面向樓宇自控的傳感器網(wǎng)絡節(jié)點硬件設計研究

摘 要：無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)與傳統(tǒng)的有線傳感器網(wǎng)絡相比，具有耗資小、安裝方便、維護和更新費用低等優(yōu)勢，非常適合用于布線困難的區(qū)域、人員不能到達的區(qū)域和一些臨時場合狀況的遠程監(jiān)測。該設計針對樓宇系統(tǒng)特點，采取新一代自動采集數(shù)據(jù)技術(shù)-無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)，提出無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點設計方案。該方案采用STC89C51微處理器和無線射頻芯片RF2401設計并實現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點。通過無線通信傳遞給遠程匯聚節(jié)點并與上位機通信，得以實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)采集監(jiān)測，提高了監(jiān)控的安全性與實時性，實現(xiàn)網(wǎng)絡遠程監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：傳感器網(wǎng)絡；網(wǎng)絡節(jié)點；樓宇監(jiān)控；數(shù)據(jù)采集

1 概述

隨著微機電系統(tǒng)、無線通信和低功耗嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，孕育出了無線傳感器網(wǎng)絡，其以低功耗、低成本、分布式和自組織的特點帶來了信息感知的一場變革。樓宇自控傳感器網(wǎng)絡就是由許多這些傳感器節(jié)點協(xié)同組織起來，節(jié)點可以隨機或者特定地布置在目標環(huán)境中，它們之間通過特定協(xié)議自組織起來，能夠獲取周圍環(huán)境的信息并且協(xié)同工作完成特定任務。

課題研究背景及意義：未來的樓宇將會充滿各種各樣的智能設備。樓宇控制網(wǎng)絡中的傳感器、執(zhí)行器、閥門等都是智能的，樓宇的基礎設施能無縫隙的將數(shù)據(jù)網(wǎng)和控制網(wǎng)連接起來，形成整體的樓宇網(wǎng)絡。

隨著社會信息化進程的速度加快，無線傳感器網(wǎng)絡憑借其微型性、低成本、靈活性為樓宇系統(tǒng)的跟蹤、監(jiān)控、管理等提供了技術(shù)支撐。本設計針對樓宇環(huán)境中溫度這一參數(shù)，設計無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點，通過無線通信將采集到的信息傳遞給遠程匯聚節(jié)點并與上位機通信，實現(xiàn)溫度的遠程監(jiān)測，避免人員進入的不安全性和采集數(shù)據(jù)不及時不準確的缺陷。

2 樓宇自控傳感器網(wǎng)絡節(jié)點設計

樓宇傳感器網(wǎng)絡節(jié)點設計由下列部件構(gòu)成：低功耗微控制器STC89C51、低功耗無線收發(fā)芯片RF2401、5V穩(wěn)壓電源以及傳感器。

（1）普通節(jié)點：在微處理器的控制下，傳感器采集數(shù)據(jù)經(jīng)過合理的打包由射頻模塊發(fā)射給匯聚節(jié)點。

（2）匯聚節(jié)點：主要是創(chuàng)建網(wǎng)絡、及實現(xiàn)程序定義的匯聚任務。

普通節(jié)點通常是一個微型的嵌入式系統(tǒng)。從網(wǎng)絡功能上看，每個普通節(jié)點既具有傳統(tǒng)網(wǎng)絡節(jié)點的終端功能，又兼具有路由器的功能。除了要進行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外，還要對其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進行存儲、管理和融合等處理。一個普通節(jié)點通常由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊四部分組成。

3 樓宇自控傳感器網(wǎng)絡節(jié)點功能模塊的設計與實現(xiàn)

樓宇自控傳感器網(wǎng)絡一般由數(shù)據(jù)處理單元、射頻收發(fā)單元、傳感單元以及電源組成，器件的選擇主要包括微控制器、射頻收發(fā)器以及傳感器件的選擇。

3.1 微處理器的選擇

微處理器是普通節(jié)點的核心，在選擇時，必須滿足體積小、集度高、功耗低且支持睡眠模式、速度足夠快、成本盡量低等幾個要求。該設計的微處理器采用STC89C51單片機。

STC89C51是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。它與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。

3.2 射頻芯片的選擇

本設計采用nRF2401單片射頻發(fā)射器芯片，工作于2.4～2.5GHzISM頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。

3.3 傳感器選擇

傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測量電路等部分組成，如圖1所示。

傳感器的選擇主要從它的準確性、可靠性、穩(wěn)定性和價格上考慮。該設計采用DS18B20溫度傳感器。

DS18B20最新單線數(shù)字溫度傳感器，它的體積更小、適用電壓更寬、更經(jīng)濟，測量溫度范圍為-55～+125℃，在-10～+85℃范圍內(nèi)，精度為-0.5℃，現(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量。

3.4 硬件功能模塊

3.4.1 數(shù)據(jù)采集、通信模塊

普通節(jié)點采集溫度數(shù)據(jù)采用的是DS18B20，其數(shù)字溫度計提供9位（二進制）溫度讀數(shù)指示器件的溫度信息經(jīng)過單線接口送入DSl8B20或從DSl8B20送出，因此MCU到DSl8B20僅需一條線。樓宇自控傳感器網(wǎng)絡是由普通節(jié)點和匯聚節(jié)點按照某種拓撲結(jié)構(gòu)組成的。普通節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，匯聚節(jié)點要實現(xiàn)控制以及在計算機上顯示數(shù)據(jù)的功能，考慮到數(shù)據(jù)傳輸速度，采用的是RS-232c串口工具。

3.4.2 電源功能模塊

電源是傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的生命之柱，由于無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點可工作在危險倉儲系統(tǒng)，由于人員不能到達和布線困難的特點，所以大多只能采用電池供電，且一般不可能更換電池。單片機應以最快的速度執(zhí)行任務，一旦有可能就進入節(jié)能模式。在節(jié)能模式中，通過管理電路，將除單片機以外的器件的供電切斷。進入節(jié)能模式后，如果監(jiān)控中心需要訪問該節(jié)點，則通過射頻收發(fā)模塊喚醒該節(jié)點的單片機。

4 總結(jié)與展望

該設計選用了DS18B20溫度傳感器實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，選用了STC89C51微處理器和RF2401模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和發(fā)送。所組建的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)具有功耗低，數(shù)據(jù)采集可靠，體積小，成本低等優(yōu)點。并可以通過增加一定的傳感器，設計功能強大的節(jié)點應用軟件，加強網(wǎng)絡系統(tǒng)的功能，實現(xiàn)更智能化的樓宇自動化控制。

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