船用智能无线测温系统

侯小燕等

摘 要：为克服船舶复杂电磁环境，实现信息高效传输，该文提出了一种基于TinyOS操作系统的船用智能无线测温系统设计方案，将ATmega128L主控芯片、CC2420射频芯片和DS18B20温度传感器组合设计了无线传感网络节点，实现了温度的精确采集和无线传输，同时通过上位机软件对其进行实时监测、处理、存储和报警。对设计的船用智能无线测温系统进行测试，结果表明该系统能够稳定、准确、快速地获取待测点的温度，而且系统结构简单、节点布置灵活、抗干扰性强，适用于复杂和空间有限的船舶环境。

关键词：无线传感网络 TinyOS Atmega128L CC2420 船用测温系统

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（c）-0061-02

Abstract：In order to overcome the complicated electromagnetic environment in ships and implement efficient transmission of information，a type of smart wireless temperature measurement system based on TinyOS operating system is designed in this paper. Combining the ATmega128L controller chip，CC2420 RF chips and DS18B20 temperature sensor together as the wireless sensor network node，the precise acquisition and wireless transmission of temperature data is realized. Moreover，real-time monitoring， processing， storage， and alarms can be achieved through the PC software.The test of the smart wireless temperature measurement system designed for ships show that the system is able to get temperatures of test points stable，fast and accurately，and the structure of the system is simple，the layout of node is flexible and it has strong anti-jamming，so it is applicable to complex and limited-space environment of ships.

Key words：Wireless sensor networks ATmega128L CC2420 Temperature measurement system for ships

由于工业环境的复杂和空间要求，极大限制了传统温度测量系统的应用。随着传感技术、无线通信和智能控制技术的发展，无线传感网络逐步受到重视，它因数据传输距离远、网络结构灵活、应用成本低等特点已经被广泛应用到如电力、钢铁、采矿、石油等很多领域。然而，关于无线测温许多技术还有待完善，而且针对船舶专用的无线测温系统也设计很少。采用Atmega16L和DS18B20设计了基于AVR单片机的无线测温系统，它能对温度信息进行准确测量和无线传输，但它节点数少，存储容量较小，适用于短距离传输。采用CC2430和数字温度传感器DS18B20设计了农田无线测温节点，这些节点功耗低、体积小、结构简单，但其节点间数据处理和传输速率较低。设计了基于TinyOS的无线传感网络节点，节点具有自组织、部署简单灵活、无需现场维护等特点，实现了温度的快速精确检测和传输。

该文针对船舶复杂电磁环境和有限空间，设计了一种新型船用无线智能测温系统，以ATmega128L为主控芯片、CC2420为射频芯片设计了基于无线传感网络操作系统TinyOS的智能节点，采用2.4G频段传输无线数据，且能处理高并发事件，实现了温度的实时采集、精确处理和无线传输。同时用C#语言开发了船用智能无线测温系统软件，实现了上下位机的通信和对温度的完整监测管理。

1 系统整体结构

船用智能无线测温系统采用无线信号实现对船舶温度信息的多点实时采集、报警，它包括无线测温节点、中心控制节点、测温系统软件。其整体结构如图1所示。其中节点的布置根据相应的无线传感网络节点分布算法及船舶待测点具体情况决定。

无线测温节点负责对温度信息进行采集、处理、存储、传输。无线测温节点向中心控制节点无线发送信息，中心控制节点接收无线测温节点发送的数据并通过RS232串口传送至上位机，测温系统软件对其进行处理、存储、报表或曲线显示、以及越限报警等。同时，计算机可设定各个无线测温节点的参数、采集频率及其它一些系统参数。

2 系统硬件设计

无线测温系节点均由传感器、微处理器、无线收发装置和电源四部分组成，其结构如图2所示。

传感器选择数字温度传感器DS18B20，它采用单总线接口方式与微处理器进行双向通信，经济性好，而且测量温度范围宽，精度高，体积小，使用方便，抗干扰能力强，适合于恶劣环境的现场温度测量。

