??? 摘 要：設(shè)計(jì)了基于無線傳感器" title="無線傳感器">無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的室溫監(jiān)測系統(tǒng)" title="監(jiān)測系統(tǒng)">監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)完成對各室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲(chǔ)、分析，具有低功耗" title="低功耗">低功耗、自組織特點(diǎn)。管理節(jié)點(diǎn)利用GSM網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)管理中心的要求發(fā)送無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)及報(bào)警信息。該系統(tǒng)可滿足供熱、供冷系統(tǒng)對樓宇室溫的監(jiān)測需求。
??? 關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)? 室溫監(jiān)測? 自組織? 低功耗
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??? 供熱、供冷系統(tǒng)已成為各國節(jié)能的關(guān)注重點(diǎn)。在以往的系統(tǒng)中，缺少有效、方便的溫度監(jiān)測系統(tǒng)，供應(yīng)公司很難及時(shí)了解住戶的室溫情況，無法及時(shí)根據(jù)室溫的變化進(jìn)行調(diào)整，常會(huì)使供熱效果不平衡，能耗明顯升高；另外，如果將眾多的傳感器都采用電纜連接，系統(tǒng)的布設(shè)、維護(hù)不方便，對于遠(yuǎn)距離傳輸來說電纜鋪設(shè)成本較高。因此，采用無線傳輸網(wǎng)絡(luò)對樓宇室內(nèi)溫度進(jìn)行監(jiān)測是十分必要的。
??? 本文提供了一種由遠(yuǎn)程管理中心" title="遠(yuǎn)程管理中心">遠(yuǎn)程管理中心、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的無線室溫檢測系統(tǒng)。通過設(shè)計(jì)有效的協(xié)議和采取電源管理策略實(shí)現(xiàn)了低功耗設(shè)計(jì)，同時(shí)在硬件電路及軟件協(xié)議等多方面保障其系統(tǒng)可靠性，同傳統(tǒng)的溫度監(jiān)測系統(tǒng)相比，更具有靈活性、易操作性，同時(shí)還降低了成本。
1 系統(tǒng)組成
??? 該系統(tǒng)由遠(yuǎn)程管理中心和多個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)" title="傳感器節(jié)點(diǎn)">傳感器節(jié)點(diǎn)組成，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成結(jié)構(gòu)如圖1。
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??? 放置在樓宇中的無線傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織的方式形成網(wǎng)絡(luò)，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)多跳傳輸方式傳送到帶有GSM模塊的管理節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)最終由GSM模塊以SMS短消息的方式傳送到遠(yuǎn)程管理中心。遠(yuǎn)程管理中心以圖表、曲線等多種形式統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)。
2 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
2.1 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
??? 無線傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，其中單片機(jī)采用NEC公司的低功耗單片機(jī)μPD78F0547，該芯片具有管腳驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、睡眠電流小等特點(diǎn)，為系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)提供了條件[4]；無線收發(fā)模塊采用了Nordic公司的單片無線收發(fā)芯片nRF905，內(nèi)部集成MAC層的簡單協(xié)議，能夠在開放頻段433MHz、868MHz、915MHz中多頻點(diǎn)切換和通信[3]。
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??? 節(jié)點(diǎn)通過數(shù)字溫度傳感器DS18B20定期采集室內(nèi)溫度，實(shí)時(shí)時(shí)鐘X1226能夠定時(shí)喚醒處于睡眠狀態(tài)的單片機(jī)，可以完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘同步。管理節(jié)點(diǎn)所帶的GSM模塊采用TC35i。
2.2 電磁兼容設(shè)計(jì)
