張潔瓊，徐東明，付秀華，田野，邸旭

（1.長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022；2.東莞光陣顯示器制品有限公司，深圳 518000）

當(dāng)前，傳感器技術(shù)正朝著智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）正是適應(yīng)這種需求而出現(xiàn)的。它具有信息采集、數(shù)據(jù)處理和無線傳輸?shù)榷喾N功能［1，2，3］。本文論述了基于WSN的多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)，由于具有聯(lián)線簡單、設(shè)置便捷的優(yōu)點(diǎn)，該系統(tǒng)可以在很多場合廣泛應(yīng)用。

在環(huán)境溫度監(jiān)測系統(tǒng)中，由于存在較大局部溫度差異，采用單點(diǎn)測溫的方式不能準(zhǔn)確反映一個測溫環(huán)境的實(shí)際情況，因此只能采用多點(diǎn)溫度采集的方式來解決局部溫度差異的問題。但由于多點(diǎn)采集溫度數(shù)據(jù)時測溫點(diǎn)的布局較為分散，傳統(tǒng)的有線溫度測量方式存在布線復(fù)雜，給測溫環(huán)境中的人造成不方便、更改采溫點(diǎn)麻煩等缺點(diǎn)，采用無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩帱c(diǎn)溫度采集系統(tǒng)可以很好地解決上述問題。

本文詳細(xì)介紹了以AVR系列單片機(jī)Atmega16為主機(jī)，以MCS—51系列單片機(jī)STC12C2052為子機(jī)的無線多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)，給出了無線多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)的具體設(shè)計方案。

1 系統(tǒng)總體介紹

圖1 多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)原理框圖Fig.1 General diagram of the multipoint temperature acquisition system

無線多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)由上位機(jī)和16個下位機(jī)構(gòu)成，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。其中上位機(jī)用于完成溫度數(shù)據(jù)的收集管理、數(shù)據(jù)的顯示儲存以及人機(jī)交互等功能；下位機(jī)用于采集各點(diǎn)的實(shí)時溫度，并且在主機(jī)讀取時通過無線通信的方式將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)。

系統(tǒng)主要性能指標(biāo)：

1.測溫點(diǎn)個數(shù)：16個；2.測量溫度范圍：-55℃～125℃；3.溫度測量精度：0.5℃；4.持續(xù)工作時間：＞72小時；5.數(shù)據(jù)采集時間間隔：10秒～3600秒可變；6.無線通信距離：＞150米；7.具有16路溫度及工作狀態(tài)顯示功能；8.存儲器容量：2GB。

2 系統(tǒng)主機(jī)（上位機(jī)）硬件設(shè)計及功能

無線多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)的主機(jī)部分由Atmel公司的高性能單片機(jī)ATMEGA16、觸摸液晶顯示屏、SD存儲器卡、無線數(shù)傳模塊ZF01、串行切換接口和電源等部分組成。系統(tǒng)主機(jī)的主要功能是完成工作模式的設(shè)定，各子機(jī)數(shù)據(jù)的讀取、存儲，溫度顯示、溫度曲線顯示，溫度數(shù)據(jù)簡單處理及與PC機(jī)數(shù)據(jù)通訊等。下面對部分硬件電路予以介紹。

2.1 SD卡讀寫接口電路

為了滿足系統(tǒng)工作時數(shù)據(jù)存儲量較大的需要，采用SD卡存儲溫度數(shù)據(jù)。SD卡具有使用方便靈活、存儲容量大等優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)據(jù)存儲與交換方面得到廣泛應(yīng)用。存儲系統(tǒng)采用南京沁恒公司生產(chǎn)的CH375通用接口芯片，它支持SD卡的讀寫，可以方便地將存儲的數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)。CH375通用接口芯片的特點(diǎn)如下：

1.采用并行接口完成數(shù)據(jù)傳輸，包含8位數(shù)據(jù)總線，采用4線控制：讀選通、寫選通、片選輸入、中斷輸出。

2.工作電壓低，支持5V電源電壓和3.3V電源電壓，支持低功耗模式。

3.內(nèi)置固件處理海量存儲設(shè)備的專用通訊協(xié)議，支持 Bulk-Only 傳輸協(xié)議和 SCSI、UFI、RBC或等效命令集的USB存儲設(shè)備（包括USB硬盤/USB 閃存盤/U盤）［4］。

