张 霞，李文彬，崔东旭

（北京林业大学，北京 100083）

目前，立木生长信息的收集、森林火灾的监测以及其他森林环境信息的获取主要依赖于人工、卫星遥感或飞机巡航。基于ZigBee的无线通讯技术发展迅速，已在工农业领域广泛应用，但森林环境比较复杂，温湿度等气候环境恶劣，信号传输衰减大。因此，基于ZigBee的无线传感器在森林中应用还很少见。在森林中使用的无线传感器节点应有特殊的要求，要求功耗低、同功耗下单跳距离远、防潮。因此，如何将新型的无线传感器网络传输方式运用于森林信息监测，研制出高性价比的监测网络节点，积极发展现代森林监测新技术迫在眉睫。本研究自主研制的传感器节点可遍布于广阔的森林中，好比人体丰富的神经末梢，可实时感知到森林环境中的变化信息，并通过ZigBee协议组成的簇状网络，用无线跳传的方式将这些信息汇集到网络协调器上，最后通过Internet或GPRS远程传输，及时提供给相关部门使用，为森林研究和保护提供技术支撑。

基于ZigBee技术规范的低速无线个域网(LRWPAN)主要为电源能力受限、吞吐量要求较低的无线应用提供简单的低成本网络连接；主要的目标是以简单灵活的协议构建一种安装布置简易、数据传输可靠、设备成本极低、能量消耗较小的短距离无线通信网络[1]。

1 基于ZigBee无线传感器网络的森林信息监测系统的体系结构

ZigBee联盟将网络设备按承担的任务不同分为三类:协调器、路由器、终端设备。事实上这些网络中角色可由两类设备来完成:一类是全功能设备(FFD);另一类是简化功能设备(RFD)。协调器和路由器必须是FFD，终端设备可以是FFD或RFD。该森林信息监测无线传感器网络采用ZigBee树簇状网络如图1所示，其中包含了终端传感器节点、簇首、网络协调器。

图1 森林信息监测树簇状网络结构示意图

2 节点硬件设计

节点的基本硬件组成包含有微控制单元、射频收发单元 (包含2.4GISM频段射频芯片和天线)、供电单元、传感器单元等基本单元。如果是终端传感器节点，可以用较少的资源和存储容量来实现。对于网络协调器，由于还要把整个网络汇集的信息发送出去，所以它还必须包含GPRS模块或网关，从而实现信息的远程传输。

2.1 射频收发单元

射频收发芯片是射频收发单元的核心部件，它主要负责载波信号的产生、信号的调制与解调、射频信号的收发切换。设计中采用的射频芯片AT86RF230是Atmel公司生产的与IEEE 802.15.4/ZigBee兼容的高性能2.4GHz射频器件。

AT86RF230的芯片内部结构如图2所示，它集成了除天线、晶振、去耦电容之外的所有标准射频单元，无需外接收发开关，为天线和微控制器之间提供了完整的无线接口。该芯片具有104 dB的链路预算，-101 dBm的接收灵敏度，发射功率可从-17～3 dBm；工作所需外部电压为 1.8～3.6 V,且有内部低压差的电压调节模块，可为外电路提供1.8 V的标准电压；超低的功耗，发射最大功率时耗电16.5 mA，睡眠时仅为20 nA；128字节的数据缓冲器具有TX/RX BBP、SPI两个独立端口，可被微控制器读写，也存贮收发的数据帧；具有空闲信道评估、ED检测、RSSI指示。

图2 AT86RF230芯片内部结构框图[2]

天线是射频单元的关键部件，天线的作用在于有效地辐射和接收电磁波[3]。本设计中采用了折叠式偶极子PCB天线，由于节点工作于2.4 G高频段，既易于高性能小尺寸天线的实现，同时也降低了节点的生产成本。同样的均匀材质使射频输出管脚经馈线到PCB天线实现更好的匹配，减少反射，最大效率的发挥天线的作用。

2.2 微控制器与射频芯片AT86RF230的接口及主要外围电路

在网络中，可根据节点设备实现功能的不同，从节约硬件资源成本考虑，终端传感器节点、路由或协调器的微控制器分别采用了Atmel公司的8位高性能AVR增强型系列单片机ATmega8515 L和ATmega128 L。AVR单片机的最大特点就是低功耗和高速度，片内资源丰富，端口驱动能力强。它们的工作电压均为2.7～5.5 V（频率为0～8 MHz时）,是具有多种休眠模式的低功耗产品，且具有丰富的内部资源和外围接口（包含可主从设置的SPI接口），片内有经过标定的RC振荡器无须外接晶振，ATmega8515 L具有8 K字节系统内可编程Flash，而ATmega128 L具有128 K字节系统内可编程Flash[4-5]。

无论使用何种微控制器，与AT86RF230的接口却很简捷方便，仅需 SPI接口（MOSI、MISO、SEL、SCLK）和IRQ、RST提供的6条线便可与微控制器很好地协同工作，只是不同型号微控制器的具体功能接口所处的管脚号不同而已，使用ATmega8515 L的终端传感器节点的与射频芯片的接口及主要外围电路原理图如图3所示。

如图3所示，微控制器的SPI接口与射频芯片的SPI接口线一一对接，而且必须把微控制器的SPI接口设置为主机状态，而射频芯片AT86RF230的SPI接口为从机状态，这样微控制器便可通过这4条线来读写AT86RF230的内部寄存器以及上传或下载帧缓冲器中的数据。IRQ线可将射频芯片的中断触发信号提供给微控制器，如AT86RF230数据接收完成时，便可在IRQ上产生脉冲信号，通知微控制器射频芯片有中断事件触发，此时AT－mega8515L只需通过查询AT86RF230的内部寄存器IRQ_STATUS，便可确定是何种中断从而进行相应的工作。虽然射频芯片本身具有上电复位功能，但为了增强可靠性和调试方便，可通过按钮开关手动复位，也可通过微控制器的I/O管脚来控制它的复位。

