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無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于蘊(yùn)藏著巨大的科學(xué)意義和使用價(jià)值，己受到越來(lái)越多學(xué)術(shù)部門、軍事部門和工業(yè)部門的青睞。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在很多情況下需要對(duì)環(huán)境的溫濕度進(jìn)行檢測(cè)，并加以控制，特別是對(duì)污染嚴(yán)重、自然條件惡劣、人員難以到達(dá)的地方。本文利用溫濕度傳感器DSl8820使用較為簡(jiǎn)單，測(cè)量精度較高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合MSP430F2013的強(qiáng)大功能以及低功耗的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種基于溫度無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)，用來(lái)對(duì)環(huán)境的溫度進(jìn)行監(jiān)控。 1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)小型或微型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成一個(gè)多跳的自組織智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其應(yīng)用前景非常廣闊，現(xiàn)正逐步深入到人類生活的各個(gè)領(lǐng)域，比如醫(yī)療護(hù)理、建筑結(jié)構(gòu)、健康監(jiān)測(cè)等。環(huán)境檢測(cè)也是一類典型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)圖如圖1． 2 溫度傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的核心是傳感器節(jié)點(diǎn)，且設(shè)計(jì)需要滿足以下幾個(gè)主要條件：網(wǎng)絡(luò)性，小型化，低功耗，穩(wěn)定性。 根據(jù)上述幾點(diǎn)要求，傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)一般包括四個(gè)部分：處理器模塊、無(wú)線傳輸模塊、傳感器模塊和電源供應(yīng)模塊。如結(jié)構(gòu)圖2所示： 本文硬件電路設(shè)計(jì)中采用了TI公司的16位低功耗單片機(jī)MSP430F2013作為處理模塊，傳感器模塊采用DS18820，無(wú)線傳輸模塊采用低功耗無(wú)線收發(fā)模塊CCll00，電源采用電池或者是穩(wěn)壓電源。傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，存儲(chǔ)和采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)；無(wú)線通信模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；電源供應(yīng)模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量，通常采用微型電池。 2．1 DSl8820 溫度傳感器采用DSl8820，起使用比較簡(jiǎn)單，其主要特點(diǎn)有以下幾個(gè)方面 (1)獨(dú)特的單線接口方式：DSl8820與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DSl8820的雙向通訊。在使用中不需要任何外圍元件。 (2)可用數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍：+3．0"+5．5V。 (3)測(cè)溫范圍：-55+125℃。固有測(cè)溫分辨率為O．5℃。 (4)通過(guò)編程可實(shí)現(xiàn)9"12位的數(shù)字讀數(shù)方式。 (5)用戶可自設(shè)定非易失性的報(bào)警上下限值。 (6)支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DSl8820可以并聯(lián)在惟一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫。 (7)負(fù)壓特性，電源極性接反時(shí)，溫度計(jì)不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。 由于DSl8820單線通信功能是分時(shí)完成的，他有嚴(yán)格的時(shí)隙概念，因此讀寫時(shí)序很重要。系統(tǒng)對(duì)DSl8820的各種操作必須按協(xié)議進(jìn)行。操作協(xié)議為：初始化DS18820(發(fā)復(fù)位脈沖)→發(fā)ROM功能命令→發(fā)存儲(chǔ)器操作命令→處理數(shù)據(jù)。 2．2 MSP430F2013 處理器模塊是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算核心，所有的設(shè)備控制、任務(wù)調(diào)度、能量計(jì)算和功能協(xié)調(diào)、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)整合和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)程序都將在這個(gè)模塊的支持下完成，所以處理器的選擇在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。 msp430f2013是Ti公司msp430系列的一款微控制器， 它具有以下結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：16位的risc cpu、16位的寄存器和常數(shù)發(fā)生器，可以獲得很高的代碼效率；五種低功耗模式，在便攜式的測(cè)量應(yīng)用中可以延長(zhǎng)電池的使用壽命：數(shù)控振蕩器(dco)使得從低功耗模式切換到正常模式只要不到μs；一個(gè)16位的定時(shí)器；10個(gè)i／o口：具備同步通信協(xié)議(spi或者i2c)；一個(gè)16位的σ一δADC。傳感器與處理器結(jié)構(gòu)如圖3所示。 2．3 無(wú)線收發(fā)模塊CCl100 無(wú)線通信模塊是耗能的主要模塊，因此要慎重選擇。考慮到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信模塊必須是能量可控的，并且收發(fā)數(shù)據(jù)的功耗要非常低，選用Chipcon公司的CCll00作為無(wú)線收發(fā)模塊。該芯片體積小、功耗低，數(shù)據(jù)速率支持1．2到500Kbps的可編程控制，本文中CCll00工作在315MHZ的頻率上，采用FSK調(diào)制方式，數(shù)據(jù)速率為100kbps，信道間隔為100kHZ。CCll00編程線與數(shù)據(jù)線是分別與處理器芯片連接的，這樣就可以在收發(fā)數(shù)據(jù)的同時(shí)方便地讀到CCll00內(nèi)部寄存器的狀態(tài)，從而能有效地控制通信過(guò)程。無(wú)線收發(fā)模塊的原理圖如下： 3 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括節(jié)點(diǎn)發(fā)送程序和參數(shù)調(diào)節(jié)程序、SINK節(jié)點(diǎn)接收程序及上位PC機(jī)程序。節(jié)點(diǎn)發(fā)送程序主要完成現(xiàn)場(chǎng)傳感器芯片的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)發(fā)送。節(jié)點(diǎn)發(fā)送程序流程如圖4所示，上電后節(jié)點(diǎn)無(wú)線模塊處于接收狀態(tài)，檢測(cè)SINK節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的指令，當(dāng)收到正確的指令后開(kāi)始對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)后，將把字頭后的數(shù)據(jù)認(rèn)為是有效數(shù)據(jù)，單片機(jī)首先核對(duì)分站ID號(hào)，如ID號(hào)不是本機(jī)則丟棄所有數(shù)據(jù)，重新進(jìn)入接收狀態(tài)，這樣可以防止錯(cuò)誤動(dòng)作和惡意的破壞。反之，則繼續(xù)對(duì)命令號(hào)進(jìn)行判斷，以確定節(jié)點(diǎn)的動(dòng)作。如SINK節(jié)點(diǎn)要數(shù)據(jù)則對(duì)傳感器號(hào)進(jìn)行判斷，以確認(rèn)所要的是該節(jié)點(diǎn)的哪個(gè)傳感器數(shù)據(jù)。對(duì)數(shù)據(jù)分析完畢后，節(jié)點(diǎn)將現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、打包，并發(fā)給SINK節(jié)點(diǎn)，或啟動(dòng)參數(shù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，然后重新進(jìn)入接收狀態(tài)。 4 結(jié)束語(yǔ) 本文在總結(jié)原有理論研究成果的基礎(chǔ)上，提出了基于單片機(jī)MSP430和CCllOO收發(fā)芯片構(gòu)成的低成本、低功耗的溫度無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，在試驗(yàn)中可采用5個(gè)節(jié)點(diǎn)和1個(gè)SINK節(jié)點(diǎn)組建一個(gè)小型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的成功設(shè)計(jì)對(duì)進(jìn)行無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)，到最后的實(shí)際應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。 |
