CC2431的无线传感器网络在温室环境监控系统中的应用

2 CC2431简介
CC2431是TI公司的产品，它是一个真正的基于无线传感器网络ZigBee/IEEE802.15.4解决方案的片上系统，其内部集成了CC2420射频收发器，工业标准增强型8051 MCU内核，128 KB可编程闪存，8 KB的RAM，精确的定位引擎等丰富的片内资源，支持硬件调试，支持基于IAR7.20以上C51开发环境下的在线调试，提供强大、灵活的开发工具。CC2431体积小、功耗低、集成度高，非常适合于无线传感器网络节点的设计。它可工作在4种工作模式下，且工作模式之间的转换时间较短，因而能够满足超低功耗系统设计的要求。
3 传感器网络节点的硬件
传感器网络节点由传感器测量节点、控制节点和汇聚节点组成。测量节点负责采集周围环境信息，采集的环境信息经多跳路由后到达汇聚节点，最终通过Internet到达控制中心。控制节点用来接收计算机传来的远程控制信息，对温室环境参数进行调控。
3.1 测量节点硬件
传感器测量节点由传感器模块、微处理器模块、无线通信模块和电源模块组成。其硬件结构框图如图2所示。

(1)传感器模块。由不同类型的传感芯片组成，具有对温度、湿度和光照强度的感知能力。其中温、湿度传感器采用I2C总线数字式温、湿度传感器SHTll，其体积小、能耗低、两线数字接口、温度量程为-40℃～85℃、相对湿度量程为0％～100％RH。光照强度传感器选用TSL2550D，其功耗可以满足无线传感器低功耗系统设计的要求，其总线也易于与CC2431接口。
(2)微处理器模块。采用集成在CC2431内部的8051 CPU。集成的CPU有4种不同的内存空间：代码区、数据区、扩展数据区和特殊功能寄存器区，不同的内存空间有利于代码和数据的分离，提高CPU对内存的访问速度。
(3)无线通信模块
①传感器网络节点在通信时消耗了大量的能量，选择一款低功耗的无线通信芯片将有效地降低通信模块的能量消耗。CC2431是一款符合ZigBee标准的低功耗通信芯片，具有快速唤醒和搜索外部设备功能，可以使节点更多地处于休眠状态而节约功耗，而且其信道频率和功耗等参数可以灵活设置。CC2431通信模块的天线考虑到无线传感器网络通信质量的要求，采用单极性天线，单极性天线在差分输出与天线之间要求使用“平衡-不平衡变压器”。
②无线传感器网络节点电源为电池供电系统，选用的电池为手机专用锂电池。为了使系统在电池供电时，工作时间持续长，在设计电源模块时要考虑到节点的节能问题。CC2431提供4种电源管理模式：PM0、PM1、PM2和PM3，合理地使用这4种模式可有效地降低节点的能耗。
③LED灯用于显示传感器节点的运行状态。
(4)电源模块。为其他模块提供能源。
3.2 控制节点
控制节点由驱动器模块、微处理器模块、无线通信模块和电源模块组成。驱动器模块能对调温、调湿等设备进行相关控制，其硬件结构框图如图3所示。

3.3 汇聚节点的硬件研究
汇聚节点由微处理器模块、无线通信模块、存储器模块、以太网接口模块、串行接口模块和电源模块组成，其硬件结构框图如图4所示。

(1)存储器模块由1片Atmel公司出品的AT45DB041组成，直接接入CC2431 SPI输入端。该芯片集成2 046页×264 B Flash存储单元，用于存储传感器重要历史数据。
(2)为提供以太网的接入通道，在该设计中，使用DM9161作为以太网的物理层接口。DM9161是一款低功耗、高性能的CMOS 芯片，支持10 MB/s和100 MB/s的以太网传输，它起编码、译码、输入和输出数据的作用，这样就可以将汇聚节点轻松连接到因特网以便于实现远程控制。
(3)串行接口模块由1片低功耗MAX3232和COM母口组成。CC2431串口端接入MAX3232进行电平转换，通过COM口与计算机进行通信。
(4)由于汇聚节点需要融合处理所有采集节点采集的数据，并且需要将数据经过较远的距离传输到计算机，因而能量消耗较大，因此其电源采用从市电转换后介入的方式供电。
(5)LED灯用于显示汇聚节点的运行状态。
4 TinyOS操作系统的移植
嵌入式操作系统能够简化嵌入式系统的开发，确保程序运行的稳定性和可靠性，便于程序的维护和更新，但是由于无线传感器网络节点是一个小型嵌入式系统，其硬件资源非常有限，需要高效利用其有限的内存、处理器和通信模块，并且最大限度地减少系统能耗，延长节点的使用寿命，因此传统的嵌入式操作系统不能满足其要求。基于此，本文移植了针对无线传感器网络特点而开发的操作系统TinyOS。