基于CC2530的无线传感器网络网关节点的设计

陈克涛，张海辉，张永猛，张 杰，吴婷婷

(西北农林科技大学 机械与电子工程学院，陕西 杨凌712100)

农田环境信息获取是精准农业技术发展的重要分支之一，其要求以低成本、高准确度与高密度的信息技术获取土壤信息、作物信息以及农田微气象信息[1]。而无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)由部署在监测区域内的大量廉价微型传感器节点组成[2]，具有组网灵活、部署方便、抗毁性强、动态性高、多跳路由和多路径数据传输等特点[3-4]。目前，国内外众多科研人员已将WSN技术应用于节水灌溉、温室调控与农业气象信息监测等方面，并且取得了一定的进展[5-9]。

在农业无线传感器网络监测的应用中，网关节点负责网络组网、网络间协议转换及网络数据的汇聚、处理与转发等，是无线传感器网络的重要组成部分[10]。如杨奎武[11]设计了基于嵌入式处理器AT91R40008与实时操作系统μC/OS-Ⅱ的WSN网关节点，实现了WSN数据的高速采集与可靠传送。陈昊等[12]设计了基于ARM的针对野外环境的WSN网关节点，具有长期稳定通信与高性能数据管理等特点。张海辉等[13]设计了基于WinCE系统的通用农业信息监控系统架构网关，具有监测区域信息组织管理能力与监测节点的属性动态配置等特点，可实现现场可视化设备和监测数据的综合管理。陆建强等[14]设计了一种基于LPC2148 ARM7与WCDMA网络相结合的用于茶园监测的WSN网关，结合编写的专用通信协议与路由算法，具有功耗低、生命周期长等优点。刘荣等[15]设计了基于嵌入式处理器PXA270与Linux操作系统的WSN网关，实现了多个无线传感器网络与处于外网的信息展示平台的实时通信功能。

以上研究中，网关节点通常基于ARM处理器，但由于农业应用环境的特殊性，如设施环境高温高湿、野外设备维护困难、农户信息技术水平较低、现场人机交互需求少等，使其在实际应用中存在农户应用困难、维护与检修难度大及易损坏等不足。而且该类网关节点设计开发成本高，因此有必要研究探索在部署时可一次性配置、无需动态调控、低成本WSN网关节点的实现方法。

本研究针对以上不足，基于TI公司具有低功耗设计、集成MCU与射频电路的CC2530芯片，设计了WSN网关节点，旨在实现整个网络监测数据的采集，并通过GPRS网络实现与中心服务器的信息交互。同时，为了验证系统的稳定性和可靠性，在大田进行了数据接收信号强度与误包率测试及实地部署测试试验，以期为满足大部分无需现场控制的农业环境自动监测提供支持。

1 系统总体设计

基于WSN的农田环境监测系统的终端节点分布在大田的各个区域，农田监测数据通过ZigBee网络转发至网关节点，网关节点对数据进行汇聚处理后，通过GPRS网络与中心服务器实现远程连接和数据交互。WSN监测系统总体框架如图1所示。其中，网关节点作为ZigBee网络与外部网络互连的重要节点，具有ZigBee协议组网、数据汇聚、数据格式转换及GPRS通信等功能，其整体结构如图2所示。

图1 农田环境WSN监测系统的总体框架

网关节点由处理器模块、射频处理模块、GPRS模块、状态指示电路模块以及电源管理模块组成。其中，太阳能电池板、太阳能控制器、蓄电池与电源转换芯片构成电源管理模块，其输出电压供给处理器模块、射频模块、GPRS模块与状态指示电路模块；处理器模块通过I/O接口控制状态指示电路，通过串口与GPRS模块实现通信。网关节点软件采用Z-Stack协议栈实现ZigBee网络的组织管理，通过扩展用户应用程序实现数据的采集与转发及GPRS网络的连接通信等功能。

