基于ANT的无线温度监控系统设计

刘 石，姚志强

（福建师范大学 软件学院，福建 福州350108）

许多工业生产环境对于温度的要求非常高，因此对于温度监测系统的要求也非常高。传统意义上的温度监控系统大多采用电缆铺设或者人工仪器测量，这样不仅耗费了大量的人力，设备维护方面也存在相当大的困难。因此对于环境条件受限或者监测范围较大的情况，传统意义上的温度监测系统就会显得无能为力[1]。随着信息技术的发展，传统温度监测系统已不能满足实际应用的需要，在此背景下，无线传感网络(Wireless Sensor Network)应运而生。作为一种新型的信息收集与处理技术，无线传感网络是由布置在区域范围内大量传感器组成的、通过无线通信形式形成的多跳自组织的网络系统，可以实时监控网络区域范围内监测对象的信息，并将信息打包传送至客户端。无线传感网络具有检测范围广、精度高等特点，适用于监测环境比较恶劣、人工无法接近的地区，在军事、家庭智能等方面具有比较广阔的发展前景[2]。

本文设计了一种基于ANT的远程无线温度监测系统。系统采用温度传感器采集温度信息，然后通过微处理器模块和ANT无线网络模块实现数据的无线传输，最后通过串口通信将数据传送给PC机进行处理并显示，实现对温度的实时监控。

1 系统总体设计

ANT协议是加拿大Dynastream公司于2005年针对小尺寸、低成本、低功耗的应用而推出的一种短距离的非标准无线射频协议。ANT采用双工2.4 GHz ISM频带射频通信，设计用作超低功耗、易使用、高效以及高灵活性的应用，其有效传输距离约为10 m～30 m，传输速度高达1 Mb/s，支持树型、点对点和星型及其他网络拓扑结构，可提供可靠、灵活、自适应及高抗干扰的数据通信[3]。

无线温度监控系统包括温度测量节点、数据汇集节点以及用户监测终端。温度测量节点实时采集和传送各个监测点的温度，与数据汇集节点构成ANT无线星型网络，由数据汇集节点实现数据的协调与接收，并将接收到的数据发送给用户监测终端，用户监测终端对数据进行处理并显示，以达到监控被测节点的温度的目的。系统总体结构如图1所示。

2 硬件设计

温度测量节点主要由ANT通信模块、信息采集模块和微处理器模块等硬件构成，主要功能在于采集温度信息，并将温度信息通过ANT网络传输至数据汇集节点。数据汇集节点由微处理器模块和ANT通信模块构成，主要功能在于收集被测节点的温度信息并且通过串口通信方式将数据传输至监测终端。监测终端对数据进行处理并显示相关信息。硬件结构如图2和图3所示。

图2 温度测量节点硬件结构

图3 数据汇集节点硬件结构

2.1 数据采集模块

数据采集模块主要采用DS18B20数字温度传感器，它具有精度高、成本低、操作简便、抗干扰能力强的特点，非常适用于温度信息的采集[4]。这种传感器采用单总线接口方式，仅需要一条线即可实现与微处理器的双向通信，在采集温度信息时，不需要外部元件的辅助，可以将温度信息直接转化成数字信号传输给微处理器。DS18B20的测温范围为-55℃～+125℃；可编程分辨率为 9～12位；精度可达到±0.5℃；温度转换为 12位数字格式，最大值为 750 ms；电压范围为 3.0～5.5 V，可由数据总线供电。

2.2 ANT无线通信模块

无线通信模块采用nRF24AP2[5]作为主要芯片。nRF-24AP2是Nordic公司推出的新一代ANT低功耗无线网络芯片，分为 3个系列：nRF24AP2-1CH、nRF24AP2-8CH和nRF24AP2-USB。nRF24AP2-1CH是单通道ANT无线网络芯片，nRF24AP2-8CH为8通道ANT无线网络芯片，nRF24AP2-USB为USB接口8通道ANT无线网络芯片。nRF24AP2具有超低功耗，单电源1.9～3.6 V供电，简单的异步/同步主机串行接口，提供了SPI接口与微处理器的连接，抗干扰能力强。根据实际应用需要，温度测量节点的通信模块以nRF24AP2-1CH作为主要芯片，而数据汇集节点的通信模块采用nRF24AP2-8CH作为主要芯片，两种芯片都采用同步主机串行接口方式。nRF24AP2-1CH芯片与nRF24AP2-8CH芯片引脚功能是一致的，只是通道数不一样，所以它们与微处理器连接方式一致。