硬件平台的主控芯片采用ATmega128L，它稳定性高，能够有效缓解系统在功耗与处理速度上的矛盾。同时集成了128K的系统内可编程Flash、4K的EEPROM、4K的内部SRAM等资源，满足大部分程序的开发要求。支持6种睡眠模式，能有效降低节点功耗。可编程串行USART，可以完成与其他串行设备的通信。endprint

无线收发装置采用TI/Chipcon公司开发的CC2420，它是符合ZigBee技术的高集成射频收发器件。它是基于Chipcon公司的Smart RF03技术，以0.18um CMOS工艺制成，外部元器件少，性能稳定且功耗低。CC2420的选择性和敏感性指数超过了IEEE 802.15.4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。采用其进行无线通信数据传输率高达250kbps，可以实现多点对多点的快速组网，适用于无线传感网络节点。

3 系统软件设计

3.1 无线测温节点软件设计

无线传感网络节点软件设计采用基于nesC语言的TinyOS编程模型。TinyOS具有组件的体系和事件驱动并发模型，其软件设计实质为各个组件程序设计过程。节点组件程序整体结构如图3所示。它主要包括顶层配件、核心处理模块和底层组件3层，其中底层组件即为功能实现模块，它包括系统组件、时钟组件、传感器组件以及消息组件等。顶层配件描述组件间接口关系，核心处理模块将各个功能实现模块整合为一个应用程序，底层组件负责各个具体功能。

无线测温节点的程序流程图如图4所示，首先对单片机ATmega128L、无线收发装置CC2420及传感器DS18B20进行初始化。然后开启周期性定时器，定时到时单片机采集传感器数据，对其处理后通过CC2420无线发送。同时单片机可并行接收其它的数据，对数据进行判断，若为温度信息，则对其进行处理后转发；若为控制信息，则对其进行相应处理。

中心控制节点的程序流程图如图5所示，首先对单片机ATmega128L、无线收发装置CC2420进行初始化并开启串口。中心控制节点一方面负责接收无线测温节点的数据并将其通过串口RS232传送至上位机，另一方面负责通过串口RS232接收上位机发送的命令并将数据发送至测温节点。

无线传感网络节点的软件设计包括以下环节：首先在TinyOS的apps目录下创建工程文件夹；然后采用nesC语言编写测温系统各程序文件，包括头文件、顶层配置文件、核心处理模块文件以及底层功能文件；最后，对程序进行编译并下载到各个测温节点。

3.2 上位机软件设计

上位机软件以Microsoft公司的Visual Studio 2010为开发平台，采用数据库SQL Server 2008进行信息管理，并用C#语言开发船用智能无线测温系统。

根据船舶温度管理实际要求，设计了上位机各个温度显示界面。通过设计的测温系统对实验室不同地点温度进行采集处理，如图6所示测温系统软件实时显示各个无线测温节点的信息。

4 结语

该文设计了一种新型船用智能无线测温系统，通过无线测温节点和RS232串口实现数据的传递。测试结果表明，该系统能够稳定、快速、准确地获取待测点的温度，同时网络组织灵活，节点功耗低，抗干扰性强，能够满足船舶测温实时性和准确性的要求。

参考文献

[1] 葛庆涛，赵莹，郭宗华.智能无线测温装置在莱钢的应用[J].工业控制计算机，2012，25（7）：114-115.

[2] 王文宾，乔胜奇.变电站无线测温在线监测系统[J].农村电气化，2008：208-211.

[3] Prof.Pramod T.Shitole.Auto monitoring energy-efficient wireless sensor network system for a grape farmland[J].International Journal of Advanced Research in Computer Science and Electronics Engineering，2012，1（3）：120-122.

[4] 邓伟.基于ATmega16和315射频模块的无线传感网络节点的设计[J].国外电子元器件，2007（2）：63-66.

[5] 张强.基于CC2430的农田无线测温节点的设计[J].电子技术，2013（8）：29-30.

[6] Cai Bin，Jin Xinchao，Yan Shaomin，et，al.Application Research on Temperature WSN Nodes in Switchgear Assemblies Based on TinyOS and ZigBee[C]//.2011 4th International Conference on Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies （DRPT）.Shandong， Weihai，2011：535-538.

