基于無線傳感器網絡的監測與報警系統設計

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摘要：文中給出了一種基于無線傳感器網絡的監測與報警系統的設計。該系統利用無線通信模塊進行數據傳輸，以實現組網的靈活性；采用CRC校驗法保證傳輸的可靠性；采用查詢驅動的智能化模塊管理方式來降低能耗。實際應用表明，該系統特別適合于大面積、復雜環境下的數據采集與監測。
關鍵詞：無線傳感器網絡；低功耗；智能化管理；nRF401
在工業、醫療、交通、軍事等應用領域，環境(尤其是大面積、復雜、危險環境中)溫度、濕度等指標是工作現場的重要參數。傳統的有線監測方法，需要連接大量的電纜，具有組網復雜、成本高的缺點，不利于遠距離監測，尤其難以滿足需要根據測試現場實際情況改變測試點位置、增減測試點數目的要求。針對這一缺陷，設計了一種基于無線傳感器網絡的監測與報警系統。該系統具有布網簡單靈活、可靠性高、能耗低的優點，特別適合于遠距離、復雜環境下的數據采集與監測。
1 系統描述
基于無線傳感器網絡的監測與報警系統由若干無線傳感器節點和控制中心組成。無線傳感器節點由若干同一或不同類型的傳感器和無線收發模塊組成，分布于監測現場，進行相關參數的采集與無線傳送。控制中心通過無線收發模塊與無線傳感器節點進行通信，并對接收到的相關參數進行數據處理。基于無線傳感器網絡的監測與報警系統框圖如圖1所示。

當控制中心通過無線收發模塊發送某一無線傳感器節點的地址編碼后，所有的傳感器節點將接收到的地址編碼和自身的地址編碼進行比對，比對成功的傳感器節點通過傳感器對監控對象進行數據采集(其它的傳感器節點不進行數據采集)，再通過節點內的無線收發模塊發送到控制中心，控制中心對接收到數據進行相關處理。
2 系統硬件設計
無線傳感器網絡節點通常由多個傳感器、微處理器(CPU)、無線收發模塊3部分組成。主站系統由無線收發模塊、微處理器(CPU)、顯示與報警電路、控制鍵盤(如需進行數據分析則可通過串口模塊連接計算機實現)4部分組成。系統硬件框圖如圖2所示。

傳感器類型可根據監測對象的不同進行合理選擇。考慮到監測現場環境的復雜性和可能的危險性，應盡可能降低能耗，減少更換傳感器節點電池的頻率，故微處理器采用MSP430系列超低功耗單片機，無線收發模塊采用nRF401低功耗射頻芯片。
2．1 基于nRF401無線收發系統設計
無線射頻模塊采用nRF401無線收發芯片。該芯片使用433MHz頻段，芯片中集成了高頻發射與接收、PLL頻率合成、FSK調制與解調、多頻道切換等功能，具有抗干擾能力強、頻率穩定性高的特點。尤其重要的是還具有能耗小、外圍電路簡單的優點。無線射頻模塊電路結構如圖3所示。

nRF401與單片機MSP430F149通過I／O線連接。DIN與DOUT為數據輸入、輸出端，直接與單片機串口的TXD和RXD相連接。CS為頻道選擇端，當CS=0時，選擇433．92 MHz頻道，CS=1時，選擇434．33 MHz頻道。TXEN為發射／接收狀態切換端，當TXEN=0時，nRF401工作于接收狀態；當TXEN=0時，工作于發射狀態。PWR_UP為節能控制端，PWR_UP=0時，nRF401工作于休眠狀態，待機電流僅為8μA；PWR_UP=1時，nRF401處于正常工作狀態。
2．2 微處理器控制系統設計
硬件系統中的微處理器采用MSP430系列單片機。MSP430系列單片機是一種超低功耗的混合信號控制器，可在低電壓下超低功耗工作嘲。同時，MSP430系列單片機集成了豐富的片內外設，可以極大限度降低系統電路的復雜度，減少了節點的功耗和體積。另外，MSP430F149的運行環境溫度范圍為-40～85℃，可以適應各種惡劣的環境。
單片機與串口模塊、無線收發模塊的連接方式如圖4所示。無線收發模塊的CS、TXEN、PWR_UP分別連接單片機的I／O口，數據端DIN與DOUT直接與單片機串口的TXD和RXD相連接。單片機與PC機通過串口模塊MAX232進行電平轉換后連接(MAX232具有驅動能力，無需外加驅動電路)。需要注意的是：單片機與PC機、無線收發模塊的數據交換均通過TXD、RXD端進行。此時，單片機作為主機，PC機、無線收發模塊為從機。主機與從機之間可以進行雙向通信，通過地址碼對從機加以區分。從機與從機之間不能直接通信，必須通過主機轉發。

2．3 節能設計
考慮到監測現場環境的復雜性、可能存在的危險性以及維護成本的降低，應盡可能降低無線傳感器節點能耗，延長使用壽命，減小更換節點電池的頻率。因此，節能是設計中應需要優先考慮的問題。
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。無線傳感器網絡采用查詢驅動方式。僅當主機主動查詢數據某一傳感器節點數據時，主站才通過無線收發模塊喚醒相應的無線傳感器節點響應指令并傳回數據，其他時間傳感器節點處于休眠狀態。
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算速度來滿足計算和控制的需要，又能降低能耗。
另外，由于在相同時鐘頻率的條件下，供電電壓越低，能耗越低，因此在電路設計過程中應盡可能選用低電壓的CMOS系列集成電路芯片。
3 系統軟件設計
3．1 通信協議
在無線傳輸過程中，由于現場環境、天氣狀況、干擾與噪聲等因素的影響，無線傳感器節點和主站之間的無線通信常常會造成傳輸幀的丟失或數據傳輸出錯(誤碼)。為了保證系統傳輸的可靠性，需要制定通信協議，以便據此判斷接收到的數據是否有效、是否出錯。
本系統采用的無線收發數據幀結構由幀頭、地址編碼部分、數據部分、CRC校驗部分組成。無線收發系統數據幀結構如圖5所示。

在實際應用中，噪聲產生的數據為1111111100000000的概率很低，因此發送數據幀以0xFF和0x00為幀頭。用一個字節地址編碼來區別不同的傳感器節點或主機。數據檢錯采用CRC校驗方式。接收端檢測到0xFF和0x00字節后，表示收到的數據幀有效。如果該幀CRC校驗正確，則說明接收正確，否則表示該幀傳輸出錯，丟棄該幀。
3．2 程序流程
無線傳感器網絡監測系統程序流程如圖6、7所示。


主站需要檢測某一節點數據時，通過無線收發模塊發送該傳感器節點地址碼。無線傳感器節點收到地址碼后與自己的地址碼比對。比對成功則進行相應測量并將測試數據回傳給主站。
4 結束語
文中給出了一種基于無線傳感器網絡的監測與報警系統的設計。該系統利用無線通信模塊進行數據傳輸，數據幀采用含地址編碼和CRC校驗的短幀結構和查詢驅動的智能化模塊管理方式。實際應用表明，該系統具有組網方便靈活、能耗低、可靠性高、可實現無線數據雙向傳輸的特點，特別適合于大面積、復雜環境下的數據采集與監控。