基于無線傳感器網(wǎng)絡的環(huán)境溫度監(jiān)測系統(tǒng)設計

郭建廣，賈進瀅，黃建剛，黃 勇

(湖北民族學院 信息工程學院，湖北 恩施 445000)

傳統(tǒng)的溫度數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)大多是通過有線傳輸方式來完成對環(huán)境監(jiān)測區(qū)域內(nèi)溫度數(shù)據(jù)的采集.主要存在布線困難、測量成本較高、系統(tǒng)容錯性差、數(shù)據(jù)采集精度低等一系列問題.另外，由于整個系統(tǒng)能耗較大，需要定期檢測系統(tǒng)的供電狀況，導致在危險監(jiān)測區(qū)域的應用十分不便[1].

無線傳感器網(wǎng)絡(wireless sensor network，簡稱WSN)是由低功耗、低成本、微型化網(wǎng)絡節(jié)點構(gòu)成的無線通信網(wǎng)絡，通過布置密集的傳感器節(jié)點，實時地感知、采集監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的各種信息，通過對信息的處理，使用戶終端獲得相關數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)對特定區(qū)域的監(jiān)測.傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡主要優(yōu)勢在：①網(wǎng)絡采用無線通信方式減少了布線投入、降低了系統(tǒng)維護難度、由于成本低，大面積傳感器節(jié)點的布設成為可能；②監(jiān)測區(qū)域內(nèi)節(jié)點布置密集，可對同一個監(jiān)測點進行多次測量，通過數(shù)據(jù)融合可以提高監(jiān)測精度；③傳感器節(jié)點設計有擴展端口，可以通過不同類型的傳感器采集具有不同特征的數(shù)據(jù)；④無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡中，可以隨時刪除無效節(jié)點、加入新的節(jié)點而不對原有系統(tǒng)造成影響[2].

本系統(tǒng)采用單片機技術、傳感器技術以及無線通信技術相結(jié)合實現(xiàn)傳感器采集節(jié)點在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)構(gòu)成網(wǎng)絡，采集所需溫度數(shù)據(jù)，并實時將所采集的數(shù)據(jù)傳送給匯聚節(jié)點，使用戶通過匯聚節(jié)點得到所需的溫度數(shù)據(jù).本文將從低功耗、低成本、微型化方面闡述一種基于無線傳感器網(wǎng)絡的環(huán)境溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設計.

圖1 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)框圖

1 系統(tǒng)總體設計

基于無線傳感器網(wǎng)絡的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示[3].分布在監(jiān)測區(qū)域的采集節(jié)點將所采集的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給相鄰的采集節(jié)點，然后將所采集的數(shù)據(jù)進行融合后并由多跳路由協(xié)議再轉(zhuǎn)發(fā)給靠近采集節(jié)點的匯聚節(jié)點，這樣匯聚節(jié)點能夠接收到采集區(qū)域內(nèi)的環(huán)境溫度信息.

本系統(tǒng)主要實現(xiàn)采集節(jié)點對環(huán)境中溫度的采集和處理、采集節(jié)點與匯聚節(jié)點間的通信、匯聚節(jié)點對數(shù)據(jù)的存儲與顯示.系統(tǒng)的硬件部分主要由8個采集節(jié)點和1個匯聚節(jié)點組成.采集節(jié)點(如圖2)是由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸和電源管理4大模塊組成.匯聚節(jié)點(如圖3)主要由無線通信模塊、微控制器、能量供應模塊、鍵盤和LCD顯示等5部分組成[4].

圖2 采集節(jié)點結(jié)構(gòu)圖 圖3 匯聚節(jié)點結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)軟件采用模塊化編程，包括數(shù)據(jù)采集與處理程序、無線收發(fā)程序、數(shù)據(jù)顯示程序.流程圖如下：

圖4 采集節(jié)點主程序流程圖 圖5 匯聚節(jié)點主程序流程圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 傳感器模塊

傳感器模塊是無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)采集模塊.傳感器可分為數(shù)字式和模擬式2種.在無線傳感器網(wǎng)絡中由于其節(jié)點多為電池供電，所以要求傳感器體積小、功耗低、外圍電路簡單.故采用DALLAS公司的一線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20，該芯片的引腳簡單，無需任何外圍電路即可方便地進行溫濕度測量，與單片機交換信息僅需一個I/0口.其工作電壓為3～3.5 v,測溫范圍為-55～125℃，在-10～85℃時測溫精度為士0.5℃[5].由于Atmega128L的所有端口引腳都具有與電壓無關的上拉電阻，所以只需1個I/O口即可控制DS18B20，這里選擇PF0作為數(shù)據(jù)端，電路圖如圖6所示.

圖6 DS18B20電路圖

圖7 匯聚節(jié)點電路圖

2.2 處理器模塊

處理器模塊是傳感器節(jié)點中核心部件，節(jié)點的功能實現(xiàn)、數(shù)據(jù)處理、工作狀態(tài)、任務調(diào)度、通信協(xié)議等都由其實現(xiàn)，所以處理器的選擇在節(jié)點的硬件設計中極為重要.處理器的選擇應該滿足以下條件:低成本、尺寸小、低功耗、集成度高、處理速度快.故選擇高檔低功耗的8位AVR系列單片機ATmegal28L[6]，該芯片比較適合作為無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的微處理器.其在本設計中部分原理圖如圖7所示.