2.3 微处理器模块

微处理器模块采用单片机ATmega16L，该芯片是高性能、低功耗的8位增强AVR RISC结构微控制器，具有较高的处理速度，内部设有SPI接口和两个串行通信口，可在3 V电压下进行低功耗工作，非常适合与选用的ANT模块配合使用[6]。ANT模块通过简单的6线与ATmega16进行连接，其中ATmega16L的SPI接口工作在从机模式，nRF24AP2设为主机工作模式。ATmega16L与ANT模块的接口电路如图4所示，外围再配以电源电路、晶振电路等。晶振电路采用8 MHz晶振，选取3.3 V做为工作电压。

串口通信 RS232与微处理器之间选用工作电压为3.3 V的MAX3232电平转换芯片，以完成双向电平和逻辑关系的直接转换。由于该无线网络具有很强的移动性，故要求其具有稳定的电源供电且必须功耗低。本文选用5 V电池供电，通过LM1117将5 V电压转换成3.3 V，从而有效降低了成本，增加了终端节点的可移动性和灵活性。

图4 ATmega16与nRF24AP2接口电路

3 软件设计

整个系统的软件设计包括温度采集、数据汇集及监控终端三个部分。温度采集软件运用于温度测量节点的单片机上，主要任务是采集温度信息并将其无线发送。数据汇集软件运行于数据汇集节点单片机上，主要用于接收温度数据并将数据通过串口发送给监控终端PC机。监控终端软件主要对接收到的数据进行有效的处理，将数据进行保存、显示及分析。

3.1 温度测量节点软件设计

节点上电之后，首先是硬件初始化，包括单片机初始化、温度传感器初始化和ANT初始化。单片机初始化主要是端口初始化和SPI口的设置；ANT初始化主要有设置网络密钥、分配通道、设置通道ID、设置通道周期和发射功率等，配置完成后开启通道。初始化完成后，开始采集温度值，到达1 s定时就开始重新采集温度值并将数据发送，完成后MCU进入空闲模式。其流程图如图5所示。

3.2 数据汇集节点软件设计

节点上电之后，首先对单片机和nRF24AP2进行初始化，初始化过程与温度测量节点的初始化一致。初始化完成后检测有无收到新温度值，若无则等待，若有则将新的温度数据通过串口发送给监测终端。其流程图如图6所示。

图5 温度测量节点软件流程图

图6 数据汇集节点软件流程图

3.3 监控终端软件设计

监控终端软件主要用于数据处理，基于VC++6.0实现，主要任务包括串口通信的收发、数据的存储和数据的显示。串口通信采用微软提供的MSComm控件实现[7]；数据显示通过监控软件界面可实时显示各个监测点的温度数据和测量时间，并且能够设定报警温度阈值，当超过阈值范围发出报警声；同时将接收的温度信息保存到数据库以便用户对数据进行查询和分析。

本文提出的基于ANT技术实现无线温度监控方法，可以实现无网状态下采集现场温度，通过远程手段监测、记录历史温度并且进行有效分析和合理判断，可实现对温度的远程监控。在长时间需要现场监测或者较为恶劣的环境条件下，这种技术手段可以有效地节省人力资源。另外系统能够更换不同的传感器来监测不同的环境参数(如空气湿度、有毒气体等)，具有一定的通用性。

[1]邵帅.基于nRF905的温度数据采集及无线传输系统的设计[D].武汉：武汉科技大学，2010.

[2]马祖长，孙怡宁，梅涛.无线传感器网络综述[J].通信学报，2004，25(04)：114-124.

[3]郭亚利，鲜继清.非标准无线射频协议 ANT[J].重庆工学院学报，2007，21(11)：135-138.

[4]陈明，邱超凡.基于DS18B20数字温度传感器的设计与实现[J].现代电子技术，2008(08)：188-189.

[5]谭晖.nRF24AP2单片ANT超低功耗无线网络原理及高级应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011.

[6]刘海成.AVR单片机原理及测控工程应用：基于ATmega-48/ATmega16[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[7]吴昊天，张燕林.基于MSComm控件的 PC与AVR串口通信实现[J].计算机与数字工程，2010，38(04)：176-180.