无线温度传感器网络节点设计研究

熊辰念　闫东方

摘要：该文依据无线传感器网络技术的设计理念，设计了一种基于DS18B20温度传感器和nRF905射频模块的无线温度传感网络节点，提出了一种节点编码方式，并通过汇聚节点将信息传输到客户端，客户端可以无线监测不同区域内温度变化情况。

关键词：节点；温度传感器；无线传感器网络；无线模块；温度监测

中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）13-0053-02

无线传感器网络系统[1]的结构如图1所示，它通常包括汇聚节点和普通节点。监测区域内的传感器节点能够按照通讯方式传输数据，汇聚节点接收数据传输到互联网或卫星，最后通过互联网或移动网络到达管理节点，即客户端。用户通过客户端对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务和收集监测数据。

无线传感器网络广泛应用在智能农业、环境监测、医疗健康中，例如将无线温度传感器节点撒布在温室大棚、森林、病房中，及时获取相应区域温度变化，在有效实时防控灾害方面具有重大意义。因此本文依据无线传感网络节点设计方法，设计了无线温度传感器网络节点。

1 无线温度传感节点模块设计

1.1温度采集模块

本文依据设计需要，温度测量精度要求为0.5 °C，因此本文选用DS18B20温度传感器[2]模块，模块的硬件电路图如图2所示

DS18B20温度模块特性

DS18B20的主要特征：①全数字温度转换及输出。②先进的单总线数据通信。③最高12位分辨率，精度可达土0.5摄氏度。④12位分辨率时的最大工作周期为750毫秒。

DS18B20引脚功能：GND-电压地，DQ-单数据总线 、VDD-电源电压

1.2 无线收发模块设计

根据应用需要，无线模块[3-4]传输距离为500m左右，本文因此选用nRF905 芯片，它是单片射频收发器。芯片工作电DC1.9～3.6V，工作在433/868/915MHz 三个ISM 频段，频段之间收发模式切换时<650us。引脚示意图如图3所示。

数据传输接口由SCK、MISO、MOSI以及 CSN组成。

模式控制接口：控制低功耗的PWR_UP、控制正常工作TX_EN、选择发送还是接受方式的TRX_CE，在nRF905无线收发模块应用中应该注意的问题是频率配置寄存器内容，频率配置寄存器包括10个二进制位，如表1所示，

频率计算公式如下：

其中是射频信号频率，单位为MHZ， 是设置通道频差参数，当=0时，通道频差100kHz，当=1时，通道频差200kHz，设置工作频率参数，由9位二进制位组成。

1.3 无线温度传感网络节点

由于温室大棚、育婴室及孵化室24小时实时监控每一个节点位置的温度，节点需要低功耗微处理器，通过对比其他微处理器选用MSP430F123微处理器，使用电池盒为供电电源，图4所示为节点实物图。

2 无线温度传感节点通讯

根据应用要求本文所设计的节点并不需要严格定位，只需要动态监视固定范围内的温度变化，为了降低成本及简化开发复杂程度，对普通节点编码，即对每一个节点编号，汇聚节点不停地接受普通节点发出的信号并解码，判断节点号，如图5所示，然后汇聚节点将温度信息无线发送给客户端，客户端可以根据需要将相关信息发送到移送终端。同时也可以通过客户端将命令信号发送给将汇聚节点，汇聚节点将命令发送到普通节点。汇聚节点与单一普通节点通信过程中是通过握手信号实现的，即汇聚节点与单一普通节点通信时首先检测是否是命令信号还是数据包信号，如果是数据包继续发送，如果是命令信号停止发送数据包，配置节点。

3 上位机程序开发

客户端上位机程序是在Visual Studio 2005环境下开发的，选用的画图控件是TeeChart Pro [5]。在开发上位机绘图软件时需要安装该控件，并进行相应的设置。

在上位机温度监控界面开发过程中，主要是对汇聚节点发送的温度数据接收，然后把接收的数据通过控件中的AddXY函数显示在监控界面中，监控界面如图6所示。在监控界面中可以设置监控区域，并以不同的曲线代表不同的监测区域。如图6所示是检测区域1和区域2的温度变化曲线。

4 结论

本文通过对无线温度传感网路节点模块的设计，实现温度的无线收发。设计汇聚节点与普通节点之间的无线通讯方式，并开发上位机程序，最终能够实时监控不同区域的温度值，监测温度精度为0.5°。通过试验验证，本文研究的无线传感网络节点监控系统能够应用在监测半径为500m的区域内。

参考文献：

[1] 王汝传，孙力娟.无线传感器网络技术及其应用[M].北京：人民邮电出版社，2011：292-338.

[2] 颜丽娜，张铁民.基于DS18B20测温系统的设计[J].科技信息，2010（11）：496-497.

[3] 孙英达，徐文琴，丁立新.nRF905无线收发芯片的应用[J].机械制造与自动化，2009（6）：115-117.

[4] 赵建华，韩玉杰.基于nRF905的温室无线数据传输系统[J].机电产品开发与创新，2009（6）：141-143.

[5] 屈景辉.TeeChart应用技术详解[M].北京： 中国水利水电出版社，2007：10-100.