基于MSP430F5438A單片機和AT86RF212射頻芯片設計了一種工作在780 MHz中國專用頻段且符合IEEE802.15.4c標準的無線傳感器網(wǎng)絡。介紹了無線傳感器節(jié)點結構及傳感器節(jié)點無線通信電路的設計,并給出了空氣溫濕度、土壤溫濕度及光照度傳感器的選型和指標參數(shù)。選取豫東平原一塊麥田作為試驗環(huán)境,在小麥的拔節(jié)期和抽穗期,對工作于780 MHz、433 MHz和2.4 GHz頻段的3種無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點進行試驗,給出了3種節(jié)點的平均丟包率曲線和接收信號強度值隨通信距離變化曲線。試驗結果表明,在小麥不同生長期,780MHz和433 MHz頻段的無線傳感器網(wǎng)絡的通信質量和傳輸性能明顯優(yōu)于2.4 GHz的無線網(wǎng)絡,而且780 MHz網(wǎng)絡的通信質量表現(xiàn)更佳,完全能夠滿足農(nóng)田間數(shù)據(jù)的可靠傳輸。
【部分圖文】：

62河南農(nóng)業(yè)大學學報第51卷通信)、I2C接口(與數(shù)字傳感器通信)，集成A/D轉換器(便于后期擴展采集模擬量)。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)點的處理器。圖1無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點結構Fig．1StructuraldiagramofwirelesssensornetworknodesMSP430F5438A是TI公司推出的一款超低功耗單片機，它集成了豐富的片內資源，在發(fā)揚低功耗特性的同時，大大提高了芯片性能。MSP430F5438A的工作功耗與待機功耗非常低，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，各類數(shù)字傳感器可通過串口、SPI、I2C等接口與處理器通信。該單片機的時鐘系統(tǒng)提供了MCLK、SMCLK、ACLK3種時鐘，得益于獨立的時鐘系統(tǒng)，單片機可實現(xiàn)不同深度的系統(tǒng)休眠，盡可能地節(jié)省了能量［15］。單片機與無線射頻模塊接口電路如圖2所示，單片機與傳感器模塊接口電路如圖3所示。1．3780MHz頻段無線射頻模塊設計基于收/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無線射頻芯片。該芯片可工作在779～787MHz在中國免費的ISM頻段，是一款專為適合IEEE802．15．4c標準的ISM(IndustrialScientificMedical)應用而設計的低電壓、低功耗、低成本的無線收發(fā)芯片。該芯片最大發(fā)射功率達10dBm，接收靈敏度高達－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)器關閉后消耗電流0．4mA，當發(fā)送功率為5dBm時，電流消耗為18mA。以上特性能夠滿足WSN節(jié)點低功耗的設計要求。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)點電源系統(tǒng)的一致性。射頻模塊天線部分采用差分方式，有效減少了其他?

MSP430F5438A是TI公司推出的一款超低功耗單片機，它集成了豐富的片內資源，在發(fā)揚低功耗特性的同時，大大提高了芯片性能。MSP430F5438A的工作功耗與待機功耗非常低，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，各類數(shù)字傳感器可通過串口、SPI、I2C等接口與處理器通信。該單片機的時鐘系統(tǒng)提供了MCLK、SMCLK、ACLK3種時鐘，得益于獨立的時鐘系統(tǒng)，單片機可實現(xiàn)不同深度的系統(tǒng)休眠，盡可能地節(jié)省了能量［15］。單片機與無線射頻模塊接口電路如圖2所示，單片機與傳感器模塊接口電路如圖3所示。1．3780MHz頻段無線射頻模塊設計基于收/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無線射頻芯片。該芯片可工作在779～787MHz在中國免費的ISM頻段，是一款專為適合IEEE802．15．4c標準的ISM(IndustrialScientificMedical)應用而設計的低電壓、低功耗、低成本的無線收發(fā)芯片。該芯片最大發(fā)射功率達10dBm，接收靈敏度高達－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)器關閉后消耗電流0．4mA，當發(fā)送功率為5dBm時，電流消耗為18mA。以上特性能夠滿足WSN節(jié)點低功耗的設計要求。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)點電源系統(tǒng)的一致性。射頻模塊天線部分采用差分方式，有效減少了其他芯片造成的雜散輻射干擾。無線射頻模塊除了晶體振蕩器、去耦電容和天線等簡單電路外，所有的主要ＲF元件都集成在AT86ＲF212內部，MAC及AES硬件加速改善了無線傳感器網(wǎng)絡的功耗利用率和時效性。AT86ＲF212提供一個三線制SPI串行接口、少量控制引腳和一個中斷請求引腳，SPI總?

對濕度量程0～100%，準確度±1．8%;溫度量程－40～123．8℃，準確度±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，相對濕度量程0～100%，準確度±2%;溫度測量范圍－40～123．8℃，準確度±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)能設計考慮到農(nóng)田環(huán)境參數(shù)變化的特征，為進一步降低無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點能耗、延長網(wǎng)絡使用壽命，本研究除選用低微功耗的處理器、無線射頻芯片和傳感器之外，還從以下幾方面進行節(jié)能設計［15］。1．5．1采用更靈活的數(shù)據(jù)上報機制現(xiàn)有的農(nóng)用環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)大多采用固定采集周期的方式上報環(huán)境參數(shù)。如果采集周期比較短，則頻繁的無線收發(fā)數(shù)據(jù)會消耗大量電能，間隔周期過長，則不能實時監(jiān)測參數(shù)的變化。本文采用參數(shù)變化達到設定變化幅度閾值時上報數(shù)據(jù)。比如土壤濕度變化±5%或者溫度變化±3℃時上報數(shù)據(jù)。各參數(shù)變化幅度閾值根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求進行設置。農(nóng)田環(huán)境參數(shù)變化快時，該方法能夠實時監(jiān)測環(huán)境并及時將參數(shù)上報監(jiān)測中心;參數(shù)比較穩(wěn)定時，比如夜間光照度基本沒變化，該方法能有效避免頻繁地進行射頻數(shù)據(jù)傳輸，降低節(jié)點通信能耗。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，降低處理器的時鐘頻率是一個有效節(jié)能措施。MSP430F5438A提供了低功耗、低頻率內部時
【參考文獻】

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本文編號：2852843