基于无线传感器网络的环境温度监测系统设计

郭建广，贾进滢，黄建刚，黄 勇

(湖北民族学院 信息工程学院，湖北 恩施 445000)

传统的温度数据监测系统大多是通过有线传输方式来完成对环境监测区域内温度数据的采集.主要存在布线困难、测量成本较高、系统容错性差、数据采集精度低等一系列问题.另外，由于整个系统能耗较大，需要定期检测系统的供电状况，导致在危险监测区域的应用十分不便[1].

无线传感器网络(wireless sensor network，简称WSN)是由低功耗、低成本、微型化网络节点构成的无线通信网络，通过布置密集的传感器节点，实时地感知、采集监测区域内的各种信息，通过对信息的处理，使用户终端获得相关数据，以实现对特定区域的监测.传感器监测网络主要优势在：①网络采用无线通信方式减少了布线投入、降低了系统维护难度、由于成本低，大面积传感器节点的布设成为可能；②监测区域内节点布置密集，可对同一个监测点进行多次测量，通过数据融合可以提高监测精度；③传感器节点设计有扩展端口，可以通过不同类型的传感器采集具有不同特征的数据；④无线传感器监测网络中，可以随时删除无效节点、加入新的节点而不对原有系统造成影响[2].

本系统采用单片机技术、传感器技术以及无线通信技术相结合实现传感器采集节点在监测区域内构成网络，采集所需温度数据，并实时将所采集的数据传送给汇聚节点，使用户通过汇聚节点得到所需的温度数据.本文将从低功耗、低成本、微型化方面阐述一种基于无线传感器网络的环境温度监测系统的设计.

图1 环境监测系统框图

1 系统总体设计

基于无线传感器网络的环境监测系统如图1所示[3].分布在监测区域的采集节点将所采集的温度数据发送给相邻的采集节点，然后将所采集的数据进行融合后并由多跳路由协议再转发给靠近采集节点的汇聚节点，这样汇聚节点能够接收到采集区域内的环境温度信息.

本系统主要实现采集节点对环境中温度的采集和处理、采集节点与汇聚节点间的通信、汇聚节点对数据的存储与显示.系统的硬件部分主要由8个采集节点和1个汇聚节点组成.采集节点(如图2)是由数据采集、数据处理、数据传输和电源管理4大模块组成.汇聚节点(如图3)主要由无线通信模块、微控制器、能量供应模块、键盘和LCD显示等5部分组成[4].

图2 采集节点结构图 图3 汇聚节点结构图

系统软件采用模块化编程，包括数据采集与处理程序、无线收发程序、数据显示程序.流程图如下：

图4 采集节点主程序流程图 图5 汇聚节点主程序流程图

2 系统硬件设计

2.1 传感器模块

传感器模块是无线传感器网络数据采集模块.传感器可分为数字式和模拟式2种.在无线传感器网络中由于其节点多为电池供电，所以要求传感器体积小、功耗低、外围电路简单.故采用DALLAS公司的一线式数字温度传感器DS18B20，该芯片的引脚简单，无需任何外围电路即可方便地进行温湿度测量，与单片机交换信息仅需一个I/0口.其工作电压为3～3.5 v,测温范围为-55～125℃，在-10～85℃时测温精度为士0.5℃[5].由于Atmega128L的所有端口引脚都具有与电压无关的上拉电阻，所以只需1个I/O口即可控制DS18B20，这里选择PF0作为数据端，电路图如图6所示.

图6 DS18B20电路图

图7 汇聚节点电路图

2.2 处理器模块

处理器模块是传感器节点中核心部件，节点的功能实现、数据处理、工作状态、任务调度、通信协议等都由其实现，所以处理器的选择在节点的硬件设计中极为重要.处理器的选择应该满足以下条件:低成本、尺寸小、低功耗、集成度高、处理速度快.故选择高档低功耗的8位AVR系列单片机ATmegal28L[6]，该芯片比较适合作为无线传感器网络节点的微处理器.其在本设计中部分原理图如图7所示.

