsintraditionalmethodforsoiltemperaturemeasuremen,tasensornodecomposedofMCU,sensorandwirelessreceiving/transmittingmoduleisdesigned.Intheprocessofmeasuremen,tthewholesensornodewasburiedintosoilforlongtermmo󰀂nitoringthesoiltemperature,thedatawastransmittedwirelessly,sotheproblemsoflaborintensityandmeasuringaccuracywhichcouldnotbeconsideredintraditionalmeasuringmethodhadbeenresolved.Thetestprovesthattheidealeffectsforcommunicationdistanceofnodeandop󰀂erativeperiodofbatterywillbeachievedbecauseoftheconsiderationofelectromagneticcompatibilityandlowpowerconsumption.Keywords:Soiltemperature󰀁Wirelesscommunication󰀁Sensornode󰀁Lowpowerconsumption0󰀁引言在农业、环境科学等领域中,土壤温度是很有意义的数据,因此对土壤温度的测量至关重要。土壤温度测量具有被测土地面积大、测量点多、需要观测时间长等特点。传统上,将传感器插入土层,然后进行读数记录的工作方式不仅花费大量时间和人力,而且由于传感器和土壤接触时间不足、人员疲劳等因素还会造成数据不准确[1]。长期将设备置于被测地点定期读取数据的方式带来了地面设备防水、防盗、防破坏等问题;用气温估测土壤温度回归方程法也有很大的局限性[1]。本文介绍了一种基于无线数据传输的土壤温度测量传感器节点的设计,即将传感器整体埋入地下,长期测量土壤温度。操作人员用手持数据采集器通过无线传输就可以将地下传感器节点测得的数据读出并存储。这不仅给操作人员带来了方便,而且传感器始终与土壤紧密接触,几乎不需要热平衡时间,解决了测量的准确性问题。本文在节点的软硬件设计上重点讨论以下问题:󰀂如何选择合适的天线和载波频率; 射频电路与数字电路的电磁兼容性;!传感器节点的低功耗设计;∀传感器节点的定位。1󰀁传感器节点的硬件设计1.1󰀁总体结构传感器节点主要由传感器、单片机、时钟芯片、EEPROM、无线通信模块、天线和电池等组成,其结构如图1所示。单片机协调整个系统的正常工作。传感器将获得的温度数据传送给单片机,单片机将温度数据和由时钟芯片得到的时间参数对应存储到EEPROM中。无线模块负责接收命令和发送传输数据。

图1󰀁结构框图Fig.1󰀁Blockdiagramofstructure传感器采用DS18B20单线数字温度传感器,直接给出温度的数字信号,精度高,一致性好。单片机采用NEC的78F0034,其特点是可靠性高,管脚驱动能力强(输出电流可达10mA),供电电压低、休眠电流小,很适合于低功耗设计。时钟芯片采用了X1226,其特点是功耗低,具有闹钟中断输出,可以定时唤醒处于休眠状态的单片机,为系统的低功耗设计提供了可能。无线通信模块采用了Nordic公司的单片无线收发芯片nRF905,具有体积小、外围电路简单、集成度高等特点。用SPI三线串行口与单片机连接,通过单片机指令完成对nRF905的设置和操作。数据发送时nRF905自动将数据打包,自动加前同步码、目标地址64应用于土壤温度测量的无线传感器节点设计󰀁徐笑然,等#自动化仪表∃第27卷第5期󰀁2006年5月和CRC校验码;接收时自动去掉前同步码,自动检查地址是否匹配并进行CRC校验,若校验无误则产生中断信号告知单片机读取数据,因此nRF905不仅是一个无线收发的物理层模块,而且集成了MAC层的简单协议,使用十分方便。它支持多信道通信,能够在ISM(工业、科学、医疗)开放频段433MHz、868MHz、915MHz这3个子段中进行多频点切换和通信。同时,其发射功率和接收灵敏度也可以进行调整。1.2󰀁天线与载波频率的选择传感器节点只需要向地上发送数据,因此天线发射的能量应当集中在地平面以上。因此我们选择了具有方向性的50󰀁增益为3dBi的螺旋天线,将天线用SMA标准馈电接口与nRF905连接,天线垂直于电路板。有向天线比全向天线能量更加集中,能量利用更有效,如图2所示。