[7] 潘浩，董齐芬，张贵军，等.无线传感器网络操作系统TinyOS[M].北京：清华大学出版社，2011.

[8] Rui Gao，Hong Zhou，Gang Su.Structure of Wireless Sensors Network Based on TinyOS[C]//.Control，2011 International Conference on Automation and Systems Engineering（CASE），Singapore，2011：1-4.endprint

无线收发装置采用TI/Chipcon公司开发的CC2420，它是符合ZigBee技术的高集成射频收发器件。它是基于Chipcon公司的Smart RF03技术，以0.18um CMOS工艺制成，外部元器件少，性能稳定且功耗低。CC2420的选择性和敏感性指数超过了IEEE 802.15.4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。采用其进行无线通信数据传输率高达250kbps，可以实现多点对多点的快速组网，适用于无线传感网络节点。

3 系统软件设计

3.1 无线测温节点软件设计

无线传感网络节点软件设计采用基于nesC语言的TinyOS编程模型。TinyOS具有组件的体系和事件驱动并发模型，其软件设计实质为各个组件程序设计过程。节点组件程序整体结构如图3所示。它主要包括顶层配件、核心处理模块和底层组件3层，其中底层组件即为功能实现模块，它包括系统组件、时钟组件、传感器组件以及消息组件等。顶层配件描述组件间接口关系，核心处理模块将各个功能实现模块整合为一个应用程序，底层组件负责各个具体功能。

无线测温节点的程序流程图如图4所示，首先对单片机ATmega128L、无线收发装置CC2420及传感器DS18B20进行初始化。然后开启周期性定时器，定时到时单片机采集传感器数据，对其处理后通过CC2420无线发送。同时单片机可并行接收其它的数据，对数据进行判断，若为温度信息，则对其进行处理后转发；若为控制信息，则对其进行相应处理。

中心控制节点的程序流程图如图5所示，首先对单片机ATmega128L、无线收发装置CC2420进行初始化并开启串口。中心控制节点一方面负责接收无线测温节点的数据并将其通过串口RS232传送至上位机，另一方面负责通过串口RS232接收上位机发送的命令并将数据发送至测温节点。

无线传感网络节点的软件设计包括以下环节：首先在TinyOS的apps目录下创建工程文件夹；然后采用nesC语言编写测温系统各程序文件，包括头文件、顶层配置文件、核心处理模块文件以及底层功能文件；最后，对程序进行编译并下载到各个测温节点。

3.2 上位机软件设计

上位机软件以Microsoft公司的Visual Studio 2010为开发平台，采用数据库SQL Server 2008进行信息管理，并用C#语言开发船用智能无线测温系统。

根据船舶温度管理实际要求，设计了上位机各个温度显示界面。通过设计的测温系统对实验室不同地点温度进行采集处理，如图6所示测温系统软件实时显示各个无线测温节点的信息。

4 结语

该文设计了一种新型船用智能无线测温系统，通过无线测温节点和RS232串口实现数据的传递。测试结果表明，该系统能够稳定、快速、准确地获取待测点的温度，同时网络组织灵活，节点功耗低，抗干扰性强，能够满足船舶测温实时性和准确性的要求。

参考文献

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[4] 邓伟.基于ATmega16和315射频模块的无线传感网络节点的设计[J].国外电子元器件，2007（2）：63-66.

[5] 张强.基于CC2430的农田无线测温节点的设计[J].电子技术，2013（8）：29-30.

[6] Cai Bin，Jin Xinchao，Yan Shaomin，et，al.Application Research on Temperature WSN Nodes in Switchgear Assemblies Based on TinyOS and ZigBee[C]//.2011 4th International Conference on Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies （DRPT）.Shandong， Weihai，2011：535-538.

[7] 潘浩，董齐芬，张贵军，等.无线传感器网络操作系统TinyOS[M].北京：清华大学出版社，2011.

