基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的監測與報警系統設計

摘要：文中給出了一種基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的監測與報警系統的設計。該系統利用無(wú)線(xiàn)通信模塊進(jìn)行數據傳輸，以實(shí)現組網(wǎng)的靈活性；采用CRC校驗法保證傳輸的可靠性；采用查詢(xún)驅動(dòng)的智能化模塊管理方式來(lái)降低能耗。實(shí)際應用表明，該系統特別適合于大面積、復雜環(huán)境下的數據采集與監測。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )；低功耗；智能化管理；nRF401

在工業(yè)、醫療、交通、軍事等應用領(lǐng)域，環(huán)境(尤其是大面積、復雜、危險環(huán)境中)溫度、濕度等指標是工作現場(chǎng)的重要參數。傳統的有線(xiàn)監測方法，需要連接大量的電纜，具有組網(wǎng)復雜、成本高的缺點(diǎn)，不利于遠距離監測，尤其難以滿(mǎn)足需要根據測試現場(chǎng)實(shí)際情況改變測試點(diǎn)位置、增減測試點(diǎn)數目的要求。針對這一缺陷，設計了一種基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的監測與報警系統。該系統具有布網(wǎng)簡(jiǎn)單靈活、可靠性高、能耗低的優(yōu)點(diǎn)，特別適合于遠距離、復雜環(huán)境下的數據采集與監測。

1 系統描述
基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的監測與報警系統由若干無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)和控制中心組成。無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)由若干同一或不同類(lèi)型的傳感器和無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊組成，分布于監測現場(chǎng)，進(jìn)行相關(guān)參數的采集與無(wú)線(xiàn)傳送?？刂浦行耐ㄟ^(guò)無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊與無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)進(jìn)行通信，并對接收到的相關(guān)參數進(jìn)行數據處理?；跓o(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的監測與報警系統框圖如圖1所示。

當控制中心通過(guò)無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊發(fā)送某一無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的地址編碼后，所有的傳感器節點(diǎn)將接收到的地址編碼和自身的地址編碼進(jìn)行比對，比對成功的傳感器節點(diǎn)通過(guò)傳感器對監控對象進(jìn)行數據采集(其它的傳感器節點(diǎn)不進(jìn)行數據采集)，再通過(guò)節點(diǎn)內的無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊發(fā)送到控制中心，控制中心對接收到數據進(jìn)行相關(guān)處理。

2 系統硬件設計
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)通常由多個(gè)傳感器、微處理器(CPU)、無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊3部分組成。主站系統由無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊、微處理器(CPU)、顯示與報警電路、控制鍵盤(pán)(如需進(jìn)行數據分析則可通過(guò)串口模塊連接計算機實(shí)現)4部分組成。系統硬件框圖如圖2所示。

傳感器類(lèi)型可根據監測對象的不同進(jìn)行合理選擇?？紤]到監測現場(chǎng)環(huán)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(diǎn)電池的頻率，故微處理器采用MSP430系列超低功耗單片機，無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊采用nRF401低功耗射頻芯片。
2．1 基于nRF401無(wú)線(xiàn)收發(fā)系統設計
無(wú)線(xiàn)射頻模塊采用nRF401無(wú)線(xiàn)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(diǎn)。尤其重要的是還具有能耗小、外圍電路簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。無(wú)線(xiàn)射頻模塊電路結構如圖3所示。

nRF401與單片機MSP430F149通過(guò)I／O線(xiàn)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(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TXEN=0時(shí)，nRF401工作于接收狀態(tài)；當TXEN=0時(shí)，工作于發(fā)射狀態(tài)。PWR_UP為節能控制端，PWR_UP=0時(shí)，nRF401工作于休眠狀態(tài)，待機電流僅為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(shí)，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(diǎn)的功耗和體積。另外，MSP430F149的運行環(huán)境溫度范圍為-40～85℃，可以適應各種惡劣的環(huán)境。
單片機與串口模塊、無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊的連接方式如圖4所示。無(wú)線(xiàn)收發(fā)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(guò)串口模塊MAX232進(jìn)行電平轉換后連接(MAX232具有驅動(dòng)能力，無(wú)需外加驅動(dòng)電路)。需要注意的是：?jiǎn)纹瑱C與PC機、無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊的數據交換均通過(guò)TXD、RXD端進(jìn)行。此時(shí)，單片機作為主機，PC機、無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊為從機。主機與從機之間可以進(jìn)行雙向通信，通過(guò)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(guò)主機轉發(fā)。

2．3 節能設計
考慮到監測現場(chǎng)環(huán)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(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)能耗，延長(cháng)使用壽命，減小更換節點(diǎn)電池的頻率。因此，節能是設計中應需要優(yōu)先考慮的問(wèn)題。
為了降低能耗，主站采用多工作模式，可通過(guò)各模塊的智能化管理以避免閑置模塊能源的浪費。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )采用查詢(xún)驅動(dòng)方式。僅當主機主動(dòng)查詢(xún)數據某一傳感器節點(diǎn)數據時(shí)，主站才通過(guò)無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊喚醒相應的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)響應指令并傳回數據，其他時(shí)間傳感器節點(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(lái)滿(mǎn)足計算和控制的需要，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，因此在電路設計過(guò)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(xié)議
在無(wú)線(xiàn)傳輸過(guò)程中，由于現場(chǎng)環(huán)境、天氣狀況、干擾與噪聲等因素的影響，無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)和主站之間的無(wú)線(xiàn)通信常常會(huì )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(xié)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(wú)線(xiàn)收發(fā)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(wú)線(xiàn)收發(fā)系統數據幀結構如圖5所示。

在實(shí)際應用中，噪聲產(chǎn)生的數據為1111111100000000的概率很低，因此發(fā)送數據幀以0xFF和0x00為幀頭。用一個(gè)字節地址編碼來(lái)區別不同的傳感器節點(diǎn)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(shuō)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )監測系統程序流程如圖6、7所示。

主站需要檢測某一節點(diǎn)數據時(shí)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊發(fā)送該傳感器節點(diǎn)地址碼。無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)收到地址碼后與自己的地址碼比對。比對成功則進(jìn)行相應測量并將測試數據回傳給主站。

4 結束語(yǔ)
文中給出了一種基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的監測與報警系統的設計。該系統利用無(wú)線(xiàn)通信模塊進(jìn)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(xún)驅動(dòng)的智能化模塊管理方式。實(shí)際應用表明，該系統具有組網(wǎng)方便靈活、能耗低、可靠性高、可實(shí)現無(wú)線(xiàn)數據雙向傳輸的特點(diǎn)，特別適合于大面積、復雜環(huán)境下的數據采集與監控。