基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：文中給出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)利用無線通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)的靈活性；采用CRC校驗(yàn)法保證傳輸?shù)目煽啃裕徊捎貌樵凃?qū)動(dòng)的智能化模塊管理方式來降低能耗。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)特別適合于大面積、復(fù)雜環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；低功耗；智能化管理；nRF401

在工業(yè)、醫(yī)療、交通、軍事等應(yīng)用領(lǐng)域，環(huán)境(尤其是大面積、復(fù)雜、危險(xiǎn)環(huán)境中)溫度、濕度等指標(biāo)是工作現(xiàn)場的重要參數(shù)。傳統(tǒng)的有線監(jiān)測方法，需要連接大量的電纜，具有組網(wǎng)復(fù)雜、成本高的缺點(diǎn)，不利于遠(yuǎn)距離監(jiān)測，尤其難以滿足需要根據(jù)測試現(xiàn)場實(shí)際情況改變測試點(diǎn)位置、增減測試點(diǎn)數(shù)目的要求。針對(duì)這一缺陷，設(shè)計(jì)了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有布網(wǎng)簡單靈活、可靠性高、能耗低的優(yōu)點(diǎn)，特別適合于遠(yuǎn)距離、復(fù)雜環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測。

1 系統(tǒng)描述
基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng)由若干無線傳感器節(jié)點(diǎn)和控制中心組成。無線傳感器節(jié)點(diǎn)由若干同一或不同類型的傳感器和無線收發(fā)模塊組成，分布于監(jiān)測現(xiàn)場，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的采集與無線傳送。控制中心通過無線收發(fā)模塊與無線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，并對(duì)接收到的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng)框圖如圖1所示。

當(dāng)控制中心通過無線收發(fā)模塊發(fā)送某一無線傳感器節(jié)點(diǎn)的地址編碼后，所有的傳感器節(jié)點(diǎn)將接收到的地址編碼和自身的地址編碼進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)成功的傳感器節(jié)點(diǎn)通過傳感器對(duì)監(jiān)控對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)采集(其它的傳感器節(jié)點(diǎn)不進(jìn)行數(shù)據(jù)采集)，再通過節(jié)點(diǎn)內(nèi)的無線收發(fā)模塊發(fā)送到控制中心，控制中心對(duì)接收到數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常由多個(gè)傳感器、微處理器(CPU)、無線收發(fā)模塊3部分組成。主站系統(tǒng)由無線收發(fā)模塊、微處理器(CPU)、顯示與報(bào)警電路、控制鍵盤(如需進(jìn)行數(shù)據(jù)分析則可通過串口模塊連接計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn))4部分組成。系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

傳感器類型可根據(jù)監(jiān)測對(duì)象的不同進(jìn)行合理選擇。考慮到監(jiān)測現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜性和可能的危險(xiǎn)性，應(yīng)盡可能降低能耗，減少更換傳感器節(jié)點(diǎn)電池的頻率，故微處理器采用MSP430系列超低功耗單片機(jī)，無線收發(fā)模塊采用nRF401低功耗射頻芯片。
2．1 基于nRF401無線收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
無線射頻模塊采用nRF401無線收發(fā)芯片。該芯片使用433MHz頻段，芯片中集成了高頻發(fā)射與接收、PLL頻率合成、FSK調(diào)制與解調(diào)、多頻道切換等功能，具有抗干擾能力強(qiáng)、頻率穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。尤其重要的是還具有能耗小、外圍電路簡單的優(yōu)點(diǎn)。無線射頻模塊電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

nRF401與單片機(jī)MSP430F149通過I／O線連接。DIN與DOUT為數(shù)據(jù)輸入、輸出端，直接與單片機(jī)串口的TXD和RXD相連接。CS為頻道選擇端，當(dāng)CS=0時(shí)，選擇433．92 MHz頻道，CS=1時(shí)，選擇434．33 MHz頻道。TXEN為發(fā)射／接收狀態(tài)切換端，當(dāng)TXEN=0時(shí)，nRF401工作于接收狀態(tài)；當(dāng)TXEN=0時(shí)，工作于發(fā)射狀態(tài)。PWR_UP為節(jié)能控制端，PWR_UP=0時(shí)，nRF401工作于休眠狀態(tài)，待機(jī)電流僅為8μA；PWR_UP=1時(shí)，nRF401處于正常工作狀態(tài)。
2．2 微處理器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
硬件系統(tǒng)中的微處理器采用MSP430系列單片機(jī)。MSP430系列單片機(jī)是一種超低功耗的混合信號(hào)控制器，可在低電壓下超低功耗工作嘲。同時(shí)，MSP430系列單片機(jī)集成了豐富的片內(nèi)外設(shè)，可以極大限度降低系統(tǒng)電路的復(fù)雜度，減少了節(jié)點(diǎn)的功耗和體積。另外，MSP430F149的運(yùn)行環(huán)境溫度范圍為-40～85℃，可以適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境。
單片機(jī)與串口模塊、無線收發(fā)模塊的連接方式如圖4所示。無線收發(fā)模塊的CS、TXEN、PWR_UP分別連接單片機(jī)的I／O口，數(shù)據(jù)端DIN與DOUT直接與單片機(jī)串口的TXD和RXD相連接。單片機(jī)與PC機(jī)通過串口模塊MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后連接(MAX232具有驅(qū)動(dòng)能力，無需外加驅(qū)動(dòng)電路)。需要注意的是：單片機(jī)與PC機(jī)、無線收發(fā)模塊的數(shù)據(jù)交換均通過TXD、RXD端進(jìn)行。此時(shí)，單片機(jī)作為主機(jī)，PC機(jī)、無線收發(fā)模塊為從機(jī)。主機(jī)與從機(jī)之間可以進(jìn)行雙向通信，通過地址碼對(duì)從機(jī)加以區(qū)分。從機(jī)與從機(jī)之間不能直接通信，必須通過主機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)。