图3 微控制器与射频芯片接口及主要外围电路

传感器是该硬件节点的重要部件，只有通过它才能感知到需要监测的森林信息，本节点可根据不同需要连接温度传感器、湿度传感器、树木生长监测传感器、火焰紫外传感器等传感器。

随着半导体集成电路的发展，已经出现了数字输出型温度和湿度传感器，这样可使电路设计更加简洁。瑞士SENSIRION公司生产的一款高性能数字型温湿度传感器芯片SHT11，它将温湿度传感器、信号放大调理、A／D转换、I2C总线接口全部集成于一芯片；可给出全校准相对湿度及温度值输出，传感器默认分辨率为温度14位，湿度12位，并可通过状态寄存器配置为12位和8位；具有可靠的CRC数据传输校验功能；体积小，其表贴LCC封装典型尺寸为7.47 x 4.98 x 2.5 mm；功耗低，供电电压为 2.4～5.5 VDC，电流测量时典型值为 550 μA，休眠时最大值为1.5 μA；为了防止灰尘和水滴进入以保护传感器芯片，可使用用配套的保护罩或用环氧树脂封装在PCB板上[6]。

2.3 电源部分

在该节点电路中的元器件均选用了低功耗产品，并且通过闲时控制节点进入休眠状态，并降低微控制器的主频率，达到降低功耗的目的，这样如果使用普通干电池来供电便可延长电池使用寿命，此外，还可利用野外的太阳光照选用太阳能环保电池来供电。

在该模拟数字混合高频电路中为了加强电源的抗干扰能力，将模拟电压和数字电压的供电隔离开来，采用独立的稳压模块或加磁珠的方法，同时也在模拟地和数字地之间加一磁珠；在给电源滤波时，采用大容量钽电容和小容量陶瓷电容组合的方法，在离集成器件尽可能近的地方再加一小的电容，这样可以极大地提高滤波的效果。

2.4 其它抗干扰设计

为了减少信号之间的相互串扰，从板图布局上，使数字低频器件尽可能远离高频模拟器件，从空间上把它们分割开来；印制板上大面积的铺地，不仅可以增强抗扰能力，也可有利于电路板上工作的元器件散热；差分输出线要等长且尽量短，印制板的走线拐角曲线要光滑。

3 软件设计

众多的无线传感器节点的正常工作和组成ZigBee网络最后必须通过软件来得以实现，本系统的软件设计开发平台基于AVRSTUDIO+ICCAVR，采用C语言完成设计[7]。

节点的基本软件程序主要包括主服务程序、初始化程序、系统状态服务程序、上层接口服务程序、中断处理程序等。主服务程序是程序的主体，负责各模块程序的协调调用工作。初始化程序对微控制器、射频芯片、外围器件进行初始化设置。系统状态服务程序负责转换和识别系统的工作模式状态，如对MCU、AT86RF230的多种休眠模式与工作模式的切换。在发射和接收模式期间，电能的消耗量是类似的，尽量避免使AT86RF230一直处于RX_ON状态[8]，这些就要系统状态服务程序来设置。上层接口服务程序主要负责上层和底层程序提供接口。

编程的基本思路是：先是微控制器的初始化，包含SPI主机状态初始化设置；使能SPI口对射频芯片初始化，以及其他外围硬件初始化；进入主服务程序，实现休眠和工作状态切换，进行数据接收和发送，以及数据处理和上层服务。基本的数据接收和发送流程如图4所示。

图4 数据发送和接收程序流程图

4 测试结果及总结

在室外开阔地和人工林地分别对自主研制的面向森林环境信息监测的无线传感器网络节点进行了实验。在通信信道选择为15即频率为2 425 MHz，发射功率输出配置为+0.5 dBmW（芯片输出最大可达+3 dBmW），节点距离地面高度80 cm条件下，测试点对点通信有效距离。结果表明，室外开阔地有效距离为100～120 m,人工林地为70～100 m。研制的基于Atmel高性能增强型微控制器和射频芯片AT86RF230的传感器节点具有功耗小、成本低，适用于野外只能靠电池供电的工作环境，并能够在广阔无人森林中大范围或者在重点区域布点成网来传输森林环境信息。该节点能深入现场在火灾爆发的萌芽状态就能及时感知并报告，也从传统方式需要耗费大量人力物力中解脱出来，提高森林火灾监测水平，也适用于林区的环境监测，具有很强的实用性和现实意义。

[1] 瞿 雷，刘盛德，胡咸斌.Zigbee技术及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[2] Atmel.2.4G Radio Transceiver AT86RF230 Datasheet[EB/OL].www.atmel.com,2008.

[3] Atmel.Design and characterization of the Radio Controller Board's 2.4GHz PCB Antenna[EB/OL].www.atmel.com,2008.

[4] Atmel.8-bit Microcontroller Atmega128L Datasheet[EB/OL].www.atmel.com,2008.

[5] Atmel.8-bit Microcontroller Atmega8515L Datasheet[EB/OL].www.atmel.com,2008.

[6] Sensirion.Datasheet SHT1X[EB/OL].www.sensirion.com.2008.

[7] 沈 文，Eagle Lee.詹卫前.AVR单片机C语言开发入门指导[M].北京：清华大学出版社，2003.

[8] Atmel.AT86RF230 Software Programmer'sGuide[EB/OL].www.atmel.com,2008.