图2󰀁螺旋天线方向图Fig.2󰀁Orientationdiagramofthespiralantenna由于无线传感器节点是整个埋入土壤中的,天线被土壤包围,因此无线信号在发送和接收时土壤成为一部分传输介质。由于土壤中含有水分,土壤的电导率要比空气高很多,因此电磁波在传播过程中损耗增大,通信距离会受到影响[2]。一般电磁波的透入深度公式由下式决定[3]:d=1󰀂f r(1)式中:f为电磁波频率; 为介质的磁导率;r为介质的电导率。由此可知,电磁波频率越低、介质的磁导率和电导率越小,电磁波透入土壤的深度越大。土壤的电导率和磁导率不能改变,为了提高通信距离和通信质量,只能选用频率较低的电磁波作为载波。根据nRF905的可用信道和我国对微功率无线电设备的管理要求,我们将通信频率设定在430MHz,同时也避开了使用频繁的433MHz信道。根据实验测定,对于430MHz的电磁波,20cm厚含水量为10%的褐壤土引入的传输损耗为8󰀁38dB。1.3󰀁电磁兼容性设计无线通信模块属于射频模拟器件,单片机属于数字器件,二者各自的信号会产生相互干扰。比较而言,射频信号更容易受到数字电平跳变时所产生的影响。因此,在进行无线传感器节点的一体化设计时,要考虑各个功能单元间的电磁兼容性以获得良好的通信效果[4]。如图3所示,nRF905的周边器件应尽可能地相互靠近,并集中在nRF905的周围,将它们之间的连线缩小到最短,以减少高频信号的传输阻抗。nRF905的两个天线引脚应对称引出到匹配电容、电感。电源线由电池正极引脚以最短的方式引入到nRF905,以减少%源-地&阻抗。单片机、射频芯片和大部分元器件、连接线尽量都布置在电路板的正面,两面覆铜作为地平面,并在地平面的空阔处均匀地打过孔,进一步减小地阻抗,为高频信号提供良好的回路。覆铜时nRF905相关元件跟其他元件分别各自铺地,然后将两部分地平面单点连接,减轻因数字信号的跳变串扰进入射频器件而造成的通信质量下降。总之,整个电路板的布局以保护射频信号完整性为原则。

图3󰀁传感器节点的PCB设计Fig.3󰀁PCBdesignofthesensornode2󰀁传感器节点的低功耗设计2.1󰀁硬件的低功耗设计传感器节点由一节3󰀁6V锂电池供电,因此能源是很有限的。在设计时,让所有元器件大部分时间处于休眠模式来降低功耗,需要工作时由时钟芯片唤醒。电池仅给单片机、无线模块和时钟芯片供电,EEPROM芯片和温度传感器的供电由单片机的管脚提供,休眠时管脚不提供电流。2.2󰀁软件的低功耗设计无线通信模块是功耗最大的器件,实测其各个状态的工作电流如表1所列。表1󰀁各工作状态工作电流Tab.1󰀁Workingcurrentundereachworkingcondition发射电流功率!/dBm电流I/mA接收电流灵敏度电流I/mA待机电流I/ A休眠电流I/ A-10󰀁09󰀁8-85󰀁010󰀁22󰀁011󰀁8-100󰀁012󰀁06󰀁015󰀁812󰀁52󰀁510󰀁028󰀁265应用于土壤温度测量的无线传感器节点设计󰀁徐笑然,等PROCESSAUTOMATIONINSTRUMENTATIONVo.l27No.5May2006󰀁󰀁由此可见,有效降低整个节点的功耗应当主要从降低nRF905的功耗入手。如果传感器节点始终工作在接收状态等待操作人员的命令,那么电池电量很快就会消耗殆尽,因此必须让无线模块大部分时间工作在休眠模式[6]。nRF905硬件上不具备自动唤醒功能,若令其能够收到指令则必须处于接收状态。因此必须通过合理的软件设计达到低功耗的目的。