基于780 MHz頻段的農(nóng)田信息采集無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
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62河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)第51卷通信)、I2C接口(與數(shù)字傳感器通信)，集成A/D轉(zhuǎn)換器(便于后期擴(kuò)展采集模擬量)。綜合上述各方面的考慮，本文選取德州儀器(TI)公司的MSP430F5438A作為節(jié)點(diǎn)的處理器。圖1無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)Fig．1StructuraldiagramofwirelesssensornetworknodesMSP430F5438A是TI公司推出的一款超低功耗單片機(jī)，它集成了豐富的片內(nèi)資源，在發(fā)揚(yáng)低功耗特性的同時(shí)，大大提高了芯片性能。MSP430F5438A的工作功耗與待機(jī)功耗非常低，分別為160μA·MHz－1和1．5μA，芯片采用1．8V至3．6V低電壓供電，具有5種節(jié)能方式，配有多種通信接口，各類(lèi)數(shù)字傳感器可通過(guò)串口、SPI、I2C等接口與處理器通信。該單片機(jī)的時(shí)鐘系統(tǒng)提供了MCLK、SMCLK、ACLK3種時(shí)鐘，得益于獨(dú)立的時(shí)鐘系統(tǒng)，單片機(jī)可實(shí)現(xiàn)不同深度的系統(tǒng)休眠，盡可能地節(jié)省了能量［15］。單片機(jī)與無(wú)線(xiàn)射頻模塊接口電路如圖2所示，單片機(jī)與傳感器模塊接口電路如圖3所示。1．3780MHz頻段無(wú)線(xiàn)射頻模塊設(shè)計(jì)基于收/發(fā)一體、低功耗、穩(wěn)定性等方面的考慮，本研究選用Atmel公司的AT86ＲF212無(wú)線(xiàn)射頻芯片。該芯片可工作在779～787MHz在中國(guó)免費(fèi)的ISM頻段，是一款專(zhuān)為適合IEEE802．15．4c標(biāo)準(zhǔn)的ISM(IndustrialScientificMedical)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的低電壓、低功耗、低成本的無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片。該芯片最大發(fā)射功率達(dá)10dBm，接收靈敏度高達(dá)－110dBm，睡眠狀態(tài)下電流消耗為0．2μA，接收狀態(tài)下消耗電流9．0mA，射頻收發(fā)器關(guān)閉后消耗電流0．4mA，當(dāng)發(fā)送功率為5dBm時(shí)，電流消耗為18mA。以上特性能夠滿(mǎn)足WSN節(jié)點(diǎn)低功耗的設(shè)計(jì)要求。AT86ＲF212工作在1．8～3．6V低電壓，與處理器MSP430F5438A相匹配，保證了WSN節(jié)點(diǎn)電源系統(tǒng)的一致性。射頻模塊天線(xiàn)部分采用差分方式，有效減少了其他?
MSP430F5438A是TI公司推出的一款超低功耗單片機(jī)，它集成了豐富的片內(nèi)資源，在發(fā)揚(yáng)低功耗特性的同時(shí)，大大提高了芯片性能。MSP430F5438A的工作功耗與待機(jī)功耗非常低，分別為160μA·MHz－1和1．5μA，芯片采用1．8V至3．6V低電壓供電，具有5種節(jié)能方式，配有多種通信接口，各類(lèi)數(shù)字傳感器可通過(guò)串口、SPI、I2C等接口與處理器通信。該單片機(jī)的時(shí)鐘系統(tǒng)提供了MCLK、SMCLK、ACLK3種時(shí)鐘，得益于獨(dú)立的時(shí)鐘系統(tǒng)，單片機(jī)可實(shí)現(xiàn)不同深度的系統(tǒng)休眠，盡可能地節(jié)省了能量［15］。單片機(jī)與無(wú)線(xiàn)射頻模塊接口電路如圖2所示，單片機(jī)與傳感器模塊接口電路如圖3所示。1．3780MHz頻段無(wú)線(xiàn)射頻模塊設(shè)計(jì)基于收/發(fā)一體、低功耗、穩(wěn)定性等方面的考慮，本研究選用Atmel公司的AT86ＲF212無(wú)線(xiàn)射頻芯片。該芯片可工作在779～787MHz在中國(guó)免費(fèi)的ISM頻段，是一款專(zhuān)為適合IEEE802．15．4c標(biāo)準(zhǔn)的ISM(IndustrialScientificMedical)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的低電壓、低功耗、低成本的無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片。該芯片最大發(fā)射功率達(dá)10dBm，接收靈敏度高達(dá)－110dBm，睡眠狀態(tài)下電流消耗為0．2μA，接收狀態(tài)下消耗電流9．0mA，射頻收發(fā)器關(guān)閉后消耗電流0．4mA，當(dāng)發(fā)送功率為5dBm時(shí)，電流消耗為18mA。以上特性能夠滿(mǎn)足WSN節(jié)點(diǎn)低功耗的設(shè)計(jì)要求。AT86ＲF212工作在1．8～3．6V低電壓，與處理器MSP430F5438A相匹配，保證了WSN節(jié)點(diǎn)電源系統(tǒng)的一致性。射頻模塊天線(xiàn)部分采用差分方式，有效減少了其他芯片造成的雜散輻射干擾。無(wú)線(xiàn)射頻模塊除了晶體振蕩器、去耦電容和天線(xiàn)等簡(jiǎn)單電路外，所有的主要ＲF元件都集成在AT86ＲF212內(nèi)部，MAC及AES硬件加速改善了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的功耗利用率和時(shí)效性。AT86ＲF212提供一個(gè)三線(xiàn)制SPI串行接口、少量控制引腳和一個(gè)中斷請(qǐng)求引腳，SPI總?
