基于防爆型無線傳感器網絡信息采集節點的設計

0 引言

無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks,WSN)是新一代的傳感器網絡，由大量無人值守、具有通信和計算能力的微小型節點構成的自主探測系統。無線傳感器網絡的可快速部署、可自組網、高容錯性及低功耗、通訊效率高、網絡生存能力強、可靠性好、成本低廉等特點，能滿足信息獲取的實時性、準確性和全面性等需求，非常適合軍事、工業等領域的應用，尤其是適應于惡劣的環境及野外條件用，其在軍事、農業、環境監測、醫療衛生、工業、智能交通、建筑物監測、空間探索等領域有著廣闊的應用前景和巨大的應用價值，被認為是未來改變世界的十大技術之一、全球未來四大高技術產業之一。

隨著信息技術的發展和現代管理理念的改變，作為儲存、裝卸、輸轉和供應油料基地的油庫，也引入了無線傳感器網絡技術，其泵站、輸油管線、油料裝備和油庫設施設備均可成為無線傳感器網絡的監測對象。針對油庫常見的流量、壓力、溫度、濕度、液位、油氣濃度等現場儀表信息采集與處理存在的不便，構建了油庫傳感器網絡系統，實現了油庫各類傳感器儀表信息的自動采集與處理。系統主要包括信息采集節點、無線網絡、信息匯聚終端、上位機信息處理中心等幾部分。

本文重點介紹了信息采集節點的軟硬件設計。信息采集節點是油庫傳感器網絡系統的前端設備，是構成無線傳感器網絡的基礎，是承載無線傳感器網絡的信息感知、數據處理和網絡功能的基本單元，所有與傳感器網絡相關的協議、機制、算法等都需要在節點上實現并優化，負責采集各類儀表傳感器信號，并通過網絡上傳到信息匯聚終端。本文中的信息采集節點運用通用化、模塊化設計思想，采用同一處理器、殼體，配套不同無線模塊的方法進行設計，包括殼體設計、硬件電路設計及配套軟件設計。

1 硬件設計

本文設計的信息采集節點具有接口多、應用環境特殊等特點，因此，節點在設計過程中，除滿足應用功能要求外，還要滿足環境適應性、性能穩定性、電磁兼容性、防爆性等技術要求。該節點主要由殼體、電器部件、Ex電纜引入裝置等部件組成。下面從硬件電路設計和殼體結構設計兩個方面進行介紹。

1.1 硬件電路設計

信息采集節點硬件層主要包括4 個模塊：電源模塊、數據處理模塊(包括存儲器和微控制器)、無線通信模塊以及數據采集模塊(包括傳感器及其驅動接口電路)。在各單元模塊中，核心部分為數據處理模塊以及無線通信模塊。處理器作為傳感器節點運轉的“心臟”,在上面運行著嵌入式系統軟件，從而對另外3個模塊的工作進行控制;無線通信模塊主要負責與其他節點通信，交換控制消息和收發采集數據。信息采集節點模塊結構框圖如1所示。

1.1.1 電路原理設計

與其他無線傳感器網絡信息采集節點相比，本文設計的信息采集節點需要采集處理不同類型傳感器信號，包括流量、壓力、溫度、濕度、液位、油氣濃度等儀表數據信息，各種儀表信息源輸出大概有以下幾種制式：數字脈沖信號、1~5 V、4~20 mA、RS 485、HART 等;同時，還預留485總線，232串口，SPI接口，I2C接口和多路AD/DA接口，方便其他擴展功能應用，如連接顯示屏、打印機、鍵盤、GPS等。主板設計的難點是解決主板電磁兼容性設計和高集成度多接口小尺寸電路主板設計難題。信息采集節點的主板電路原理框圖如圖2所示。

信息采集節點的微控制單元(MCU)采用TI公司低功耗單片機MSP 系列中的MSP430FG4618 型號，MSP430FG4618 具有集成度高、外圍設備豐富、超低功耗等優點，擁有五種節能模式，適合于不同應用場合。

而且MSP430FG4618 帶有12 位的高速AD 模塊，即MSP430FG4618可以接收數字量和模擬量，而且可以采用中斷、定時方式測量流量脈沖信號，因此，MSP430FG4618的應用可以大大簡化電路設計。

信息采集節點的無線通信模塊根據具體實際應用，選用夏瑞(RENEX)公司的CORE1 無線模塊或Chipcon公司的CC2420無線模塊。其中，CORE1無線模塊用于動態移動裝備的通信，CC2420無線模塊用于固定設備的通信。

信息采集節點電能由固定設備儀表連接電源或裝備上自身車載電源提供。采用軍品級的DC-DC電源直流調制模塊，在9~18 V的寬電壓輸入范圍內輸出穩定的12 V直流電，在12 V基礎上采用降壓IC進一步調制成其他穩定電壓輸出為MCU、無線通信模塊等供電。

電源原理電路如圖3所示。

為保護信息采集節點，防止被燒壞或不能正常工作，本品使用了變壓器型電源隔離電路，抑制或消除了電源輸入可能造成的干擾。

1.1.2 元器件選擇

(1)所有元件盡可能選用表面貼裝元件。表面貼裝元件不僅體積小，可有效降低電路板面積占用面積，便于PCB設計，更重要的是其引腳小，發射和接收的電磁能量小，可以顯著提高電磁兼容性能。

(2)所有集成電路盡可能選用CMOS 電路。CMOS電路具有的功耗低、抗干擾能力強和寬工作穩定范圍等特點，特別適用于設計要求，其中小規模集成電路無需特別要求均可適應軍品的環境適應性要求。僅需對大規模集成電路選用軍品級電路。但CMOS 電路的瞬間功率設計要求高，為此對每個集成電路均加裝了去耦合電容。

(3)所有儲能元件均盡可能選擇低容量值，并在電壓和電流上加一定的限制。