無線溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計研究

熊辰念　閆東方

摘要：該文依據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的設(shè)計理念，設(shè)計了一種基于DS18B20溫度傳感器和nRF905射頻模塊的無線溫度傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，提出了一種節(jié)點編碼方式，并通過匯聚節(jié)點將信息傳輸?shù)娇蛻舳?，客戶端可以無線監(jiān)測不同區(qū)域內(nèi)溫度變化情況。

關(guān)鍵詞：節(jié)點；溫度傳感器；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；無線模塊；溫度監(jiān)測

中圖分類號：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）13-0053-02

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[1]的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它通常包括匯聚節(jié)點和普通節(jié)點。監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點能夠按照通訊方式傳輸數(shù)據(jù)，匯聚節(jié)點接收數(shù)據(jù)傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)或衛(wèi)星，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或移動網(wǎng)絡(luò)到達(dá)管理節(jié)點，即客戶端。用戶通過客戶端對傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)和收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用在智能農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療健康中，例如將無線溫度傳感器節(jié)點撒布在溫室大棚、森林、病房中，及時獲取相應(yīng)區(qū)域溫度變化，在有效實時防控災(zāi)害方面具有重大意義。因此本文依據(jù)無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計方法，設(shè)計了無線溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。

1 無線溫度傳感節(jié)點模塊設(shè)計

1.1溫度采集模塊

本文依據(jù)設(shè)計需要，溫度測量精度要求為0.5 °C，因此本文選用DS18B20溫度傳感器[2]模塊，模塊的硬件電路圖如圖2所示

DS18B20溫度模塊特性

DS18B20的主要特征：①全數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換及輸出。②先進(jìn)的單總線數(shù)據(jù)通信。③最高12位分辨率，精度可達(dá)土0.5攝氏度。④12位分辨率時的最大工作周期為750毫秒。

DS18B20引腳功能：GND-電壓地，DQ-單數(shù)據(jù)總線 、VDD-電源電壓

1.2 無線收發(fā)模塊設(shè)計

根據(jù)應(yīng)用需要，無線模塊[3-4]傳輸距離為500m左右，本文因此選用nRF905 芯片，它是單片射頻收發(fā)器。芯片工作電DC1.9～3.6V，工作在433/868/915MHz 三個ISM 頻段，頻段之間收發(fā)模式切換時<650us。引腳示意圖如圖3所示。

數(shù)據(jù)傳輸接口由SCK、MISO、MOSI以及 CSN組成。

模式控制接口：控制低功耗的PWR_UP、控制正常工作TX_EN、選擇發(fā)送還是接受方式的TRX_CE，在nRF905無線收發(fā)模塊應(yīng)用中應(yīng)該注意的問題是頻率配置寄存器內(nèi)容，頻率配置寄存器包括10個二進(jìn)制位，如表1所示，

頻率計算公式如下：

其中是射頻信號頻率，單位為MHZ， 是設(shè)置通道頻差參數(shù)，當(dāng)=0時，通道頻差100kHz，當(dāng)=1時，通道頻差200kHz，設(shè)置工作頻率參數(shù)，由9位二進(jìn)制位組成。

1.3 無線溫度傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點

由于溫室大棚、育嬰室及孵化室24小時實時監(jiān)控每一個節(jié)點位置的溫度，節(jié)點需要低功耗微處理器，通過對比其他微處理器選用MSP430F123微處理器，使用電池盒為供電電源，圖4所示為節(jié)點實物圖。

2 無線溫度傳感節(jié)點通訊

根據(jù)應(yīng)用要求本文所設(shè)計的節(jié)點并不需要嚴(yán)格定位，只需要動態(tài)監(jiān)視固定范圍內(nèi)的溫度變化，為了降低成本及簡化開發(fā)復(fù)雜程度，對普通節(jié)點編碼，即對每一個節(jié)點編號，匯聚節(jié)點不停地接受普通節(jié)點發(fā)出的信號并解碼，判斷節(jié)點號，如圖5所示，然后匯聚節(jié)點將溫度信息無線發(fā)送給客戶端，客戶端可以根據(jù)需要將相關(guān)信息發(fā)送到移送終端。同時也可以通過客戶端將命令信號發(fā)送給將匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點將命令發(fā)送到普通節(jié)點。匯聚節(jié)點與單一普通節(jié)點通信過程中是通過握手信號實現(xiàn)的，即匯聚節(jié)點與單一普通節(jié)點通信時首先檢測是否是命令信號還是數(shù)據(jù)包信號，如果是數(shù)據(jù)包繼續(xù)發(fā)送，如果是命令信號停止發(fā)送數(shù)據(jù)包，配置節(jié)點。

3 上位機程序開發(fā)

客戶端上位機程序是在Visual Studio 2005環(huán)境下開發(fā)的，選用的畫圖控件是TeeChart Pro [5]。在開發(fā)上位機繪圖軟件時需要安裝該控件，并進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。

在上位機溫度監(jiān)控界面開發(fā)過程中，主要是對匯聚節(jié)點發(fā)送的溫度數(shù)據(jù)接收，然后把接收的數(shù)據(jù)通過控件中的AddXY函數(shù)顯示在監(jiān)控界面中，監(jiān)控界面如圖6所示。在監(jiān)控界面中可以設(shè)置監(jiān)控區(qū)域，并以不同的曲線代表不同的監(jiān)測區(qū)域。如圖6所示是檢測區(qū)域1和區(qū)域2的溫度變化曲線。

4 結(jié)論

本文通過對無線溫度傳感網(wǎng)路節(jié)點模塊的設(shè)計，實現(xiàn)溫度的無線收發(fā)。設(shè)計匯聚節(jié)點與普通節(jié)點之間的無線通訊方式，并開發(fā)上位機程序，最終能夠?qū)崟r監(jiān)控不同區(qū)域的溫度值，監(jiān)測溫度精度為0.5°。通過試驗驗證，本文研究的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點監(jiān)控系統(tǒng)能夠應(yīng)用在監(jiān)測半徑為500m的區(qū)域內(nèi)。

參考文獻(xiàn)：

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