粮库无线温湿度传感器网络的监测节点设计

引 言
科学储粮是粮食生产的一个重要环节，若管理不当，粮食发霉或生虫会造成极大的浪费。粮库管理中最重要的问题是监测粮堆中的温、湿度变化。国家为粮食储藏每年支付很高的费用，主要是因为监测设备的成本过高，管理方式不够先进。随着无线通信网络技术及传感器技术的发展，使得研制低成本的先进粮库温湿度监测方法成为现实。无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是将大量低功耗、低成本的无线传感器节点布置到相关区域，各传感器节点通过自组织快速形成的一种分布式网络。WSN具有广阔的应用前景，例如灾难预警与救助、环境监测和生物多样化勘测、智能楼宇、设备管理、机器监视和维护、运输和信息通信业务等。在粮库中构建无线传感器网络，就可以实现对粮库各处温湿度的低成本、高效监测。其中的传感器节点是组成粮库WSN的基本单位，节点将采集的温湿度数据传送给相邻节点，根据采用的路由协议最终传送到汇聚节点(sink)。汇聚节点解析接收到的数据，连接到因特网上实现信息的更广泛传递。由此可知，节点的设计直接影响到粮库WSN的性能。出于粮库WSN低功耗、低成本的考虑，通常采用8位单片机为节点CPU。本设计实现了以高档8位AVR单片机ATmega128L为核心，结合外围温湿度传感器SHT11和无线收发芯片CC2420的粮库无线传感器网络节点。

1 节点结构
粮库无线温湿度传感器网络节点主要功能是采集粮库温湿度数据，并将数据发送给汇聚节点。它由传感器模块、处理模块、传输模块和能量供应模块4个部分组成，如图1所示。

传感器模块采用的是瑞士Scnsirion公司推出的温湿度传感器SHT11，通过I2C接口与处理模块相连；处理模块控制其他模块以及WSN的路由协议、同步定位执行和节点的功耗管理等；传输模块主要由低功耗无线通信芯片CC2420及其外围电路组成，软件上运行相应的通信协议；能量供应模块采用2节 5号AA电池供电。

2 粮库无线温湿度传感器网络节点设计
2．1 处理模块设计
ATmega128L是Atmel公司于2001年推出的采用低功耗CMOS工艺生产的基于AVR RISC结构的8位微控制器。该芯片内部采用Harvard结构，具有极低的能耗和丰富的资源；具有片内128 KB的Flash存储器、4 KB的SRAM数据存储器(可外接扩展到64 KB)和4 KB的E2PROM存储器。该芯片还有8个10位ADC通道，2个8位和2个16位硬件定时／计数器，可在多种不同模式下工作；8个PWM通道、可编程看门狗定时器和片上振荡器、片上模拟比较器；USART0／1、SPI、I2C总线接口；可以采用JTAG编程和ISP编程两种方式。除正常工作模式外， ATmega128L还具有6种不同等级的低能耗操作模式，每种模式具有不同的能耗。因此ATmega128L非常适合于低能耗的应用场合。处理模块选用 AT-mega128L，其接口电路如图2所示。