郭建廣，賈進(jìn)瀅，黃建剛，黃 勇

(湖北民族學(xué)院 信息工程學(xué)院，湖北 恩施 445000)

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

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor network，簡(jiǎn)稱WSN)是由低功耗、低成本、微型化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的無線通信網(wǎng)絡(luò)，通過布置密集的傳感器節(jié)點(diǎn)，實(shí)時(shí)地感知、采集監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的各種信息，通過對(duì)信息的處理，使用戶終端獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定區(qū)域的監(jiān)測(cè).傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)主要優(yōu)勢(shì)在：①網(wǎng)絡(luò)采用無線通信方式減少了布線投入、降低了系統(tǒng)維護(hù)難度、由于成本低，大面積傳感器節(jié)點(diǎn)的布設(shè)成為可能；②監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)布置密集，可對(duì)同一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行多次測(cè)量，通過數(shù)據(jù)融合可以提高監(jiān)測(cè)精度；③傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)有擴(kuò)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(cè)網(wǎng)絡(luò)中，可以隨時(shí)刪除無效節(jié)點(diǎn)、加入新的節(jié)點(diǎn)而不對(duì)原有系統(tǒng)造成影響[2].

本系統(tǒng)采用單片機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)以及無線通信技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)傳感器采集節(jié)點(diǎn)在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，采集所需溫度數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)將所采集的數(shù)據(jù)傳送給匯聚節(jié)點(diǎn)，使用戶通過匯聚節(jié)點(diǎn)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(luò)的環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì).

圖1 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1所示[3].分布在監(jiān)測(cè)區(qū)域的采集節(jié)點(diǎn)將所采集的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給相鄰的采集節(jié)點(diǎn)，然后將所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)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(diǎn)的匯聚節(jié)點(diǎn)，這樣匯聚節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)采集節(jié)點(diǎn)對(duì)環(huán)境中溫度的采集和處理、采集節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)間的通信、匯聚節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與顯示.系統(tǒng)的硬件部分主要由8個(gè)采集節(jié)點(diǎn)和1個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)組成.采集節(jié)點(diǎn)(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(diǎn)(如圖3)主要由無線通信模塊、微控制器、能量供應(yīng)模塊、鍵盤和LCD顯示等5部分組成[4].

圖2 采集節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖 圖3 匯聚節(jié)點(diǎn)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(diǎn)主程序流程圖 圖5 匯聚節(jié)點(diǎn)主程序流程圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器模塊

傳感器模塊是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)中由于其節(jié)點(diǎn)多為電池供電，所以要求傳感器體積小、功耗低、外圍電路簡(jiǎn)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(jiǎn)單，無需任何外圍電路即可方便地進(jìn)行溫濕度測(cè)量，與單片機(jī)交換信息僅需一個(gè)I/0口.其工作電壓為3～3.5 v,測(cè)溫范圍為-55～125℃，在-10～85℃時(shí)測(cè)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(guān)的上拉電阻，所以只需1個(gè)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(diǎn)電路圖

2.2 處理器模塊

處理器模塊是傳感器節(jié)點(diǎn)中核心部件，節(jié)點(diǎn)的功能實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)處理、工作狀態(tài)、任務(wù)調(diào)度、通信協(xié)議等都由其實(shí)現(xiàn)，所以處理器的選擇在節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)中極為重要.處理器的選擇應(yīng)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(jī)ATmegal28L[6]，該芯片比較適合作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的微處理器.其在本設(shè)計(jì)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(shí)具有對(duì)信號(hào)發(fā)送和接收的功能.其發(fā)送電路應(yīng)將處理器模塊處理的信號(hào)經(jīng)過D/A后，再將頻率較低的基帶信號(hào)調(diào)制成頻率較高的已調(diào)信號(hào)，放大后從天線發(fā)送出去；信號(hào)接收電路應(yīng)將天線接收到的高頻信號(hào)先經(jīng)放大、解調(diào)、濾波后還原為基帶信號(hào)，最后通過A/D轉(zhuǎn)換傳送給MCU.信號(hào)收發(fā)模塊應(yīng)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(qiáng)大.CC2420內(nèi)部具有集成的壓控振蕩器，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(jiǎn)單，僅需通過SPI接口(SI、SO、SCLK、CSn)就能完成芯片初始化設(shè)置和數(shù)據(jù)收發(fā)的控制，并實(shí)現(xiàn)對(duì)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(fù)責(zé)為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(cè)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(fù)位實(shí)現(xiàn)其6種不同等級(jí)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(guān)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(shè)計(jì)的角度考慮了低功耗問題，盡量延長(zhǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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(tái)為AvrStudio4.10，并通過AVRUSB JTAG燒寫到Atmegal28L中.溫度采集控制：先設(shè)置檢測(cè)18B20是否損壞標(biāo)志、檢測(cè)溫度正負(fù)標(biāo)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(shí)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(dòng)等.CC2420的收發(fā)訪問控制主要通過兩個(gè)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝處理，然后利用SPI驅(qū)動(dòng)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(cè)SFD引腳兩次采樣是否有下降沿跳變出現(xiàn).

4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

為檢驗(yàn)本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案的可行性以及系統(tǒng)能否正常工作，測(cè)試了15組數(shù)據(jù)(如表1).在10～50℃內(nèi)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)與溫度計(jì)所測(cè)得的數(shù)據(jù)基本上相差小于等于0.5℃，這對(duì)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(cè)試數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的環(huán)境溫度進(jìn)行遠(yuǎn)程采集，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并預(yù)留了擴(kuò)展接口以便對(duì)環(huán)境中其他信息的采集(如壓力、濕度等).整個(gè)系統(tǒng)具有低功耗、低成本、微型化的優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng).從系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，可以看到，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以為用戶提供智能而準(zhǔn)確的信息.

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在性能和成本上都具有很大的優(yōu)勢(shì)[8]，它能廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)療護(hù)理、智能家居、城市交通、空間探索等領(lǐng)域.

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