唐跃平，包俊宁，张志坚，诸 杰，智永明

（1. 水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012;2. 水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏 南京 210012;3. 河海大学 计算机与信息学院，江苏 南京 210098）

基于 MSP430 的灌区无线传感点对点通信系统设计

唐跃平1，2，包俊宁3，张志坚1,2，诸 杰1,2，智永明1,2

（1. 水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012;
2. 水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏 南京 210012;
3. 河海大学 计算机与信息学院，江苏 南京 210098）

为解决我国传统农业用水利用率低的现状，针对现代化灌区监测所面临的布线复杂、安装维护麻烦等问题，以 MSP430 单片机为核心，SI4463 作为射频芯片，结合电源、存储、数据采集等模块为灌区智能监测系统设计一款无线传感通信系统。简单的时钟同步设计和传输协议使系统能更加快捷地进行数据传输。系统根据灌区温度、雨量、土壤墒情等环境情况，设计不同的传感器采集电路用以采集并传输，是一款符合水文监测要求的智能监控系统通信模块。

无线传感网络；点对点通信；通信系统；灌区监测；节水灌溉；MSP430 单片机

0 引言

灌区是我国农业和农村经济发展的重要基础设施。随着社会的发展，我国早期的粗放型灌溉方法和落后的灌溉技术已不适应现代农业持续发展的要求，利用现代化管理方法和技术实现灌区水资源的优化配置和高效利用则是一种十分科学的农业灌溉方式[1]。但如果为了对灌区实现实时监控而在农田灌区中铺设有线网络，一方面不便于农田的耕作，另一方面成本也较高。

近年来，随着无线传感器网络技术的发展，其具备的组网方便、延时时间短、安全性高等特点[2]越来越适用于现在的各种工程环境。参考无线传感器网络的特点，将之与节水灌溉监测系统有效地结合起来，可很好地解决由地理环境等因素导致的布线不便、成本高等问题[3]。因此，利用 MSP430 单片机低功耗的特点，设计一种可靠性高、通用性好、易于维护的无线传感器点对点传输系统，用于灌区的数据采集和传输。

1 无线传感器网络

无线传感器网络技术综合了传感器、嵌入式计算、现代网络和无线通信等技术的特点。针对灌区自动化监控功耗低、可靠性好、易维护等特点，本次设计参考无线传感网络的节点、通信结构设计等，同时根据灌区监测系统的设计要求，放弃无线传感器网络自组多跳、动态网络等研发过难又对系统功能无太大作用的特点，采用 RF 非标准无线通信芯片和简单透明的数据传输协议完成开发设计。

1.1 拓扑结构选择

无线传感器网络的主要拓扑结构有以下 3 种：

1）平面网络结构。平面网络结构之间的传感器节点地位是平等的，每个网络节点都可以和半径范围内的任意节点进行通信，单独节点的失效不会影响整个网络的运行。但平面结构中由于每个节点都要同时做接收和发送节点，因此路由信息占用带宽极大。根据水文信息传输的设计要求，路由算法可能十分复杂，和传输模块的简单易维护等要求相悖。而且灌区内传感器节点密度要求不高，同时可采用手工布置节点，不太适合采用多跳传输的平面网络结构。

2）分层网络结构。分层结构中有 1 个簇头节点，整个簇中的其他节点将收集到的数据统一发送给簇头节点，大大减少了网络中路由控制信息的数量，因此网络具有很好的扩展性。分层结构的缺点是需要节点执行分簇算法，而且簇头节点可能成为网络的瓶颈。同时考虑到灌区内有限的传感器节点不需要将其分成多个簇进行数据传输，因此没必要采用分层结构。

3）Mesh 网络结构。Mesh 结构是规则分布的网络，任意 2 个网络节点之间往往存在多条路由路径，因此整个网络对于单独节点或单个链路出现的故障具有很强的容错能力和鲁棒性。但 Mesh 网大多应用于大规模网络，而灌区内的数据采集点较少，更多的是准确性和简易性方面的要求。Mesh 网的优点在灌区得不到体现，同时规则的分布网络也不适合灌区的具体数据采集环境。

