基于STC單片機(jī)及SI4432的無線傳感網(wǎng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

杜強(qiáng)

摘 要：文章介紹了無線傳感網(wǎng)的一些相關(guān)概念，提出了一種基于STC單片機(jī)和SI4432無線傳感器的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方案。同時(shí)重點(diǎn)介紹了這套方案的設(shè)計(jì)目的、設(shè)計(jì)原理、系統(tǒng)的組成、硬件的選用、整體方案、主機(jī)節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)、上位軟件程序流程及其應(yīng)用領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了從數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)處理的一個(gè)完整無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：STC單片機(jī)；無線傳感網(wǎng)；SI4432；傳感器；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TN91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）33-0006-02

1 設(shè)計(jì)目的

無線傳感網(wǎng)又稱無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN），是一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，它由傳感器、感知主體以及觀察都共同構(gòu)成，一般組網(wǎng)方式為在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部署數(shù)量較多的低價(jià)微型傳感器作為感知節(jié)點(diǎn)，用于采集數(shù)據(jù)，再通過無線網(wǎng)絡(luò)連接進(jìn)行通信，構(gòu)成一個(gè)多跳的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

本系統(tǒng)是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)特定區(qū)域和各種復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行如溫濕度、有害氣體等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的特定范圍內(nèi)的目標(biāo)監(jiān)測，從而可以很大程度上的節(jié)約人力資源和物力資源，以達(dá)到提高管理水平和決策效率的目標(biāo)。

2 設(shè)計(jì)原理

系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成，硬件系統(tǒng)以STC15F2K61S2單片機(jī)及SI4432無線模塊為核心，結(jié)合SHT10溫濕度傳感器、MQ2氣體傳感器組成，軟件部分以C++語言編寫，數(shù)據(jù)保存在Access數(shù)據(jù)庫上，同時(shí)以一個(gè)負(fù)責(zé)與上位軟件計(jì)算機(jī)通信的主機(jī)節(jié)點(diǎn)和多個(gè)采集數(shù)據(jù)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)模塊共同組成監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

3 整體設(shè)計(jì)方案

方案在硬件CRC校檢的同時(shí)又可以通過軟件校檢，大大地降低了誤碼率，提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。同時(shí)采用通信線路容量較大的FSK通信模式，此模式可以在一個(gè)鏈路頻率上輸出多路獨(dú)立信號(hào)，極大地提高了傳輸效率，還可以通過對(duì)發(fā)送次數(shù)的控制，使此方案具有了自動(dòng)轉(zhuǎn)換鏈路功能，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

并將溫濕度傳感器、氣體溶度檢測器等傳感器節(jié)點(diǎn)通過基于SI4432無線模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)了高效率的、高模塊化的的無線傳感器組網(wǎng)。

通過自主編寫的PC機(jī)上位軟件發(fā)布指令自動(dòng)獲取各監(jiān)測移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)保存在專門的Access數(shù)據(jù)庫上，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)繪制變化曲線，從而實(shí)時(shí)的對(duì)數(shù)據(jù)監(jiān)測功能。監(jiān)測動(dòng)態(tài)拓?fù)鋱D，如圖1所示。

4 局部設(shè)計(jì)過程

4.1 主機(jī)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)

主機(jī)節(jié)點(diǎn)主要起數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的橋梁作用，以STC15F2K60S2單片機(jī)為主控芯片并通過Si4432射頻模塊接收移動(dòng)節(jié)點(diǎn)傳輸來的數(shù)據(jù)，并通過射頻模塊所提供的串口用USB串口接線連接到PC上位軟件計(jì)算機(jī)上，這樣再通過上位軟件編寫的數(shù)據(jù)操縱功能將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)存入ACCESS數(shù)據(jù)庫，同時(shí)通過動(dòng)態(tài)圖形GUI曲線實(shí)時(shí)的顯示在PC機(jī)上，動(dòng)態(tài)體現(xiàn)數(shù)據(jù)的變化，從而達(dá)到數(shù)據(jù)監(jiān)測的目的，如果采用特定領(lǐng)域的專業(yè)軟件還可以實(shí)現(xiàn)更加高級(jí)的分析。此外在主機(jī)節(jié)點(diǎn)上配置了一塊1602LCD液晶屏，用來對(duì)溫濕度、氣體濃度的實(shí)時(shí)顯示，這樣便于管理員進(jìn)行直觀的觀察。主機(jī)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的原理圖，如圖2所示。