CH375接口芯片的硬件電路如圖2所示：

圖2 CH375的硬件電路圖Fig.2 Hardware circuit diagram of CH375

2.2 串口分時選通電路

Atmega16單片機(jī)只有一個串行通訊口，但系統(tǒng)連接的無線通信模塊、觸摸屏及PC通信都需要使用串行口通訊，為此系統(tǒng)設(shè)計了由CD4052構(gòu)成的分時選通串行通信電路，串口分時選通電路如圖3所示，該電路將串行連接設(shè)備增加為4個，其中包括2個RS-232電平接口，1個TTL電平接口和1個RS-485接口。

為了使連接到串口上的外部設(shè)備在該口沒有選通的情況下不產(chǎn)生影響，需要使未選通的串口處于邏輯0狀態(tài)。為此，串口分時選通電路在CD4052的輸出端增加了4個上拉電阻。系統(tǒng)還可以通過RS-485通信接口輕松實(shí)現(xiàn)上位機(jī)組網(wǎng)功能。

2.3 上位機(jī)功能介紹

上位機(jī)主要用于完成數(shù)據(jù)的接收、存儲、處理、顯示等功能，采用迪文觸摸顯示屏可以方便的實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，提高系統(tǒng)性能，便于用戶進(jìn)行觀察操作。其具體功能如下：

1.實(shí)時溫度顯示功能：在觸摸液晶屏上可以同時顯示16個測溫點(diǎn)的溫度變化情況，并實(shí)時刷新溫度數(shù)據(jù)，便于用戶觀察操作，用戶可以根據(jù)需要顯示單個測溫點(diǎn)的溫度變化曲線。

2.采集點(diǎn)位置顯示功能：用VB編寫軟件，用戶根據(jù)所處的測溫環(huán)境，輸入采集點(diǎn)的位置，通過串口寫入觸摸屏內(nèi)，并給采集點(diǎn)編寫序列號，如果需要修改采溫點(diǎn)的位置可以利用軟件重新寫入。當(dāng)某個采集點(diǎn)不能正常工作時，上位機(jī)會報警，并顯示相應(yīng)的采集點(diǎn)位置，便于查找維修。

3.實(shí)時監(jiān)測功能：用戶可以根據(jù)需要設(shè)定溫度測量的上下界限，將環(huán)境溫度限定在所要求的監(jiān)測范圍內(nèi)，當(dāng)所測溫度超出設(shè)定的范圍時，系統(tǒng)發(fā)出報警信號［3］。

4.求平均值功能：在系統(tǒng)的主顯示界面上，用戶可以根據(jù)需要任意選中某幾個采溫點(diǎn)，監(jiān)測其平均溫度，并將不同時刻的平均溫度值以曲線形式顯示。上位機(jī)可以根據(jù)不同時刻的溫度均值，做平穩(wěn)分析，精確監(jiān)測環(huán)境溫度。

圖3 串口分時選通電路Fig.3 Serial time-sharing electricity choose way

3 系統(tǒng)從機(jī)硬件設(shè)計及功能

無線多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)的下位機(jī)終端由16個從機(jī)組成，每個從機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計完全相同，保證了下位機(jī)硬件的一致性。下位機(jī)由控制器芯片STC12C2052、無線數(shù)傳模塊ZF01、數(shù)字溫度傳感器DS18B20、太陽能電池及鋰電池等組成。

3.1 下位機(jī)地址碼設(shè)定

為了能夠使主機(jī)和16個從機(jī)分時進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，必須對下位機(jī)進(jìn)行編碼，下位機(jī)地址碼的設(shè)定有軟件與硬件兩種方法。

軟件方法是通過修改軟件，給下位機(jī)設(shè)定一個地址碼，每一個下位機(jī)都有一個地址，軟件設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)是沒有硬件開銷，可為從機(jī)CPU節(jié)省I/O口線，同時可以不受硬件限制隨意增加下位機(jī)的個數(shù)。但是由于每一個下位機(jī)的軟件各不相同，因此存在互換性差，不利于大批量生產(chǎn)的缺點(diǎn)。

