多点无线智能环境检测系统设计的研究与实现

赵一瑾

(河北科技大学澳联大信息工程学院 河北石家庄 050000)

现如今，很多领域的生产活动中，需全程掌握环境条件，主要是温湿度与光照等，以保障生产过程的稳定性。当前比较常见的环境检测方法包括专门仪器、分布式传感网络等，检测功能有限、缺乏灵活调节参数的性能，加之无法进行远程、实时的检测，这并不符合当代生产活动的需要。而在无线网络愈发成熟的趋势背景下，环境检测技术随之开启长距离、低功耗、多节点的现代化“大门”。

1 无线传感网络相关原理分析

单就无线传感网络中节点能量的角度而言，硬件上，传感装置节点的耗能模块有无线通信以及处理器等。一般情况下，传感装置节点把1 bit 数据传送到距离自身100 m的地方，会消耗掉如同实施3 000条计算指令时的能量。而且与通信需要的能量比较，传感装置采集数据中消耗的能量极少，和运行时间是正相关，所以节点能量消耗的相关分析一般不会考虑该方面因素[1]。无线网络中，传感装置节点的能量消耗模型，把一条n个bit 的数据传输到距离d 的地方，相应射频电路的发送及接收能耗计算公式为

其中，Eelec是指发射端（TE）以及接收端（RE），单次发送以及接收信号的能耗，单位是bit；εamp是指发射放大器，各个信号传输中每单位平方米消耗的能量；k是指射频传播的衰减指数，其取值范围在2～5之间，具体取值需要根据所处的环境选择，在网络环境比较流畅，没有障碍的情况下，k取值是2，但如果传输发射与接收点之间，有较多的遮挡物，实施远距离发送时，k就应取3～5。

2 多点无线智能环境检测系统的设计及实现分析

2.1 系统硬件设计

根据环境检测系统的功能需要，系统应当能实时检测出相应环境中的温湿度、光照情况与CO2浓度等，并使各个检测点进行模块化管理，借助无线网络，把现场采集到的信息发送到系统中控主机，而后主机负责数据处理，按照用户设置参数现实相应测量数据。

2.1.1 主机MCU

在环境检测系统中，主机MCU选择32位的微处理器，即STM32F103xx 的系列里ZET6 型号，具体如图1所示。该型号的微处理器，数据容量大、接口形式多、功能也比较完善。与此同时，配备32位嵌入结构的微控制器，此装置模块的核心单元为Cortex-M3，其允许在线编程，拥有512 k flash 以及64 k RAM、72 M 高频。另外，还配有42 个16 位数据寄存装置，允许进行串行调试与JTAG 调试，具有80 个IO 接口，并且是通用结构，能兼容5 V电平逻辑。

图1 STM32F103ZET6微处理器

笔者为提高设计检测系统的可用性，在主机外围还增加一定数量的外围设备，具体有串行的FLASH，其可保存系统启动代码以及部分界面图像；UART 的调试模块，负责系统用户测试和交互通信[2]。通过完善系统外围接口，提高检测系统运行及使用的灵活度，丰富接口数量，具体原理结构如图2所示。

图2 主机MCU原理结构图

2.1.2 终端节点

（1）处理器选择。

在进行整体性分析后，笔者最确定选择ST公司推出的极低功耗型号，即STM32L151CBT6微处理器。该系列的设备是行业中首款由世界半导体供应商推出的产品，处于32 MHz 的工作状态中，能展现出最佳的处理性能，即33DMIPS。

（2）传感器网络。

智能化的环境检测系统的设计，笔者设定温湿度、CO2浓度与光照多个技术参数，为此就要配备适宜的传感装置，完成终端信息采集，并且考虑到系统运转性能的问题，应当保障传感装置的信息采集精度与动作效率[3]。经过多项比较分析，最终确定贴片系列的温湿度传感装置，用于采集此方面的环境参数；对于环境中的光照状态，选择由光敏电阻组成的检测电路；CO2气体数据采集的传感装置，选择MG811 型号的产品，具体如图3所示。

图3 MG811型号传感装置

（3）无线网络输送。

上文已经提到，该系统选择433 M 无线信号将终端节点和主机连接起来，支持实时通信。通过对相关方面的探究，建议选择RF 集成芯片，即CC1101，其运行功耗极少，且不足1 GHz的射频发射装置，应用性能较佳，能完成数据包处理、获取信号强弱数据、信道性能评估、数据缓冲与链路品质指示等。在结构上，CC1101 芯片的射频单元均被封装在其内部，仅借助SPI接口完成软件驱动，也就是支持无线收发。在电源端口连接适宜的滤波电容，控制电源纹波，维持系统运转的平稳性。而系统天线端则选择50 Ω的弹簧天线，就能满足检测系统的阻抗需要。环境检测系统中，具体涉及复位、电源以及各类接口。相应的结构框架具体如图4所示。