对于灌区的信息采集系统来说，采集信息量相对较小，更多的是实时性和准确性要求。参考平面网络等 3 种常用网络拓扑结构的优缺点，决定采用更为简单古老的星型网络结构，既能很好符合灌区中采集节点分布较广且稀疏的特点，又能很方便地直接将采集到的数据尽快汇集存储。这样既符合灌区无线传输模块简单易维护的特点，又能达到水文监控的传输要求。

1.2 无线传输方式选择

目前较为流行的短距离无线传输的主要标准有蓝牙，UWB（Ultra Wideband），Wi-Fi（Wireless Fidelity），IrDA（Infrared Data Association），ZigBee（紫蜂），NFC（Near Field Communication）[4]等。结合灌区内的实际情况及灌区数据监测的要求，对通信系统的传输方式选择应主要考虑传输速率和距离、系统功耗、开发成本、传输准确性等因素。

1）根据水利水文监测的具体要求及无线传感器网络中节点的低功耗特点，Wi-Fi、蓝牙和 UWB 等的耗能都不太适合作为灌区无线传感器网络节点的通信方式。ZigBee 技术的低功耗、低成本及高网络容量的特点十分适合无线传感网络，且 ZigBee 的自组网技术非常有利于传感器网络，但其硬件设计、接口方式、通信协议复杂，需专门开发系统，开发成本高、周期长，最终产品成本也高，不适合用于低成本的水文监测仪器开发。

2）相较而言，由 RF 非标准无线通信芯片加上微控制器和少量外围器件构成的专用或通用无线通信模块[5]，包含简单透明的数据传输协议或简单的加密协议，用户不必对无线通信原理和工作机制有较深了解，只要依据命令字进行操作即可实现基本的数据无线传输功能。虽然射频通信不具备自组网的特点，但灌区内传感器节点较少且易于布置，完全可以采用软件设置的组网方式，当需要加入新节点时，只需更新汇聚节点的软件即可。

3）灌区内的传感器节点通常在较大的范围内只要求布置 1 个节点（避免监测数据的重复），所以传输距离应达到 1 000 m 以上，一般情况下，ZigBee多用于 10～100 m 范围内较密集的传感器节点，虽然ZigBee 也能达到上千米的传输距离，但功耗也会大大的增加，对比于一般的射频方案反而不占优势。

4）ZigBee 通常采用 2.4 GHz 的频率进行传输，根据频率信号的特性，当通信频率越高时，信号的穿透能力也就越强，但绕射能力却反而越弱。考虑到灌区内一般都是农作物覆盖的环境，不存在很厚的墙壁需要穿透，而植物茂密的叶子对信号的绕射能力有很高的要求，同时 RF 射频采用 433 MHz，2.4 GHz 频段的频率，可以依靠信号的绕射能力实现更好的通信效果。

经过综合分析，系统决定采用 MSP430 单片机加射频芯片的设计方式。

2 系统总体结构设计

通信系统主要用于灌区内的无线传感器监测网络铺设，采用 MSP430 单片机对通信系统进行人工软件组网。系统由多个传感器节点和 1 个汇聚节点组成，前端节点用于连接多种灌区数据采集传感器，并将数据存储转发，连接的传感器接口有土壤墒情传感器、雨量计、水位计、水质分析仪等传感器设备。后端节点作为汇聚节点接收各个传感器节点发送的数据，同时负责组网、数据传输、时钟同步等工作。通信系统的整体结构如图 1 所示。

整个通信系统节点具体分为 4 个模块进行设计，主要是以 MSP430 作为核心处理器的处理模块，用于连接传感器的传感器接口模块，用于信号发射和接收的无线通信和用于供能的电源模块。具体结构如图 2 所示。

为了降低系统功耗，要求前端和后端通信节点的通信方式采用同步模式，即在设定时间内，前端和后端节点同时上电，相互建立通信，实行实时传输。所有测量点的数据传输结束后，系统进入休眠状态，等下次通信时再根据定时时间唤醒，进行数据传输。所以通信模块要求具有实时时钟芯片， 以便 2 个节点在每次校时结束后都处在同一个时间点，下次工作时一起被唤醒。