??? 無線收發(fā)模塊很容易受到數(shù)字信號(hào)的影響，電磁干擾處理不當(dāng)，將會(huì)導(dǎo)致nRF905模塊不能正常工作、傳輸距離短、數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、單片機(jī)死機(jī)等問題，因此電磁兼容性設(shè)計(jì)在射頻PCB電路設(shè)計(jì)中顯得尤其重要。在本系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)PCB設(shè)計(jì)中，元件的布局、布線具有明顯的特殊性。采取的主要措施有：布線時(shí)，為nRF905部分單獨(dú)提供電源，使得傳感器節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)收發(fā)過程中不再出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象；RF鋪地時(shí)，將不規(guī)則排列的過孔調(diào)整為規(guī)則排列，這使抗干擾性能得到了明顯改善；將射頻部分的“模擬地”與單片機(jī)部分的“數(shù)字地”單點(diǎn)連接，從而盡可能地減少了數(shù)字部分對射頻電路的干擾。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
??? 低功耗無線室溫監(jiān)測系統(tǒng)的軟件包括無線傳感器節(jié)點(diǎn)軟件和遠(yuǎn)程管理中心端上位機(jī)軟件，系統(tǒng)按照所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議協(xié)作完成監(jiān)測功能。
3.1 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)
??? 無線傳感器節(jié)點(diǎn)采用軟件編址方式，根據(jù)自動(dòng)地址匹配功能對接收性能影響的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，采用了統(tǒng)一物理地址0xAAAAAAAA以使通信誤碼率最低。節(jié)點(diǎn)的軟件ID具體分配方案如表1所示。
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??? 在傳輸中，將溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理，數(shù)據(jù)幀格式如表2所示。其中，幀的類型包括傳輸控制幀、命令幀、數(shù)據(jù)幀等。數(shù)據(jù)幀由單片機(jī)發(fā)給nRF905之后，nRF905還自動(dòng)加入字頭和CRC校驗(yàn)碼[3]。
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??? 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議決定了無線信道的使用方式，在功能較弱的傳感器節(jié)點(diǎn)之間，分配有限的無線通信資源，構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)[2]。在設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議時(shí)，重點(diǎn)考慮了以下幾方面：節(jié)省能量、網(wǎng)絡(luò)自組織以及可擴(kuò)展性的提高。
3.2 節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)
??? 節(jié)點(diǎn)程序分為管理節(jié)點(diǎn)程序和傳感器節(jié)點(diǎn)程序。
??? 管理節(jié)點(diǎn)程序的主要功能有：一方面，定時(shí)讀取遠(yuǎn)程管理中心發(fā)來的GSM短信，解析短信的內(nèi)容而提取其中的命令、報(bào)警閾值等信息，并下發(fā)給其他無線傳感器節(jié)點(diǎn)；另一方面，管理節(jié)點(diǎn)按照短信中的設(shè)置，定期查詢各傳感器節(jié)點(diǎn)的溫度，將收集來的指定周期時(shí)間內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)和達(dá)到報(bào)警條件的溫度數(shù)據(jù)打包成短信，發(fā)送給遠(yuǎn)程管理中心。
??? 傳感器節(jié)點(diǎn)的程序主要由主程序、無線通信子程序、溫度采集子程序、時(shí)鐘控制子程序、人機(jī)交互子程序等部分組成。主程序執(zhí)行完各個(gè)模塊的初始化后，進(jìn)入主循環(huán)等待產(chǎn)生中斷，主程序流程圖如圖3所示。傳感器節(jié)點(diǎn)主要處理睡眠定時(shí)、喚醒定時(shí)、接收到數(shù)據(jù)等中斷，其中睡眠定時(shí)中斷由單片機(jī)的定時(shí)器產(chǎn)生，喚醒中斷由實(shí)時(shí)時(shí)鐘X1226 產(chǎn)生。此外，節(jié)點(diǎn)還處理USB、按鍵等中斷，通過PC聯(lián)機(jī)設(shè)置節(jié)點(diǎn)的軟件地址，或者讀取節(jié)點(diǎn)中存儲(chǔ)的溫度數(shù)據(jù)。
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??? nRF905無線數(shù)據(jù)通信子程序采用查詢發(fā)送和中斷接收的方式。無線傳感器節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)幀后進(jìn)行如圖4所示的處理。
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3.3 管理中心軟件的設(shè)計(jì)
??? 利用Visual Basic 6.0設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了管理中心軟件。中心軟件通過MsComm串口通信控件與GSM進(jìn)行通信，完成對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信控制、數(shù)據(jù)管理等功能[2]；可以對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)返回的路由信息進(jìn)行分析，以圖的形式查看各房間中傳感器節(jié)點(diǎn)的相互連接情況。還可以通過USB接口完成對各個(gè)節(jié)點(diǎn)的軟件地址的設(shè)置；最后將監(jiān)測到的報(bào)警數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、匯總、分析，以圖表的形式直觀顯示出來。