2.3 无线通信模块

无线通信模块要同时具有对信号发送和接收的功能.其发送电路应将处理器模块处理的信号经过D/A后，再将频率较低的基带信号调制成频率较高的已调信号，放大后从天线发送出去；信号接收电路应将天线接收到的高频信号先经放大、解调、滤波后还原为基带信号，最后通过A/D转换传送给MCU.信号收发模块应该符合以下要求：集成度要尽量高，功耗小，合理的调制方式.故采用Chipcon公司的CC2420，它采用贴片封装，体积微小功能强大.CC2420内部具有集成的压控振荡器，电路设计简单，只需要天线、晶体振荡器等较少的元器件构成芯片外围电路(如图8)，就能工作在2.4 GHz的频段上；CC2420的选择性和敏感性较好，均超过了IEEE802.15.4标准的要求，确保了短距离通信的有效性及可靠性；CC2420与微处理器ATmegal28L连接简单，仅需通过SPI接口(SI、SO、SCLK、CSn)就能完成芯片初始化设置和数据收发的控制，并实现对缓存器的读写和状态寄存器的读写操作[7].

2.4 电源管理模块

电源模块主要是由电池构成，该模块负责为传感器节点提供运行所需的能量.无线传感器网络节点大多工作在比较恶劣的环境中，所以常采用电池供电，且一般不予更换.而本监测系统都是从节能方向去考虑.ATmegal28L可以通过软件编程或硬件复位实现其6种不同等级的休眠模式；CC2420也拥有休眠模式，且休眠模式能耗极低.特殊状态下电流的典型值为：关闭稳压器(0.02 μA)、低电位(20 μA)、空闲(426 μA).因此，本系统从硬件设计的角度考虑了低功耗问题，尽量延长传感器网络的寿命.

3 系统软件设计

3.1 温度控制软件

本程序采用C语言编写，编程环境为Iccavr7，软件仿真和在线调试平台为AvrStudio4.10，并通过AVRUSB JTAG烧写到Atmegal28L中.温度采集控制：先设置检测18B20是否损坏标志、检测温度正负标志以及存放各位数据的数组，然后编写芯片控制的初始化程序，再按照芯片时序图写好读数据子程序，再写按位读取温度子程序.温度显示控制：本系统采用LCD1602显示，同样需要包含查忙、写数据、写命令、初始化、定位函数、显示数据、显示字符等.

图8 CC2420外围接口电路

3.2 无线收发控制软件

无线通信程序主要包括SPI初始化，CC2420初始化，CC2420驱动等.CC2420的收发访问控制主要通过两个FIFO缓存区寄存器完成的.CC2420的数据发送程序主要是根据IEEE802.15.4协议对数据进行封装处理，然后利用SPI驱动完成.CC2420的数据接收主要是在清除缓存区RXFIFO，打开接收命令后持续检测SFD引脚两次采样是否有下降沿跳变出现.

4 系统测试结果

为检验本监测系统方案的可行性以及系统能否正常工作，测试了15组数据(如表1).在10～50℃内，监测系统所采集的数据与温度计所测得的数据基本上相差小于等于0.5℃，这对于环境中温度采集系统来说是可以接受的，故本方案可行.

表1 测试数据

5 结束语

本系统实现了传感器网络对监测区域内的环境温度进行远程采集，系统工作稳定，并预留了扩展接口以便对环境中其他信息的采集(如压力、湿度等).整个系统具有低功耗、低成本、微型化的优点，可以广泛应用于工农业生产现场.从系统的设计与实现，可以看到，无线传感器网络可以为用户提供智能而准确的信息.

基于无线传感器网络技术的环境监测系统在性能和成本上都具有很大的优势[8]，它能广泛应用于军事、医疗护理、智能家居、城市交通、空间探索等领域.

参考文献：

[1]曹明华.基于无线传感器网络的环境监测系统设计与应用[D].兰州:兰州理工大学,2009.

[2]李忠诚.基于无线传感器网络的环境监测系统的研究与设计[J].计算机测量与控制,2008，16(7):929-931.

[3]何科奭,马正华.无线传感器网络在环境监测中的应用[J].环境监测管理与技术,2009，21(4):60-62.

[4]毛会琼,陈世海,范建国，等.基于无线传感器网络的环境监测系统的设计[J].工矿自动化,2009，30(8):119-121.

[5]杨庆.蔬菜大棚多点温度测控系统的设计与实现[J].湖北民族学院学报:自然科学版,2008,26(2):187-189.

[6]李绍武.基于AVR单片机的风能太阳能控制器设计[J].湖北民族学院学报:自然科学版,2010,28(2):174-176.

[7]董挺挺,沙超,王汝传.基于CC2420的无线传感器网络节点的设计[J].电子工程师,2007，33(4):67-70.

[8]宋文,王兵,周应宾,等.无线传感器网络技术与应用[M].北京:电子工业出版社,2006:21-27.