環(huán)境問題已經(jīng)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn),如何有效地進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為時(shí)下熱門課題。目前,無線環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布在監(jiān)測(cè)區(qū)域的各個(gè)角落，一般采用電池供電，要保證系統(tǒng)的使用壽命必須實(shí)現(xiàn)低功耗的設(shè)計(jì)[1]。本文結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提出了一種低功耗、低成本的無線環(huán)境監(jiān)測(cè)器的設(shè)計(jì)。
1 總體電路結(jié)構(gòu)及工作原理
1.1 總體電路結(jié)構(gòu)
    無線環(huán)境監(jiān)測(cè)器主要由一個(gè)監(jiān)控終端和多個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)組成,如圖1所示。通過使用由大量分布式的微型監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)組成的傳感網(wǎng)絡(luò)，用戶可以對(duì)感興趣的環(huán)境進(jìn)行不間斷的高精度數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)是其基本單元，監(jiān)控終端是其核心控制端，其穩(wěn)定運(yùn)行是整個(gè)系統(tǒng)可靠性的基本保證。

    系統(tǒng)總體電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，包括兩個(gè)部分：監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)和監(jiān)控終端控制系統(tǒng)[2]。

1.2 工作原理
    監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控終端[3]。監(jiān)控終端控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行,通過無線模塊發(fā)送控制命令,監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)收到控制命令并進(jìn)行處理分析,然后通過溫度傳感器和光照傳感器采集溫度和光照的有無信息，接著通過無線模塊把采集到的有用數(shù)據(jù)打包發(fā)送給監(jiān)控終端，監(jiān)控終端收到節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，然后通過液晶顯示器進(jìn)行節(jié)點(diǎn)溫度和有無光照等內(nèi)容的顯示。監(jiān)控終端還可以通過實(shí)時(shí)時(shí)鐘同步環(huán)境監(jiān)測(cè)信息，保證采集信息的實(shí)時(shí)性和有效性，并通過鍵盤設(shè)置單個(gè)節(jié)點(diǎn)的配置信息，如設(shè)置報(bào)警溫度閾值等。如果檢測(cè)到節(jié)點(diǎn)的溫度超過設(shè)定值，則啟動(dòng)報(bào)警電路工作，并在液晶顯示器上顯示報(bào)警信息。
2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
2.1 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)與選擇
    監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)電路原理圖如圖3所示。

2.1.1 處理器模塊
    考慮到產(chǎn)品的性價(jià)比、處理器的速度以及供電方式等因素，選擇ATMEL公司的AVR系列單片機(jī)ATmega8L[3-4]。ATmega8L是一款采用低功耗 CMOS工藝生產(chǎn)的基于AVR RISC（精簡(jiǎn)指令集）結(jié)構(gòu)的8 bit單片機(jī)。其大部分指令的執(zhí)行時(shí)間僅為一個(gè)時(shí)鐘周期，運(yùn)行速度約1 MIPS/MHz，比普通單片機(jī)高出10倍。

    為了便于程序的調(diào)試和以后產(chǎn)品的升級(jí)，保留監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的ISP單片機(jī)程序下載接口，如圖3所示。其中LED發(fā)光二極管D2有兩個(gè)作用:(1)下載指示。(2)當(dāng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)正常工作時(shí)，發(fā)光二極管作為工作狀態(tài)指示(低亮度閃爍)；當(dāng)節(jié)點(diǎn)溫度過高時(shí)，發(fā)光二極管保持高亮度閃爍，用單片機(jī)自帶的PWM實(shí)現(xiàn)LED的亮度可調(diào)。