图1 通信系统整体方案设计

图2 通信系统节点设计结构图

3 系统硬件设计

针对无线传感器网络节点将功耗放在第 1 位的特点，设计采用 MSP430 系列单片机作为整个系统的主控芯片。MSP430 系列单片机是一种 16 位超低功耗，具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器。无线收发模块采用的是 Silicon Laboratories 的Si4463（433 MHz/868 MHz）器件，是一款高度集成的无线 ISM 频段收发芯片。极低的接收灵敏度（-126 dBm），再加上优秀的输出功率保证极大的通信范围和极高的链路性能。

3.1 前端传感器节点设计

前端节点功能主要包括对周围环境的监测对象进行数据监测，并将数据通过无线射频传输给汇聚节点。无线传感器节点主要由 MCU 和时钟、通信串行接口、存储器、信号采集、射频、电源等模块组成，结构如图 3 所示。

几种模块的设计如下：

图3 前端节点系统结构图

1）电源模块。电源模块主要输出其他模块所需的 5.0 和 3.3 V 电压。这里采用 LM1117 低压差电压调节器对电池电压进行转换。压差在 1.2 V 输出，负载电流为 800 mA 时为 1.2 V，与国家半导体的工业标准器件 LM317 有相同的管脚排列。

2）时钟模块。时钟模块主要是使前端和后端节点能够同步工作，使传感器节点在不工作时休眠，需要时唤醒，可以大大减少系统功耗，而时间同步是保证传感器节点和汇聚节点能同步工作的十分重要的一点。

3）存储器模块。存储器模块采用 AT24C512 存储芯片，主要用于暂时存储传感器采集到的数据。为了降低功耗，传感器节点采用了休眠模式，当射频模块被唤醒时，再将存储器中存储的数据发送给汇聚节点，所以存储器模块必不可少。

4）信号采集模块。信号采集模块可以连接各种水文仪器，设计采用 RS-232 和 RS-485 接口连接土壤墒情和其他串口输出的传感器，1 个脉冲接收电路接收雨量计等开关信号，1 个频率信号电平转换电路用于水位计的信号采集，1 个数模转换电路用于采集模拟信号。

3.2 后端汇聚节点设计

后端汇聚节点的主要功能是通过射频模块接收从传感器节点发送过来的水文数据，将其存储在EEPROM 模块中，等传输完毕后统一将数据通过RS-232 接口发送给数据采集仪。汇聚节点有很大一部分模块跟传感器节点相同，包括 MCU，时钟、通信串行接口、存储器、射频、电源等模块，以及JTAG 下载接口，结构如图 4 所示。

为便于统一设计，可以将前端与后端通信节点一起设计，在软件功能上进行分割，这样可以方便通信模块进行更换。

1）射频接口模块设计。在主板上设计射频芯片接口电路，采用市场上已有的产品 Si4463 作为射频芯片，可以简化设计成本，缩短开发周期。采用 SPI进行射频模块和单片机之间的连接，SPI 是一种高速、全双工、同步的通信总线，在芯片的管脚上只占用 4 根线，节约了芯片的管脚，同时为 PCB（印制电路板）的布局节省空间，提供方便。

图4 后端节点系统结构图

2）JTAG 下载接口模块。本次设计采用MSP430 的另一个原因是，Flash 型器件有十分方便的开发调试环境，器件片内不仅有 JTAG 调试接口，还有可电擦写的 Flash 存储器，整个开发过程都可以在同一个软件集成环境中运行。开发语言为汇编和 C语言，十分适合本次设计条件，而且简单易学。

系统电路除了主要的功能模块外，最重要的电路是信号采集电路。包括脉冲信号接收电路，主要用于翻斗式雨量计的采集，最少要有 2 路脉冲量输入接口，且需要进行整形处理；12 位以上并行输入输出接口，一般用于浮子式水位计及闸位计的采集；12 位以上转换精度的模拟量输入接口，主要用于带模拟量输出接口的监测仪器信号采集，最少需要考虑 4 路模拟量输入接口；信息采集专用 RS-232通信接口，主要用于如土壤墒情传感器等带串行通信接口的监测仪器信息采集。