图4 终端节点结构框架图

图5 CC1101协调器运行流程图

2.2 系统软件设计

2.2.1 上位机监控系统

在环境检测系统中，上位机监控的软件程序，可根据系统用户设置参数，实时显示输出对应环境检测终端收集到的测量结果，并支持查找历史数据，限制报警数值，完整保留发生过的报警信息，同时，还自动统计显示环境检测参数的最高值、最低值与平均值，一旦某个环境条件超出设定报警数值，系统立即报警。

2.2.2 主控制器软件程序

一是和CC1101之间建立起无线传感网络，令各个节点稳定互联、传输信息。二是根据实时采集的环境条件数据，检测到异常信息，需能自动利用GPRS给用户移动设备发送报警信息。三是把环境监控信息传送到上位机，达到统一监控的运行效果。同时，还可按照上位机下发的数据，完成对应监控网络的管控，并支持调整参数。四是在系统单机工作中，显示屏可输出实时采集到的环境监控信息。

2.2.3 CC1101模块程序规划

一方面是主机协调器。此部分的软件程序设计，需先把协议栈上应用层进行初始化处理，令其数据收发处于空闲的状态中，启动全局中断，将无线连接端口同样实施初始化处理。按照传输协议，协调器初始频段是433 M，并默认设置PANID为Ox1348，一次可发出128 个字节。待网络建设完成后，协调器把地址信息发送到系统控制中心，程序启动主循环[4]。

另一方面是监控模块。在系统监控模块的前期处理中，也涉及到应用层、无线连接端口的初始化处理，和主机协调器相同，而且仅有二者保持一致的情况下，监控模块的各个节点才能进入无线网络中[5]。假设用户在操作中，尝试连接网络但没有成功，需每隔2 s 重复尝试，直到连接成功。随后监控模块会把自身的注册资料发给协调器，由后者统一发给系统控制中心。在监控模块成功联网注册后，关联的传感装置与控制器都要进行初始化，启动循环程序，按照设置频率，把测量到的环境信息，发给协调器。如果接收协调器的控制指令，需根据要求进行对应的参数设置。相应模块程序运行流程见图6。

图6 监控模块程序运行流程图

2.3 系统测试分析

2.3.1 射频单元测试

射频单元测试是为通过RF有关参数，判断其工作性能，这也是多点智能环境检测系统运转的基础。其中，主要参数包括：工作频段为433 m；发射功率不超过2 dBm；射频单元功耗，不同状态下，此项参数会有差异，发射状态下，功耗不超过40 mA，接收状态下，功耗不超过23 mA，睡眠状态下，功耗不超过2 μA；接收灵敏度为-98 dBm；稳定传输距离是300 m。系统运行中，用户能按照自身对环境检测的要求，设置调制方法与通信速率。该系统的全部技术参数均满足多点检测系统的使用要求。

2.3.2 环境条件检测

为客观判断系统的检测性能，选择合适的位置，放上相同检测终端设备，并在对应点位放上专业检测仪器，作为对照数据。此次性能测试，共生成4 组数据，各个环境条件参数的4 次相对误差率分别为：温度参数为12.4%、5.13%、0.95%、7.36%；湿度为7.63%、0.0%、0.6%、2.2%；光照强度为16.75%、2.34%、0.76%、0.18%；二氧化碳浓度为11.21%、7.68%、5.51%、5.46%。根据相关测试实验误差分析结果来看，该系统的环境条件检测项目多、准确性高，仅出现个别误差较大的数据，总体上符合系统设计标准，满足现实使用需要[6]。

3 结语

总之，为提高环境检测的时效性，确保环境条件满足相应产业的生产需要，笔者立足于无线传感网络，设计智能化的环境检测系统。在此检测系统下，划分出若干模块，如上位机与操作终端查看、无线终端检测等，保障检测系统运行的稳定性与功能性。另外，还可以统一处理来自不同传感装置终端采集到的环境信息，通过无线网络，把数据发送给中控主机，进一步实施比对分析，给下级模块反馈，完成远程的环境监测与技术参数调节。