基于防爆型無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )信息采集節點(diǎn)的設計

0 引言

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(Wireless Sensor Networks,WSN)是新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò )，由大量無(wú)人值守、具有通信和計算能力的微小型節點(diǎn)構成的自主探測系統。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的可快速部署、可自組網(wǎng)、高容錯性及低功耗、通訊效率高、網(wǎng)絡(luò )生存能力強、可靠性好、成本低廉等特點(diǎn)，能滿(mǎn)足信息獲取的實(shí)時(shí)性、準確性和全面性等需求，非常適合軍事、工業(yè)等領(lǐng)域的應用，尤其是適應于惡劣的環(huán)境及野外條件用，其在軍事、農業(yè)、環(huán)境監測、醫療衛生、工業(yè)、智能交通、建筑物監測、空間探索等領(lǐng)域有著(zhù)廣闊的應用前景和巨大的應用價(jià)值，被認為是未來(lái)改變世界的十大技術(shù)之一、全球未來(lái)四大高技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。

隨著(zhù)信息技術(shù)的發(fā)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，其泵站、輸油管線(xiàn)、油料裝備和油庫設施設備均可成為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的監測對象。針對油庫常見(jiàn)的流量、壓力、溫度、濕度、液位、油氣濃度等現場(chǎng)儀表信息采集與處理存在的不便，構建了油庫傳感器網(wǎng)絡(luò )系統，實(shí)現了油庫各類(lèi)傳感器儀表信息的自動(dòng)采集與處理。系統主要包括信息采集節點(diǎn)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )、信息匯聚終端、上位機信息處理中心等幾部分。

本文重點(diǎn)介紹了信息采集節點(diǎn)的軟硬件設計。信息采集節點(diǎn)是油庫傳感器網(wǎng)絡(luò )系統的前端設備，是構成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的基礎，是承載無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的信息感知、數據處理和網(wǎng)絡(luò )功能的基本單元，所有與傳感器網(wǎng)絡(luò )相關(guān)的協(xié)議、機制、算法等都需要在節點(diǎn)上實(shí)現并優(yōu)化，負責采集各類(lèi)儀表傳感器信號，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò )上傳到信息匯聚終端。本文中的信息采集節點(diǎn)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(wú)線(xiàn)模塊的方法進(jìn)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(diǎn)具有接口多、應用環(huán)境特殊等特點(diǎn)，因此，節點(diǎn)在設計過(guò)程中，除滿(mǎn)足應用功能要求外，還要滿(mǎn)足環(huán)境適應性、性能穩定性、電磁兼容性、防爆性等技術(shù)要求。該節點(diǎn)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(gè)方面進(jìn)行介紹。

1.1 硬件電路設計

信息采集節點(diǎn)硬件層主要包括4 個(gè)模塊：電源模塊、數據處理模塊(包括存儲器和微控制器)、無(wú)線(xiàn)通信模塊以及數據采集模塊(包括傳感器及其驅動(dòng)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(wú)線(xiàn)通信模塊。處理器作為傳感器節點(diǎn)運轉的“心臟”,在上面運行著(zhù)嵌入式系統軟件，從而對另外3個(gè)模塊的工作進(jìn)行控制;無(wú)線(xiàn)通信模塊主要負責與其他節點(diǎn)通信，交換控制消息和收發(fā)采集數據。信息采集節點(diǎn)模塊結構框圖如1所示。

1.1.1 電路原理設計

與其他無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )信息采集節點(diǎn)相比，本文設計的信息采集節點(diǎn)需要采集處理不同類(lèi)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(shí)，還預留485總線(xiàn)，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(pán)、GPS等。主板設計的難點(diǎn)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(diǎn)的主板電路原理框圖如圖2所示。

信息采集節點(diǎn)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(yōu)點(diǎn)，擁有五種節能模式，適合于不同應用場(chǎng)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(shí)方式測量流量脈沖信號，因此，MSP430FG4618的應用可以大大簡(jiǎn)化電路設計。

信息采集節點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)通信模塊根據具體實(shí)際應用，選用夏瑞(RENEX)公司的CORE1 無(wú)線(xiàn)模塊或Chipcon公司的CC2420無(wú)線(xiàn)模塊。其中，CORE1無(wú)線(xiàn)模塊用于動(dòng)態(tài)移動(dòng)裝備的通信，CC2420無(wú)線(xiàn)模塊用于固定設備的通信。

信息采集節點(diǎn)電能由固定設備儀表連接電源或裝備上自身車(chē)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(jìn)一步調制成其他穩定電壓輸出為MCU、無(wú)線(xiàn)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(diǎn)，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(fā)射和接收的電磁能量小，可以顯著(zhù)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(diǎn)，特別適用于設計要求，其中小規模集成電路無(wú)需特別要求均可適應軍品的環(huán)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(gè)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。