4.2 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)

動(dòng)節(jié)點(diǎn)以傳感器為核心，是監(jiān)測系統(tǒng)的觸角，是數(shù)據(jù)采集的主要設(shè)備。這里主要使用溫濕度傳感器和氣體傳感器兩類傳感器，每類傳感器各一個(gè)共同構(gòu)成一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)實(shí)際監(jiān)測環(huán)境的需要在不同的區(qū)域安裝若干個(gè)，以提高原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。每個(gè)節(jié)點(diǎn)完成特定環(huán)境內(nèi)的溫濕度、有害氣體的數(shù)據(jù)采集后，通過Si4432射頻模塊進(jìn)行無線通信，將原始數(shù)據(jù)發(fā)送到主機(jī)節(jié)點(diǎn)上。當(dāng)前的Si4432型射頻模塊的無障礙最高傳輸距離可達(dá)300 m，穿兩磚墻后的實(shí)測傳輸距離也達(dá)到了200 m，基本上能滿足實(shí)際部署的需要。如圖3所示。

4.3 上位軟件程序設(shè)計(jì)

上位軟件的編寫采用C++語言，主要由主機(jī)節(jié)點(diǎn)程序塊和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)程序塊以及數(shù)據(jù)處理和曲線繪制三個(gè)部分組成。這里主要研究前面兩個(gè)部分，對(duì)數(shù)據(jù)處理和曲線繪制部分不做說明。

主機(jī)節(jié)點(diǎn)對(duì)LCD、SI模塊以及I/O設(shè)備進(jìn)行初始化后，在一定時(shí)間的發(fā)送次數(shù)內(nèi)，主機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)出測量指令給移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收到指令后開始采集數(shù)據(jù)并以字符串類型的數(shù)據(jù)格式返回給主機(jī)節(jié)點(diǎn)，這樣便完成了一個(gè)測量周期，通過循環(huán)可以按預(yù)設(shè)的時(shí)間對(duì)環(huán)境進(jìn)行反復(fù)的監(jiān)測。在一個(gè)周期內(nèi)，主機(jī)節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)顯示到LCD1602液晶屏的同時(shí)，通過USB串口連接線將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。如圖4所示。

移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的工作流程如下：首先，完成對(duì)SHT傳感器以及STC單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器初始化，然后，從溫濕度傳感器和氣體傳感器中讀取原始數(shù)據(jù)，如果檢測到主機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的檢測指令，則將數(shù)據(jù)以字符串的格式通過Si4432無線模塊發(fā)送給主機(jī)結(jié)點(diǎn)。如圖5所示。

5 總結(jié)與應(yīng)用范圍

本方案將現(xiàn)代通信技術(shù)、微處理器技術(shù)、軟件技術(shù)以及傳感器技術(shù)有機(jī)的融為一體，完成了從數(shù)據(jù)采集到通信傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理的完整監(jiān)測過程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)特定環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能，具備數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率高、傳輸速度快、模塊化程度高、經(jīng)濟(jì)實(shí)用性強(qiáng)、組網(wǎng)速度快等特點(diǎn)?？蓮V泛用于蔬菜大棚、學(xué)校機(jī)房監(jiān)控、城市環(huán)境監(jiān)控、家庭室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控、醫(yī)療機(jī)構(gòu)環(huán)境監(jiān)控以及對(duì)環(huán)境因素比較敏感的生產(chǎn)車間如化工廠、陶瓷廠、紙廠、紡織廠、印刷廠等車間監(jiān)測，具有較大的實(shí)用和推廣價(jià)值。

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