對(duì)濕度量程0～100%，準(zhǔn)確度±1．8%;溫度量程－40～123．8℃，準(zhǔn)確度±0．4℃，工作電壓2．4～5．5V，數(shù)字輸出，I2C接口。1．4．2空氣溫濕度傳感器選用瑞士Sensirion公司的微功耗SHT11數(shù)字傳感器，相對(duì)濕度量程0～100%，準(zhǔn)確度±2%;溫度測(cè)量范圍－40～123．8℃，準(zhǔn)確度±0．3℃，工作電壓2．4～5．5V，數(shù)字輸出，I2C接口。1．4．3光照度傳感器選用日本ＲOHM公司的BH1710FVC傳感器，量程0～65535lx，分辨率0．35lx，工作電壓2．4～3．6V，數(shù)字輸出，I2C接口。傳感器與處理器MSP430F5438A連接電路如圖3所示。圖3傳感器與MSP430F5438A連接原理圖Fig．3Schematicdiagramofprocessorandsensormodule1．5低功耗節(jié)能設(shè)計(jì)考慮到農(nóng)田環(huán)境參數(shù)變化的特征，為進(jìn)一步降低無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)使用壽命，本研究除選用低微功耗的處理器、無(wú)線(xiàn)射頻芯片和傳感器之外，還從以下幾方面進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)［15］。1．5．1采用更靈活的數(shù)據(jù)上報(bào)機(jī)制現(xiàn)有的農(nóng)用環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多采用固定采集周期的方式上報(bào)環(huán)境參數(shù)。如果采集周期比較短，則頻繁的無(wú)線(xiàn)收發(fā)數(shù)據(jù)會(huì)消耗大量電能，間隔周期過(guò)長(zhǎng)，則不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)參數(shù)的變化。本文采用參數(shù)變化達(dá)到設(shè)定變化幅度閾值時(shí)上報(bào)數(shù)據(jù)。比如土壤濕度變化±5%或者溫度變化±3℃時(shí)上報(bào)數(shù)據(jù)。各參數(shù)變化幅度閾值根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求進(jìn)行設(shè)置。農(nóng)田環(huán)境參數(shù)變化快時(shí)，該方法能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境并及時(shí)將參數(shù)上報(bào)監(jiān)測(cè)中心;參數(shù)比較穩(wěn)定時(shí)，比如夜間光照度基本沒(méi)變化，該方法能有效避免頻繁地進(jìn)行射頻數(shù)據(jù)傳輸，降低節(jié)點(diǎn)通信能耗。1．5．2降低器件的工作電壓和振蕩器頻率處理器主頻降低一半功耗也下降一半，降低處理器的時(shí)鐘頻率是一個(gè)有效節(jié)能措施。MSP430F5438A提供了低功耗、低頻率內(nèi)部時(shí)
【參考文獻(xiàn)】
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【共引文獻(xiàn)】
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【二級(jí)參考文獻(xiàn)】
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10 陳宏濱;馮久超;;基于閾值判決的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)混沌信號(hào)重構(gòu)[J];西南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2010年01期
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1 馬瑞;基于小生境粒子群算法的機(jī)艙WSN目標(biāo)覆蓋研究[D];大連海事大學(xué);2014年
2 李洪峻;面向入侵目標(biāo)追捕的多回路無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與相關(guān)技術(shù)研究[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2013年
3 張德敬;基于虛擬坐標(biāo)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究[D];山東大學(xué);2015年
4 楊顯輝;森林資源數(shù)據(jù)獲取的移動(dòng)Sink無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性研究[D];東北林業(yè)大學(xué);2015年
5 畢冉;基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的事件監(jiān)測(cè)算法研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年
6 石熙;數(shù)字水印技術(shù)在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)安全中的應(yīng)用研究[D];重慶大學(xué);2015年
7 徐力杰;低占空比傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度問(wèn)題研究[D];南京大學(xué);2014年
8 歐陽(yáng)鍵;面向無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作傳輸技術(shù)研究[D];南京航空航天大學(xué);2014年
9 馮森;面向智能配用電的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)路由優(yōu)化協(xié)議研究[D];華北電力大學(xué);2015年
10 徐毅;無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)低能耗路由協(xié)議研究[D];山東大學(xué);2015年
相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條
1 胥常杰;傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型及其應(yīng)用[D];青島大學(xué);2010年
2 黃錚;無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)連通與覆蓋的研究[D];武漢理工大學(xué);2006年
3 彭一;基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)識(shí)別技術(shù)研究[D];西南大學(xué);2015年
4 肖力;基于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的車(chē)流量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D];華南理工大學(xué);2015年
5 劉麗萍;無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于時(shí)空相關(guān)性的數(shù)據(jù)壓縮[D];西南大學(xué);2015年
6 何沐曦;無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下基于MATLAB和OMNeT++的IEEE1588時(shí)間同步仿真[D];西南大學(xué);2015年
7 黎鳳霞;一種雙極型多變量公鑰密碼算法在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)上的優(yōu)化與實(shí)現(xiàn)[D];華南理工大學(xué);2015年
8 王曉彤;基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的奶牛健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[D];天津理工大學(xué);2015年
9 劉曉晨;基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)定位方法研究[D];上海師范大學(xué);2015年
10 董曉峰;畜禽養(yǎng)殖環(huán)境感知及動(dòng)物標(biāo)識(shí)技術(shù)裝備集成研究和應(yīng)用[D];浙江大學(xué);2015年
本文編號(hào)：2852843
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