2．3 節(jié)能設(shè)計(jì)
考慮到監(jiān)測現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜性、可能存在的危險(xiǎn)性以及維護(hù)成本的降低，應(yīng)盡可能降低無線傳感器節(jié)點(diǎn)能耗，延長使用壽命，減小更換節(jié)點(diǎn)電池的頻率。因此，節(jié)能是設(shè)計(jì)中應(yīng)需要優(yōu)先考慮的問題。
為了降低能耗，主站采用多工作模式，可通過各模塊的智能化管理以避免閑置模塊能源的浪費(fèi)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用查詢驅(qū)動(dòng)方式。僅當(dāng)主機(jī)主動(dòng)查詢數(shù)據(jù)某一傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)，主站才通過無線收發(fā)模塊喚醒相應(yīng)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)響應(yīng)指令并傳回?cái)?shù)據(jù)，其他時(shí)間傳感器節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)。
由于微處理器的振蕩頻率越低，其能量消耗越低。因此，可以適當(dāng)降低微處理器的振蕩頻率，以便保證微處理器既有足夠高的運(yùn)算速度來滿足計(jì)算和控制的需要，又能降低能耗。
另外，由于在相同時(shí)鐘頻率的條件下，供電電壓越低，能耗越低，因此在電路設(shè)計(jì)過程中應(yīng)盡可能選用低電壓的CMOS系列集成電路芯片。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 通信協(xié)議
在無線傳輸過程中，由于現(xiàn)場環(huán)境、天氣狀況、干擾與噪聲等因素的影響，無線傳感器節(jié)點(diǎn)和主站之間的無線通信常常會(huì)造成傳輸幀的丟失或數(shù)據(jù)傳輸出錯(cuò)(誤碼)。為了保證系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃裕枰贫ㄍㄐ艆f(xié)議，以便據(jù)此判斷接收到的數(shù)據(jù)是否有效、是否出錯(cuò)。
本系統(tǒng)采用的無線收發(fā)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)由幀頭、地址編碼部分、數(shù)據(jù)部分、CRC校驗(yàn)部分組成。無線收發(fā)系統(tǒng)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖5所示。

在實(shí)際應(yīng)用中，噪聲產(chǎn)生的數(shù)據(jù)為1111111100000000的概率很低，因此發(fā)送數(shù)據(jù)幀以0xFF和0x00為幀頭。用一個(gè)字節(jié)地址編碼來區(qū)別不同的傳感器節(jié)點(diǎn)或主機(jī)。數(shù)據(jù)檢錯(cuò)采用CRC校驗(yàn)方式。接收端檢測到0xFF和0x00字節(jié)后，表示收到的數(shù)據(jù)幀有效。如果該幀CRC校驗(yàn)正確，則說明接收正確，否則表示該幀傳輸出錯(cuò)，丟棄該幀。
3．2 程序流程
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)程序流程如圖6、7所示。

主站需要檢測某一節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)，通過無線收發(fā)模塊發(fā)送該傳感器節(jié)點(diǎn)地址碼。無線傳感器節(jié)點(diǎn)收到地址碼后與自己的地址碼比對(duì)。比對(duì)成功則進(jìn)行相應(yīng)測量并將測試數(shù)據(jù)回傳給主站。

4 結(jié)束語
文中給出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)利用無線通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)幀采用含地址編碼和CRC校驗(yàn)的短幀結(jié)構(gòu)和查詢驅(qū)動(dòng)的智能化模塊管理方式。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)具有組網(wǎng)方便靈活、能耗低、可靠性高、可實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)雙向傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，特別適合于大面積、復(fù)雜環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控。