    監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的物理地址設(shè)置使用8位撥碼開關(guān)，其接口電路如圖3所示。由于ATmega8L單片機(jī)I/O口內(nèi)部自帶上拉電阻，故可以省去大量外部上拉電阻。
2.1.2 傳感器模塊
    根據(jù)系統(tǒng)要求,需要檢測(cè)溫度和光照兩種環(huán)境信息。溫度傳感器的種類分為模擬和數(shù)字兩大類。如溫度傳感器AD590，采集到的是模擬量，需要使用AD轉(zhuǎn)換，成本較高。而美信公司的單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，不但簡(jiǎn)單好用，而且測(cè)量溫度范圍寬、精度高。
　　光照有無的檢測(cè)很簡(jiǎn)單，常用的方法是使用模擬器件，如光敏電阻或者光電三極管。通過三極管實(shí)現(xiàn)檢測(cè)信號(hào)的放大與處理，得到與光照有無相應(yīng)的高低電平。因?yàn)楣怆娙龢O管內(nèi)部自帶信號(hào)放大電路，故本監(jiān)測(cè)器選擇光電三極管作為光照有無的監(jiān)測(cè),然后通過單片機(jī)自帶的12 bit AD監(jiān)測(cè)光照，不僅簡(jiǎn)單、成本低、體積小，而且還可以實(shí)現(xiàn)光照強(qiáng)度的簡(jiǎn)單檢測(cè)。
2.1.3 無線通信模塊
    無線通信模塊種類繁多，最基本的有315/433 MHz射頻模塊、紅外通信、藍(lán)牙模塊、GSM模塊、2.4 GHz無線通信模塊等。315/433 MHz的射頻模塊不利于調(diào)試，需要手動(dòng)編解碼實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)通信，且數(shù)據(jù)很不穩(wěn)定；紅外通信具有方向性且通信距離有限；藍(lán)牙模塊通信距離在10 m左右且通信數(shù)據(jù)復(fù)雜難以編程；GSM模塊雖然通信距離遠(yuǎn)但是價(jià)格昴貴；2.4 GHz無線通信模塊種類較多且距離遠(yuǎn)，通信數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠,價(jià)格也適中,最常用的是nRF24L01[5]，其功能強(qiáng)大、性價(jià)比高，故本監(jiān)測(cè)器選用nRF24L01。
    nRF24L01使用2.4 GHz全球開放ISM 頻段[6]，最高工作速率為2 Mb/s，高效GFSK調(diào)制(抗干擾能力強(qiáng)、特別適合工業(yè)控制場(chǎng)合)，且設(shè)立了126個(gè)頻道，可以滿足多點(diǎn)通信和跳頻通信的需要；并內(nèi)置硬件CRC檢錯(cuò)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信地址控制，可以保證無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定可靠，其功耗低(在1.9 V~3.6 V工作狀態(tài)下，待機(jī)模式電流為22 ?滋A，掉電模式下僅為900 nA)；而且內(nèi)置2.4 GHz 天線，體積小巧。另外,NRF24L01模塊可軟件設(shè)置地址，只有收到本機(jī)地址時(shí)才會(huì)輸出數(shù)據(jù)(提供中斷指示),可直接與各種單片機(jī)連接使用，軟件編程也非常方便。
2.2 監(jiān)控終端電路設(shè)計(jì)與選擇
    監(jiān)控終端整體電路原理圖如圖4所示。