4 系统软件设计

系统的软件设计主要通过 IAR EW430 软件进行编程下载操作。当通信系统启动后进行初始化参数配置，此时 MSP430 的定时中断启动，执行主程序，执行完主程序后启动定时器为下一次工作定时，系统休眠完成 1 个工作流程。

4.1 传感器节点流程实现

中断程序后启动数据采集模块，对数据进行采集并存储。再开启射频模块，尝试与汇聚节点进行连接，如果连接失败 3 次则返回定时中断，系统休眠；如果连接成功则进行数据传输，并同时进行校时工作，以便下次开启时前端节点和后端节点能同步工作。校时完毕后关闭射频模块，并返回中断。节点流程图如图 5 所示。

图5 系统节点软件流程图

汇聚节点的流程大致相似，只是中断后先接收数据，再向数据终端传送数据，校时后返回中断。

4.2 系统时间同步设计

为了降低系统模块的功耗，使用 MSP430 的低功耗模式使系统在不工作时进入休眠状态，这时系统前端和后端的节点的时间同步问题十分重要。这里采用系统内置时钟模块完成时钟同步设计，同步设计如图 6 所示。

系统数据接收完成后，由汇聚节点首先向多个传感器节点发送校时命令（包含汇聚节点的时钟信息），等待消息返回。传感器节点接收到校时命令后，读取本节点模块的时钟信息，同接收到的信息作对比（加上传输延时），若时钟信息相同则不做修改，若时间不同步则对时钟模块进行实时修改。修改完成后返回修改完毕命令，传感器节点进入休眠模式。汇聚节点收到修改完毕的命令后直接进入休眠模式，若还有其他模块没完成则继续读取本模块时间，重新发送校时命令，直到修改完成。系统每次连接成功都会进行 1 次时钟校准，以便系统更好地达到同步工作状态。

图6 系统时钟同步设计

4.3 传输协议设计

本次设计的通信模块主要是将多个传感器节点数据汇集到后端节点，然后将后端节点的数据传输给数据采集仪，数据采集仪再依据《水资源监测数据传输规约》将数据处理后传输出去。因此通信模块的数据传输过程简单分为握手、传输数据、校时，各个步骤的命令帧结构如下：

1）握手命令帧。系统开始发送数据前要进行链接，链接开始时由汇聚节点的射频模块发送广播信号，在网络内的传感器节点收到广播信号后回复要进行连接的命令帧，完成握手协议。

传感器节点模块发出的建立连接命令为，帧头｜仪器号｜LJ｜校验码｜帧尾。其中，仪器号为前端通信模块所设定的地址码，占 1 个字节；LJ 为建立连接命令，占 1 个字节；校验码采用累加和方式，不含帧头和帧尾，占 1 个字节。

传感器节点模块接收到后给予的回答信息为，帧头｜仪器号｜WC｜校验码｜帧尾。其中，WC 为返回连接完成信息，占 1 个字节。

2）数据帧。数据帧主要用来承载节点与节点之间的数据及数据采集的时间等。

汇聚节点模块发出的要数命令为，帧头｜仪器号｜YS｜起始时间｜结束时间｜校验码｜帧尾。其中，YS 为要求发送数据命令，占 1 个字节；起始时间为发送数据的开始时间，包括月、日、时、分，占 2 个字节；结束时间为发送数据的结尾时间，包括月、日、时、分，占 2 个字节。当起始时间与结束时间相同时为最后 1 个采集的数据。

传感器节点模块发送的数据格式为，帧头｜仪器号｜SJ｜数据长度｜起始时间｜数据｜…｜数据｜结束时间｜帧尾。其中，SJ 代表发送数据，占 1 个字节；数据长度表示所发送数据的个数，不含起始时间，占 1 个字节；起始时间为根据存储格式要求的时间，如 5 min 存储 1 个数据，包括月、日、时、分，分钟值则可被 5 整除，占 2 个字节；测量数据为按规定存储格式所存储的数据，占 2 个字节。