2.3 無線通信模塊

無線通信模塊要同時具有對信號發(fā)送和接收的功能.其發(fā)送電路應將處理器模塊處理的信號經(jīng)過D/A后，再將頻率較低的基帶信號調(diào)制成頻率較高的已調(diào)信號，放大后從天線發(fā)送出去；信號接收電路應將天線接收到的高頻信號先經(jīng)放大、解調(diào)、濾波后還原為基帶信號，最后通過A/D轉(zhuǎn)換傳送給MCU.信號收發(fā)模塊應該符合以下要求：集成度要盡量高，功耗小，合理的調(diào)制方式.故采用Chipcon公司的CC2420，它采用貼片封裝，體積微小功能強大.CC2420內(nèi)部具有集成的壓控振蕩器，電路設計簡單，只需要天線、晶體振蕩器等較少的元器件構(gòu)成芯片外圍電路(如圖8)，就能工作在2.4 GHz的頻段上；CC2420的選擇性和敏感性較好，均超過了IEEE802.15.4標準的要求，確保了短距離通信的有效性及可靠性；CC2420與微處理器ATmegal28L連接簡單，僅需通過SPI接口(SI、SO、SCLK、CSn)就能完成芯片初始化設置和數(shù)據(jù)收發(fā)的控制，并實現(xiàn)對緩存器的讀寫和狀態(tài)寄存器的讀寫操作[7].

2.4 電源管理模塊

電源模塊主要是由電池構(gòu)成，該模塊負責為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量.無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點大多工作在比較惡劣的環(huán)境中，所以常采用電池供電，且一般不予更換.而本監(jiān)測系統(tǒng)都是從節(jié)能方向去考慮.ATmegal28L可以通過軟件編程或硬件復位實現(xiàn)其6種不同等級的休眠模式；CC2420也擁有休眠模式，且休眠模式能耗極低.特殊狀態(tài)下電流的典型值為：關閉穩(wěn)壓器(0.02 μA)、低電位(20 μA)、空閑(426 μA).因此，本系統(tǒng)從硬件設計的角度考慮了低功耗問題，盡量延長傳感器網(wǎng)絡的壽命.

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 溫度控制軟件

本程序采用C語言編寫，編程環(huán)境為Iccavr7，軟件仿真和在線調(diào)試平臺為AvrStudio4.10，并通過AVRUSB JTAG燒寫到Atmegal28L中.溫度采集控制：先設置檢測18B20是否損壞標志、檢測溫度正負標志以及存放各位數(shù)據(jù)的數(shù)組，然后編寫芯片控制的初始化程序，再按照芯片時序圖寫好讀數(shù)據(jù)子程序，再寫按位讀取溫度子程序.溫度顯示控制：本系統(tǒng)采用LCD1602顯示，同樣需要包含查忙、寫數(shù)據(jù)、寫命令、初始化、定位函數(shù)、顯示數(shù)據(jù)、顯示字符等.

圖8 CC2420外圍接口電路

3.2 無線收發(fā)控制軟件

無線通信程序主要包括SPI初始化，CC2420初始化，CC2420驅(qū)動等.CC2420的收發(fā)訪問控制主要通過兩個FIFO緩存區(qū)寄存器完成的.CC2420的數(shù)據(jù)發(fā)送程序主要是根據(jù)IEEE802.15.4協(xié)議對數(shù)據(jù)進行封裝處理，然后利用SPI驅(qū)動完成.CC2420的數(shù)據(jù)接收主要是在清除緩存區(qū)RXFIFO，打開接收命令后持續(xù)檢測SFD引腳兩次采樣是否有下降沿跳變出現(xiàn).

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

為檢驗本監(jiān)測系統(tǒng)方案的可行性以及系統(tǒng)能否正常工作，測試了15組數(shù)據(jù)(如表1).在10～50℃內(nèi)，監(jiān)測系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)與溫度計所測得的數(shù)據(jù)基本上相差小于等于0.5℃，這對于環(huán)境中溫度采集系統(tǒng)來說是可以接受的，故本方案可行.

表1 測試數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)實現(xiàn)了傳感器網(wǎng)絡對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的環(huán)境溫度進行遠程采集，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并預留了擴展接口以便對環(huán)境中其他信息的采集(如壓力、濕度等).整個系統(tǒng)具有低功耗、低成本、微型化的優(yōu)點，可以廣泛應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場.從系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，可以看到，無線傳感器網(wǎng)絡可以為用戶提供智能而準確的信息.

基于無線傳感器網(wǎng)絡技術的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)在性能和成本上都具有很大的優(yōu)勢[8]，它能廣泛應用于軍事、醫(yī)療護理、智能家居、城市交通、空間探索等領域.

參考文獻：

[1]曹明華.基于無線傳感器網(wǎng)絡的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計與應用[D].蘭州:蘭州理工大學,2009.

[2]李忠誠.基于無線傳感器網(wǎng)絡的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設計[J].計算機測量與控制,2008，16(7):929-931.

[3]何科奭,馬正華.無線傳感器網(wǎng)絡在環(huán)境監(jiān)測中的應用[J].環(huán)境監(jiān)測管理與技術,2009，21(4):60-62.

[4]毛會瓊,陳世海,范建國，等.基于無線傳感器網(wǎng)絡的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計[J].工礦自動化,2009，30(8):119-121.

[5]楊慶.蔬菜大棚多點溫度測控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].湖北民族學院學報:自然科學版,2008,26(2):187-189.

[6]李紹武.基于AVR單片機的風能太陽能控制器設計[J].湖北民族學院學報:自然科學版,2010,28(2):174-176.

[7]董挺挺,沙超,王汝傳.基于CC2420的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的設計[J].電子工程師,2007，33(4):67-70.

[8]宋文,王兵,周應賓,等.無線傳感器網(wǎng)絡技術與應用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006:21-27.