2.2.1 處理器模塊
    因?yàn)楸O(jiān)測(cè)終端的外部設(shè)備接口較多，如果使用ATmega8來控制，I/O端口不夠用。因此，監(jiān)測(cè)終端電路的單片機(jī)選用ATmega16[3]，相對(duì)于ATmega8L其ROM容量多了一倍(為16 KB)，可以容納更多的程序代碼和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，便于液晶顯示的字符庫(kù)的存放，且I/O口為4組共計(jì)32個(gè)，且其JTAG還支持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)試功能。
2.2.2 無線通信模塊
    監(jiān)控終端無線通信模塊與監(jiān)控節(jié)點(diǎn)模塊都選用nRF24L01，唯一不同只是模塊與單片機(jī)的接口不一樣。因?yàn)楸O(jiān)控終端系統(tǒng)供電電壓為5 V，而nRF24L01模塊的最大工作電壓僅為3.6 V,所以數(shù)據(jù)接口之間使用了電阻降壓，以免單片機(jī)電壓過高燒壞無線模塊。降壓電阻的阻值大小由nRF24L01器件手冊(cè)計(jì)算得出為2 k?贅即可滿足設(shè)計(jì)要求[6]。
2.2.3 實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊
    為保證檢測(cè)到的信息的實(shí)時(shí)性，要求有實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊，而時(shí)鐘芯片是最好的解決方案。時(shí)鐘芯片的種類繁多,典型的芯片主要有DS1302、PCF8563和DS12CR887等。其中DS1302是三線SPI接口，時(shí)序簡(jiǎn)單；PCF8563為兩線I2C接口，時(shí)序較復(fù)雜；DS12CR887功能強(qiáng)大，但體積大、價(jià)格昂貴，且為8 bit總線接口。故本文選用DS1302芯片。
2.2.4 按鍵設(shè)置模塊
    按鍵主要用來設(shè)置節(jié)點(diǎn)的相關(guān)配置信息和查詢相關(guān)記錄等信息。由于按鍵數(shù)目較少，所以使用獨(dú)立按鍵接口，分別為向上、向下、取消、確認(rèn)4個(gè)功能按鍵。此按鍵是低電平有效，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，與其相連接的單片機(jī)引腳檢測(cè)到按鍵信號(hào)，進(jìn)行相應(yīng)的處理后再輸出。
2.2.5 報(bào)警模塊
    報(bào)警模塊主要負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)過溫報(bào)警等功能。ATmega16單片機(jī)的I/O驅(qū)動(dòng)電流很大，足以驅(qū)動(dòng)無源蜂鳴器和有源蜂鳴器，但是驅(qū)動(dòng)音效還不夠大，所以本監(jiān)測(cè)器使用一個(gè)PNP型的三極管8550驅(qū)動(dòng)無源蜂鳴器。因有源蜂鳴器雖編程簡(jiǎn)單、頻率固定，但不容易改變其音效。而無源蜂鳴器的頻率可以隨意設(shè)置，可以達(dá)到各種不同的音效。
2.2.6 顯示模塊
    由于監(jiān)控終端需要顯示的內(nèi)容較多，所以選擇比較常用的點(diǎn)陣圖形式液晶顯示模塊LCD12864,其與單片機(jī)的接口電路如圖4中所示。其中可變電阻R13為精密可調(diào)電位器，用來調(diào)節(jié)液晶顯示的對(duì)比度。液晶的背光常亮，在沒有光照的情況下，用戶也能夠正常查看顯示信息等。
2.2.7 串口通信模塊
    串口通信接口電路一般用來與上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和控制等信息。最常用的串口通信接口芯片為美信公司的MAX232。MAX232不但價(jià)格適中，外圍電路也簡(jiǎn)單，但如果利用分立元件實(shí)現(xiàn)RS232與TTL電平之間的簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)換(如圖5中與CON1相連電路)替代MAX232，其電路更加簡(jiǎn)單且成本低，經(jīng)實(shí)踐能高速且穩(wěn)定地與單片機(jī)串口通信，所以采用該接口電路可以作為監(jiān)控終端的擴(kuò)展電路實(shí)現(xiàn)以后系統(tǒng)產(chǎn)品功能的升級(jí)。
2.2.8 電源模塊
    監(jiān)控終端采用5 V/1 A的便攜式開關(guān)電源供電。由于無線模塊nRF24L01的低電壓工作特點(diǎn)，所以需要一個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換模塊，本監(jiān)測(cè)器采用AMS1117-3.3穩(wěn)壓芯片，實(shí)現(xiàn)3.3 V電壓輸出供電給nRF24L01。
3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
    軟件設(shè)計(jì)分為兩部分:監(jiān)控終端的程序設(shè)計(jì)和監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)，分別如圖5、圖6所示。監(jiān)控終端的程序使用模塊化設(shè)計(jì)，包括：nRF24L01驅(qū)動(dòng)模塊、按鍵操作模塊、DS1302驅(qū)動(dòng)模塊以及LCD12864液晶顯示驅(qū)動(dòng)模塊。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，主要包括：nRF24L01驅(qū)動(dòng)模塊、DS18B20驅(qū)動(dòng)模塊和AD采集三個(gè)模塊。整個(gè)系統(tǒng)的程序代碼編寫以及編譯均在軟件ICCAVR V6.31A集成開發(fā)環(huán)境下完成。

　    本文針對(duì)當(dāng)前環(huán)境監(jiān)測(cè)中面臨的網(wǎng)絡(luò)布線困難、成本高及實(shí)時(shí)性差等問題,提出了一種低功耗、低成本的無線環(huán)境監(jiān)測(cè)器的設(shè)計(jì)。重點(diǎn)討論了無線環(huán)境監(jiān)測(cè)器的硬件電路的設(shè)計(jì)與器件的選擇。
    本設(shè)計(jì)中采用無線傳輸芯片簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，可配置多種傳感器，提高了通用性，具有較好的便攜性和組網(wǎng)的靈活性。選用了低功耗性價(jià)比高的器件,整個(gè)系統(tǒng)具有實(shí)用性強(qiáng)、可靠性高、測(cè)量精度高、體積小、低功耗和低成本等特點(diǎn)，體現(xiàn)了無線環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)字化、智能化、無線化的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)該系統(tǒng)也具備一定的通用性，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生和日常生活等環(huán)境監(jiān)測(cè)。
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