2 系统硬件设计

2.1 中央处理器模块

中央处理器主要完成网络组网、传感数据汇聚、协议的转换以及ZigBee网络与GPRS网络的通信。本研究选用德州仪器的集成芯片CC2530F256，该芯片集成了增强型8051微控制内核与2.4 GHz的RF收发器，具有256 kB的内存。同时结合该公司开发的ZigBee协议栈(Z-Stack)，为用户提供了一个较好的ZigBee应用解决方案，用户可在此协议栈基础上开发特定应用场合下的应用程序。CC2530芯片硬件集成度高，具有多种唤醒与休眠工作模式，可达到低功耗的应用要求，且运行模式之间的转换时间短，可进一步降低功耗，能够满足农田监测设备的低功耗要求。CC2530的应用电路如图3所示。

图3 CC2530的应用电路

在图3中，P0端口与P1端口为功能复用端口，由相应的寄存器控制功能模式选择。当模式选为通用I/O接口时，接入状态指示电路，其中P1_4引脚接入网络状态指示灯，节点上电后，系统程序开始运行，该指示灯闪烁时表示ZigBee网络建立成功；P1_0 引脚接入数据发送指示灯，从终端节点获取到的传感数据经串口发送至SIM900A时，该指示灯长亮3 s，然后经RF收发器发送至移动基站。模式选择为外设I/O接口时，P0_2引脚与P0_3引脚作为USART0的TX端口和RX端口，连接至串口设备GPRS模块。P2_1引脚和P2_2引脚为下载调试设备接口，接入仿真器可实现硬件在线调试查错等。

2.2 GPRS通信模块

为了实现传感数据与控制命令的远程传输与通信，设计选用覆盖面积较广的无线网络GPRS/GSM接入方式。无线网络GPRS/GSM具有远距离通信的能力，因其按流量计费，因此适用于数据传输量较小、实时性要求相对较低的农业监测系统。

设计选用SIMCom公司的SIM900A芯片，该芯片采用省电技术设计，在SLEEP模式下最低耗流只有1.0 mA，适合于恶劣或特殊环境下的低功耗要求。芯片内嵌TCP/IP协议，扩展的TCP/IP AT命令方便用户使用TCP/IP协议，可以实现语音、SMS、数据和传真信息的低功耗传输。对SIM900A采用标准的AT命令写入，实现与中心服务器的TCP连接，从而将ZigBee网络汇聚的数据经GPRS网络发送至服务器。GPRS通信模块的电路原理如图4所示。

GPRS通信模块硬件电路主要包括特殊供电电源电路、串口电路、SIM卡槽电路以及天线接口电路。其中VBAT引脚为SIM900A的供电端，由于信号传输的猝发会导致电压跌落，此时电流损耗峰值会达到2 A，因此要求可提供2 A的电流，同时使用旁路电容C4、C5滤除杂波。选用8个引脚的SIM卡座，SIM卡插取动作检测PRESENCE引脚悬空，采用电阻R11、R12、R13分别串在SIM900A的SIM_RST、SIM_CLK、SIM_DATA引脚来匹配模块与SIM卡之间的阻抗。NETLIGHT信号用来驱动GPRS网络状态的LED灯，通过灯的闪烁模式，提示SIM900A是否工作、是否注册到网络以及通讯是否处于正常状态。

2.3 电源模块

系统的部署环境为作物种类多变、长势参差不齐的农田环境，很难实现电线输电，且此方式成本较高，因此采用太阳能供电。

网关节点的核心芯片CC2530的供电电压为3.3 V，GPRS模块的供电电压为5 V，于是采用12 V 20 W单晶硅的太阳能电池板、12 V 10 A的太阳能控制器和12 V 7 A·h的LC-R127R2松下蓄电池形成稳定的12 V电压输出系统。电源电路采用开关电源芯片LM2596-5.0与稳压芯片AMS1117-3.3 V转换输出5 V与3.3 V的供电电压。

图4 GPRS通信模块电路图

3 系统软件设计

网关节点软件开发选用配套的IAR Embedded Workbench(简称EW)作为集成开发平台。EW集成了编译和调试功能，同时支持C/C++编程,是易使用的专业嵌入式应用开发工具。