后端通信模块接收到数据后发出的回答信息为，帧头｜仪器号｜CG｜校验码｜帧尾。其中，CG为接收正确信息，占 1 个字节。

3）校时命令帧。后端通信模块向前端通信模块发出的校时命令为，帧头｜仪器号｜XS｜时、分｜秒、 % 秒｜校验码｜帧尾。其中，XS 为校时命令，占 1 个字节；时、分值表示时钟的小时和分钟值，占 2 个字节；秒、% 秒表示时钟的秒和 1/100 秒值，占 2 个字节。

传感器节点模块收到命令后的回答信息为，帧头｜仪器号｜CG｜校验码|帧尾。其中，CG 为校时成功信息，占 1 个字节。

后端通信模块发出的参数设置命令为，帧头｜仪器号｜CS｜类别｜参数｜校验码｜帧尾。其中，CS 为参数设置命令，占 1 个字节；类别为参数设置所对应的内容，占 1 个字节，7 种参数类别指，1 为日期，参数格式为月、日，2 为采集间隔时间，参数格式为时、分，3 为数据修正参数，参数格式为****，4 为通信模块上电工作周期，参数格式为时、分，5 为数据存储间隔时间，参数格式为时、分，6 为基准数据，参数格式为 ****，7 为通信模块地址，参数格式为 00**；参数为所设置的内容，每个参数占 2 个字节。

传感器节点模块收到命令后的回答信息为，帧头｜仪器号｜校验码|帧尾。其中，SZ 为设置成功信息，占 1 个字节。

5 结语

基于 MSP430 的无线传感网络通信系统，应用低成本的 RF 技术，不但满足水文监测所要求的准确性、可靠性和实时性等要求，而且相对其他的监测方式更加灵活方便，开发成本较低。系统低功耗的特点完全适用于灌区的无线传感网络，前端和后端节点的相似设计也便于系统的维护工作，传感器节点的多接口功能可为系统模块的多领域应用提供可能。同时灌区无线传感网络的实时监控为现代化的农业灌溉水资源利用率低下的问题提供了一定的解决方法。

[1] 黄红. 我国水资源利用现状及对策分析[J]. 江西化工，2011 (1): 207-208.

[2] 司海飞，杨忠，王珺. 无线传感器网络研究现状与应用[J]. 机电工程，2011 (1): 16-20, 37.

[3] 崔政委，汪焰恩，魏生民，等. 基于单片机和 nRF905SE的无线射频收发模块的系统设计[J]. 机械与电子，2011 (6): 19-22.

[4] 李文仲，段朝玉. 短距离无线数据通信入门与实践[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2006: 10-16.

[5] 冯友兵，张荣标，沈敏. 面向精确灌溉的无线传感器网络构建[J]. 农业机械学报，2009 (1): 56-59.

Design of Wireless Sensor Point to Point Communication System in Irrigated Area based on MSP430

TANG Yueping1,2, BAO Junning3, ZHANG Zhijian1,2, ZHU jie1,2, ZHIYongming1,2

(1. Nanjing Automation Institute of Water Conservancy and Hydrology, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China；
2. Research Center on Hydrology and Water Resources Monitoring of the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China;
3. College of Computer and Information of Hohai University, Nanjing 210098, China)

To change the status of water utilization rate of China's traditional agricultural low, according to problems of complex wiring facing by modern irrigation monitoring, trouble of installation maintenance and other issues, based on MSP430 MCU as the core, SI4463 as a radio frequency chip, combined with power supply, storage and data acquisition module, it designs a wireless sensor communication system for irrigation smart monitoring system. Simple clock synchronization design and transmission protocol make the system more efficient for data transmission. According to the environment of irrigation area of temperature, rainfall, soil moisture content, the system has different sensor acquisition circuits used in acquisition and transmission. It is the intelligent monitoring system communication module meeting the hydrological monitoring requirements.

wireless sensor network; point to point communication; communication system; irrigation monitoring; water-saving irrigation; MSP430

S27

A

1674-9405(2015)04-0029-06

2015-03-30

基于物联网的智能农业灌区关键技术研究 (201301014)

唐跃平（1961－），男，江苏丹阳人，高级工程师，主要研究方向为水利信息化。