程序设计中我们令nRF905处于%接收-休眠&交替工作模式下:在一个工作周期内,仅用很短的时间进入接收状态侦听有无呼叫指令,如果没有就转入长时间休眠,如此反复。当需要进行数据传输时,操作人员用数据采集器发送一段搜索码,发送的时间至少大于等于节点的一个交替工作周期,这样就一定能让节点处于侦听时收到搜索码。节点收到命令后立刻进入正常接收状态,等待后续命令的到来。我们在应用中使用的电池电量为1.450mAh,如果希望传感器节点能够工作1年,那么理论上可以计算出其平均工作电流为:145024∋365=0󰀁166mA=166 AnRF905从休眠状态切换到接收状态需要3󰀁7ms的过渡时间,设侦听时间为x,其单个交替工作周期内电流与时间的关系如图4所示。

图4󰀁电流与时间关系Fig.4󰀁CurrentchangeatdifferentlimenRF905接收电流为12mA,休眠电流为2󰀁5 A,设一个交替周期中休眠时间为y,则有下式成立(x+3󰀁7)∋12000+2󰀁5yx+3󰀁7∋2+y=166󰀁󰀁若令x=1ms,那么可以计算出y(336ms,再留出一定的裕量,单周期内的休眠时间可取400ms。如果要进一步延长电池使用时间,可以适当调整x和y的取值。虽然无线模块工作休眠的时间越长电池寿命越长,但被唤醒的响应时间也越长,因此要根据实际应用情况合理分配侦听时间和休眠时间。3󰀁节点的定位方法当电池电量即将耗尽需要更换时或节点需要定期维护时,必须找到节点的埋放位置,将其挖出进行电池更换和定期维护。虽然在埋放时对埋置地点做了标记,但难免由于各种原因标记遭到破坏,为寻找节点带来很大困难。为此必须设计一套节点定位的方法。我们将手持数据采集器的天线也设计成定向天线,便于对节点的目标定位和搜寻。搜寻时,数据采集器发出前置搜索码,并附上本次搜索的发射功率码。如果目标节点收到此搜索码,就以相同的功率进行应答并附以电池电量信息。操作人员收到应答信号后根据发射功率与电磁波传输距离的关系就可以沿电磁波发射方向估算出目标节点与自身的距离。经过多次搜索就可以粗略地判断出目标节点的埋置点。如果目标节点没有应答,就增加发射功率不断地进行搜索,直到搜索到目标。4󰀁结束语在实际应用中,我们将无线传感器节点埋入20cm深含水量为12󰀁5%的褐壤土中,当接收灵敏度为-100dBm时,实测通信距离如表2所列。表2󰀁通信距离Tab.2󰀁Communicationdistance发射功率!/dBm通信距离d/m-10󰀁02󰀁52󰀁04󰀁56󰀁07󰀁510󰀁017󰀁0由于实际应用时并不需要频繁采集数据,节点在相当长的时间内处于%接收-休眠&模式。为了进一步降低功耗提高电池的利用率,我们延长了其休眠时间,即每秒钟侦听一次,侦听时间仅1ms,实测总平均工作电流仅25 A,完全达到设计要求。参考文献1󰀁冯学民,蔡德利.土壤温度与气温及纬度和海拔关系的研究[J].土壤学报,2004,(3):489-491.2󰀁赵燕东.土壤水分快速测量方法及其应用技术研究[D].北京:中国农业大学,2002.3󰀁郭硕鸿.电动力学[M].北京:高等教育出版社,1997.4󰀁NordicVLSIASA.Design󰀂inofRFcircuitsEB/OL.[2005󰀂10󰀂08]http://www.nordicsem.ino/files/Product/whitepaper/RF󰀂design󰀂in.pd.f5󰀁WeiYe,Heidemann.J.,Estrin.D.Mediumaccesscontrolwithcoordinatedadaptivesleepingforwirelesssensornetworks[J].Net󰀂workingIEEE/ACMTransactions.2004,12(3):493-506.6󰀁叶󰀁驰,孙利民,廖󰀁勇.传感器网络的能量管理[M].计算机工程与应用,2004,(8):196-198.󰀁󰀁修改稿收到日期:2005-10-13。第一作者徐笑然,男,1980年生,现为清华大学在读硕士研究生;主要从事无线传感器及无线传感器网络的研究。66应用于土壤温度测量的无线传感器节点设计󰀁徐笑然,等