软件功能主要包括ZigBee网络与GPRS网络的建立、监测数据的处理、信息的下行采集及用户任务处理等。用户应用程序开发结合了ZigBee 2007 PRO协议栈，通过调用Z-Stack协议栈提供的API接口函数与原语函数实现ZigBee网络建立、设备初始化、网络管理、网络参数配置、终端节点的网络地址分配和数据包格式转换等功能。同时通过用户应用程序合理选择主芯片的工作模式，降低系统功耗。GPRS网络的建立则是CC2530通过USART0对SIM900A发送AT命令实现GPRS连接。系统软件总体设计流程如图5所示。

网关节点上电后，节点进行设备初始化并建立ZigBee网络与GPRS网络，终端节点上电扫描信道选择最佳路由路径，传感数据经最佳路径发送至网关节点，最后通过接入的GPRS网络传送至中心服务器。

网关节点在响应射频模块接收数据时，程序内执行中断处理，并设置标志位。协议栈采用多任务的资源分配机制操作系统OSAL循环完成任务事件的标志检测与响应处理，程序中的tasksEvents[]数组存放任务事件的标志位，tasksArr[]数组存放事件处理函数的地址，通过任务号idx与tasksEvents[]相对应，保证相应的响应被处理，从而完成数据的采集、转发与上传。

图5 网关系统软件总体设计流程

4 农田实地部署测试

2013-07-08，在杨凌示范区揉谷乡进行了为期1个月的网关节点稳定性与可靠性测试。本试验测试系统各节点的拓扑关系与图1相同，系统由8个终端节点与1个网关节点组成，节点高度为2 m，终端节点呈网格排列部署，且每个终端节点接有土壤温度、土壤湿度、空气温度与空气CO2质量分数传感器，监测数据上传时间间隔为10 min。

4.1 网关节点接收的信号强度与误包率

为了形成网络的最大覆盖，试验采用SmartRF Studio软件对终端节点与网关节点ZigBee网络通信进行了测试，测试内容为不同节点距离下接收的信号强度与误包率，从而可以在接收的信号强度和误包率允许条件下得到最合适的节点部署距离。表1为不同节点距离下接收的信号强度与误包率的测试结果。

表1 不同节点距离下网关节点接收的信号强度与误包率

由表1可知,节点距离为100～150 m时，接收的信号强度差别不大。而在节点距离大于120 m时，误包率出现且逐渐增大，为保证系统的可靠性与准确性，将网关测试系统的节点距离确定为120 m。

4.2 网关节点的稳定性

由于网关节点不具备数据存储和显示功能，通过访问上层中心服务器分析网站网页上节点上传数据的准确性和数据趋势曲线，验证农田环境监测系统整体功能的稳定性。

表2为随机选取的某一时间点5001～5008号监测节点的环境监测数据，表明利用该网关节点可以实时获取各监测节点的空气温度、土壤温度、土壤水分与空气CO2质量分数等数据，证明各监测节点数据经网关上传正常且有效可靠。

表2 测试期某时刻8个监测节点上传中心服务器的监测数据

图6为随机选取的5004号监测节点连续24 h空气温度监测数据动态曲线，曲线上的各时刻点数据为每小时6个数据的平均值，曲线连续无断点，证明网关节点可连续汇集并转发环境监测数据。

图6 2013-07-24 5004号监测节点24 h空气温度变化曲线

图7为5004号监测节点在2013年7月逐日空气温度监测数据变化曲线，曲线各点数据为每天监测数据的平均值，曲线连续无断点，证明网关节点可长时间稳定工作。

5 结 论

本研究从硬件与软件两个方面设计了基于CC2530的面向农业生产环境监测的WSN网关节点，给出了以CC2530为核心处理芯片的简易版网关的硬件架构设计与软件通信流程，设计的网关节点实现了ZigBee网络的组建与监测数据的收集，并能由GPRS网络发送至服务器。农田实地部署测试表明，所设计的网关节点具有丢包率低、运行稳定可靠与成本低等特点。该网关节点适用于地形复杂多变的农田环境，具有良好的发展前景。

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