3.4 系統(tǒng)的自組網(wǎng)控制
??? 為提高靈活性，此系統(tǒng)采用自組織方式組成網(wǎng)絡(luò)。自組網(wǎng)命令由管理中心發(fā)起，管理節(jié)點(diǎn)從GSM短信中解析到組網(wǎng)命令后向傳感器網(wǎng)絡(luò)中廣播，被搜索節(jié)點(diǎn)作為子節(jié)點(diǎn)從屬于它所收到的第一條組網(wǎng)命令的源節(jié)點(diǎn)，然后向網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)自組織命令，并轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)等待它的子節(jié)點(diǎn)返回路由信息，如果超時(shí)沒有返回，就認(rèn)為它沒有子節(jié)點(diǎn)，超時(shí)閾值隨級數(shù)的增加而遞減。返回路由表時(shí)，將不同級節(jié)點(diǎn)的軟件地址存放在數(shù)據(jù)包中相應(yīng)的位置，以表明節(jié)點(diǎn)間的從屬關(guān)系。最終將路由表返回至管理中心，管理中心軟件以圖示的形式顯示出來。
4 節(jié)點(diǎn)的低功耗策略及測試分析
??? 設(shè)計(jì)低功耗無線室溫監(jiān)測系統(tǒng)時(shí)，根據(jù)實(shí)際需求，充分利用各種低功耗資源模式，盡量縮短節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間，從而降低功耗。通常使用的電池實(shí)際容量與放電電流有關(guān)，放電電流較小時(shí)，電池放出的總電量明顯大于標(biāo)稱容量，放電電流越大，電池放出的總電量越小，甚至明顯小于標(biāo)稱容量。因此采取如下策略來降低系統(tǒng)工作電流，延長節(jié)點(diǎn)壽命。
??? 在硬件方面，選用低功耗、低電壓器件；對于工作電流小的器件如E2PROM、DS18B20等采用引腳供電，對于功耗大而又周期性工作的部件，使用選通器件管理其電源；此外，不使用的單片機(jī)引腳按照數(shù)據(jù)手冊進(jìn)行設(shè)置，這對減少系統(tǒng)STOP模式下的電流效果顯著。
??? 在軟件方面，對單片機(jī)執(zhí)行速度要求不高的進(jìn)程，選用較低工作頻率；利用硬件提供的支持，關(guān)閉暫時(shí)不使用的部件的電源，如E2PROM、DS18B20等；按照協(xié)議工作周期，由軟件控制nRF905的工作模式，進(jìn)行周期性偵聽和睡眠；節(jié)點(diǎn)空閑狀態(tài)下將單片機(jī)置于STOP模式，關(guān)閉系統(tǒng)時(shí)鐘。
??? 完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，在電池電壓3.6V、nRF905發(fā)射功率為-10dBm、接收靈敏度為-100dBm的情況下，對傳感器節(jié)點(diǎn)的工作電流進(jìn)行了實(shí)際測試，結(jié)果如表3所示。假設(shè)鋰電池每年自放電1%，則平均自放電電流略小于2.3μA，而從表3中看出當(dāng)節(jié)點(diǎn)工作于低功耗模式時(shí)，最大工作電流僅為12μA，可見，設(shè)計(jì)達(dá)到了低功耗的效果。
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??? 根據(jù)表3的工作模式及工作周期，計(jì)算節(jié)點(diǎn)的平均工作電流為：
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??? 考慮到系統(tǒng)長時(shí)間運(yùn)行中電池的自放電因素，并為系統(tǒng)留有余量，假設(shè)電池可用電量為60%，由公式(1)的結(jié)果以及表3得到：當(dāng)系統(tǒng)以10分鐘為周期對室溫進(jìn)行監(jiān)測時(shí),用一節(jié)AA型鋰電池的電量2Ah可維持節(jié)點(diǎn)工作一年以上，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，其計(jì)算公式如公式(2)所示。
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??? 本系統(tǒng)基于nRF905以自組網(wǎng)的方式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了樓宇內(nèi)室溫監(jiān)測系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)兼容3級，可容納200多個(gè)節(jié)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明，各傳感器節(jié)點(diǎn)在空曠地傳輸距離超過100m；在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的樓房中，節(jié)點(diǎn)可在相鄰樓層、相鄰的房間之間進(jìn)行可靠的通信，管理節(jié)點(diǎn)能夠及時(shí)地將溫度數(shù)據(jù)通過GSM模塊發(fā)送至遠(yuǎn)程管理中心，遠(yuǎn)程管理中心將溫度數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)庫形式存儲(chǔ)，并可供用戶以圖表的形式查詢、分析。該系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，還可應(yīng)用于倉庫儲(chǔ)存等許多需要溫度監(jiān)測的場合。
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