[8] Rui Gao，Hong Zhou，Gang Su.Structure of Wireless Sensors Network Based on TinyOS[C]//.Control，2011 International Conference on Automation and Systems Engineering（CASE），Singapore，2011：1-4.endprint

无线收发装置采用TI/Chipcon公司开发的CC2420，它是符合ZigBee技术的高集成射频收发器件。它是基于Chipcon公司的Smart RF03技术，以0.18um CMOS工艺制成，外部元器件少，性能稳定且功耗低。CC2420的选择性和敏感性指数超过了IEEE 802.15.4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。采用其进行无线通信数据传输率高达250kbps，可以实现多点对多点的快速组网，适用于无线传感网络节点。

3 系统软件设计

3.1 无线测温节点软件设计

无线传感网络节点软件设计采用基于nesC语言的TinyOS编程模型。TinyOS具有组件的体系和事件驱动并发模型，其软件设计实质为各个组件程序设计过程。节点组件程序整体结构如图3所示。它主要包括顶层配件、核心处理模块和底层组件3层，其中底层组件即为功能实现模块，它包括系统组件、时钟组件、传感器组件以及消息组件等。顶层配件描述组件间接口关系，核心处理模块将各个功能实现模块整合为一个应用程序，底层组件负责各个具体功能。

无线测温节点的程序流程图如图4所示，首先对单片机ATmega128L、无线收发装置CC2420及传感器DS18B20进行初始化。然后开启周期性定时器，定时到时单片机采集传感器数据，对其处理后通过CC2420无线发送。同时单片机可并行接收其它的数据，对数据进行判断，若为温度信息，则对其进行处理后转发；若为控制信息，则对其进行相应处理。

中心控制节点的程序流程图如图5所示，首先对单片机ATmega128L、无线收发装置CC2420进行初始化并开启串口。中心控制节点一方面负责接收无线测温节点的数据并将其通过串口RS232传送至上位机，另一方面负责通过串口RS232接收上位机发送的命令并将数据发送至测温节点。

无线传感网络节点的软件设计包括以下环节：首先在TinyOS的apps目录下创建工程文件夹；然后采用nesC语言编写测温系统各程序文件，包括头文件、顶层配置文件、核心处理模块文件以及底层功能文件；最后，对程序进行编译并下载到各个测温节点。

3.2 上位机软件设计

上位机软件以Microsoft公司的Visual Studio 2010为开发平台，采用数据库SQL Server 2008进行信息管理，并用C#语言开发船用智能无线测温系统。

根据船舶温度管理实际要求，设计了上位机各个温度显示界面。通过设计的测温系统对实验室不同地点温度进行采集处理，如图6所示测温系统软件实时显示各个无线测温节点的信息。

4 结语

该文设计了一种新型船用智能无线测温系统，通过无线测温节点和RS232串口实现数据的传递。测试结果表明，该系统能够稳定、快速、准确地获取待测点的温度，同时网络组织灵活，节点功耗低，抗干扰性强，能够满足船舶测温实时性和准确性的要求。

参考文献

[1] 葛庆涛，赵莹，郭宗华.智能无线测温装置在莱钢的应用[J].工业控制计算机，2012，25（7）：114-115.

[2] 王文宾，乔胜奇.变电站无线测温在线监测系统[J].农村电气化，2008：208-211.

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[4] 邓伟.基于ATmega16和315射频模块的无线传感网络节点的设计[J].国外电子元器件，2007（2）：63-66.

[5] 张强.基于CC2430的农田无线测温节点的设计[J].电子技术，2013（8）：29-30.

[6] Cai Bin，Jin Xinchao，Yan Shaomin，et，al.Application Research on Temperature WSN Nodes in Switchgear Assemblies Based on TinyOS and ZigBee[C]//.2011 4th International Conference on Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies （DRPT）.Shandong， Weihai，2011：535-538.

[7] 潘浩，董齐芬，张贵军，等.无线传感器网络操作系统TinyOS[M].北京：清华大学出版社，2011.

[8] Rui Gao，Hong Zhou，Gang Su.Structure of Wireless Sensors Network Based on TinyOS[C]//.Control，2011 International Conference on Automation and Systems Engineering（CASE），Singapore，2011：1-4.endprint