钨矿环境监测无线传感器网络节点的设计与实现

李百明 何学文 黄国平

[摘要]针对当前钨矿环境监测系统大多采用存在监测盲区的有线网络这一问题,设计无线传感器网络监测系统,实现对环境参数的监测。实践结果表明该系统具有较高的实用价值和应用前景。

[关键词]环境监测无线传感器网络钨矿

中图分类号:TP301文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)1110055-01

本文通过对当前的钨矿环境监测系统现状的研究,结合无线传感器网络技术、嵌入式系统技术和网络通信技术,设计和实现了一套适用于钨矿环境的无线传感器网络环境参数监测系统。

一、矿山环境无线传感器网络总体设计

由于有线监测系统其自身的局限性以及生态环境的复杂性,特别是无法对危险环境进行监测,导致在某些场合有线监测系统已导致在某些场合有线监测系统已不能满足人们的需求[1]。针对钨矿复杂的环境,分析了系统的结构体系,设计了一种适用于钨矿环境参数监测的无线传感器网络系统结构。该结构为一个层次型网络结构,底层为部署在监测环境中的终端无线传感器节点,上层依次为无线传感器汇聚节点、传输网络、上位机(监控计算机),最终连接到Internet和公司局域网。系统总体架构如图1所示。

二、无线传感器网络节点硬件设计

(一)节点硬件结构设计

传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供给模块组成[2]。传感模块主要负责监测区域内信息的采集并将各种传感器采集的信号转变为数字信号并传送给处理器模块。处理器模块负责控制整个节点的数据处理操作、路由协议、功耗管理、任务管理和实现网络安全可靠的通信协议[3]。无线通信模块负责与其他节点进行无线通信,交换控制消息和收发数据。能量供给模块负责为节点各个功能模块供电。

(二)各功能模块设计

1.微处理器模块

在选择微处理器时切忌一味追求性能,选择的原则[4]应该是“够用就好”。现在微处理器运行速度越来越快,但性能的提升往往带来功耗的增加。一个复杂的微处理器集成度高、功能强,但片内晶体管多,总漏电流大,即使进入休眠或空闲状态,漏电流也变得不可忽视;而低速的微处理器不仅功耗低,成本也低。另外,应优先选用具有休眠模式的微处理器,因为休眠模式下处理器功耗可以降低3～5个数量级。考虑实际需求,本设计中处理器模块选择ATMEL公司的AVR系列的ATmega128L单片机。ATmega128L[5]是ATMEL公司于2001年推出的采用低功耗COMS工艺生产的基于AVR RISC结构的8位微控制器,是目前AVR系列中功能最强大的单片机。该单片机具有体积小、功耗低、集成度高、支持睡眠模式、唤醒时间短、运行速度快、成本低和足够的外部接口等特点。

2.无线通信模块

无线通信模块选择Chipcon公司的CC2420芯片。CC2420是Chipcon公司推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4标准的无线收发器。它基于Chipcon公司的SmartRF03技术,以0.18umCMOS工艺制成,只需极少外部元器件,性能稳定且功耗极低。该无线收发芯片具有集成度高,工作电压低、功耗低和灵敏度高等优点,易于得到厂商提供的协议栈和开发套件。

3.传感器模块

根据项目的应用背景和实际需要,选择传感器对监测区域内的温度、湿度、粉尘、二氧化碳、一氧化碳和氧气等参数进行监测。在节点的硬件设计和研制中,充分考虑了传感器的能耗、精度、采样频率、与微处理器的接口特性等要求。为了提高节点的可扩展性,在节点中提供了可扩展不同传感器的接口。

设计中选用了温湿度传感器、粉尘传感器、二氧化碳传感器、电化学传感器分别对温度、湿度、粉尘、二氧化碳、一氧化碳和氧气等参数进行探测。选用了瑞士盛世瑞恩(Sensirion)公司的数字温湿度传感器SHT10采集环境的温度和湿度。粉尘传感器选用日本神龙公司的粉尘传感器PD4NS。二氧化碳、一氧化碳和氧气的探测分别选用瑞士盟巴玻(Membrapor)公司的生产的电化学传感器6004二氧化碳传感器、O2/I-06氧气传感器、CF-1000一氧化碳传感器。

4.电源供给及管理模块

能量是无线传感器网络最宝贵的资源,它决定着传感器网络的寿命。为了满足降低节点能耗的目标,节省系统电源,传感器模块只有在工作时才启动,因此电源供应及管理模块中研究了采用TI公司TPS 79501传感器模块电源控制器。TPS 79501具有超低噪声、高PSRR、高电平启用等特点,输出为1.2V～5.5V电压可调的低压降稳压器,驱动能力达500mA～7.5A。

三、节点软件系统设计

无线传感器网络节点是个资源受限的嵌入式系统,包括硬件资源受限、带宽有限、能量受限及补给困难的特点,决定了现有的一些嵌入式操作系统(如Linux操作系统)不能很好适用于传感器网络节点。

TinyOS是目前传感器网络的主流操作系统,采用基于组件的体系结构,应用程序的各个功能都是由相应的组件实现的。当事件对应的硬件中断发生时,TinyOS的事件驱动机制能够快速地调用相关的事件处理程序,从而使CPU在事件发生时迅速执行相关任务,在处理完之后进入睡眠状态,从而有效的提高了CPU的使用效率,并且节省了能量。

四、结论

在钨矿环境监测中采用无线传感器网络,利用传感器节点功耗低、工作时间长、成本低、能自组织地通信以及在危险区域和大面积监测中容易布置等特点,能够实现钨矿环境参数低成本连续在线监测,较传统在线监测系统具有更大的优势,对于矿山安全具有重要意义。

基金项目:国家自然科学基金项目(No.50764005)

参考文献:

[1]黄布毅、常亚军、张海霞等,基于无线传感器网络的煤矿安全监测系统设计,通信技术,2008,41(9):170～172.

[2]孙利民、李建中,无线传感器网络,北京:清华大学出版社,2005.

[3]姜连祥、汪小燕,无线传感器网络硬件设计综述,单片机与嵌入式系统应用,2006.11.

[4]王殊、胡富平、屈晓旭等,无线传感器网络的理论及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.

[5]马潮,高档8位单片机ATmega128原理与开发应用指南(上),北京:北京航空航天大学出版社,2004.

作者简介:

李百明(1984-),男,黑龙江省海伦市人,硕士研究生。