硬件方法是在設(shè)計硬件電路時，加入撥碼開關(guān)，通過撥碼設(shè)定下位機(jī)的地址。每一個下位機(jī)都有一個獨(dú)立的撥碼，即具有唯一的地址。它的優(yōu)點(diǎn)是硬件的外觀可以通過撥碼作區(qū)分，不宜搞混；上電時下位機(jī)自動取地址碼，使用方便靈活，便于維護(hù)，同時省去了修改軟件的麻煩。它的缺點(diǎn)是設(shè)置撥碼開關(guān)，占用從機(jī)CPU的I/O口線（撥碼開關(guān)的位數(shù)受CPU的I/O口線的限制），同時限制了下位機(jī)的個數(shù)，如使用4位撥碼開關(guān)，則下位機(jī)的個數(shù)最多為16個。

綜上所述，用戶可以根據(jù)需要選擇以上兩種方法設(shè)定下位機(jī)的地址碼。本系統(tǒng)最終采用硬件方法，這樣就保證了下位機(jī)軟件與硬件的一致性，便于維護(hù)。

3.2 下位機(jī)節(jié)能模式

由于下位機(jī)采用電池供電，為了使下位機(jī)有大于72小時的工作時間，有效地利用電池電能。下位機(jī)采用兩種節(jié)能模式：無線數(shù)傳模塊ZF01休眠模式和太陽能充電模式。

1.無線數(shù)傳模塊ZF01休眠模式：電路圖如圖4所示，在下位機(jī)單元中，無線數(shù)傳模塊是功耗相對最大的設(shè)備，當(dāng)上位機(jī)與下位機(jī)需要數(shù)據(jù)通信時，使P10為低電平，三極管TR1導(dǎo)通，無線數(shù)傳ZF01模塊上電工作；需要進(jìn)入休眠模式時，使P10輸出高電平，三極管TR1截止，ZF01模塊處于斷電狀態(tài)，為下位機(jī)節(jié)省電能。

圖4 節(jié)能電路Fig.4 Energy-saving circuit

2.太陽能充電模式：下位機(jī)采用鋰電池與太陽能電池配合供電。當(dāng)所處環(huán)境中有太陽光照射時，太陽能電池自動地給鋰電池充電。實(shí)驗(yàn)證明，在較強(qiáng)日光照射時，采用100mm*40mm的太陽能電池給鋰電池充電，最大輸出電壓為6V，最大輸出電流為75mA，充電效果十分明顯；無光照條件下，采用3000mA/h的鋰電池系統(tǒng)可以連續(xù)工作72小時。

3.3 下位機(jī)（從機(jī)）的主要功能

從機(jī)安裝在各個測溫點(diǎn)，測量該點(diǎn)的溫度值，在主機(jī)讀取時，把溫度數(shù)據(jù)通過無線通信方式傳送到上位機(jī)。為提高測溫精度，在下位機(jī)測溫時，采用平均值濾波的方法，即每采集10次溫度數(shù)據(jù)為一組，然后求平均值，作為當(dāng)前溫度數(shù)據(jù)，并將其保存到數(shù)據(jù)緩存區(qū)中。

用戶可以根據(jù)需要隨時更改下位機(jī)個數(shù)，上位機(jī)通過點(diǎn)名查詢方式向下位機(jī)發(fā)送地址碼，和設(shè)定地址一致，下位機(jī)將向上位機(jī)發(fā)送采集到的溫度數(shù)據(jù)；如果驗(yàn)證不通過，則不做任何處理回到繼續(xù)接收狀態(tài)?？紤]到溫度采集時間不會很快，點(diǎn)過名之后再次點(diǎn)到需要一段時間，軟件上、下位機(jī)完成一次通信后立即將ZF01無線數(shù)傳模塊關(guān)閉，使其進(jìn)入休眠模式，在固定時間間隔前1S自動喚醒，等待下一次收發(fā)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 系統(tǒng)軟件

整個系統(tǒng)軟件包括兩個部分：上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件。

1.上位機(jī)軟件：上位機(jī)軟件重點(diǎn)是觸摸屏操作，按系統(tǒng)設(shè)計要求，上位機(jī)每間隔固定時間（如10秒）與下位機(jī)通信一次，與下位機(jī)通信完成后保證選通PC機(jī)等待PC的命令，因此，如果和每臺從機(jī)采樣間隔是10秒，在通信波特率為19200bps時，和從機(jī)的通信時間為1秒左右，在每個10秒內(nèi)90%的時間在選通PC機(jī)等待PC的命令，因此PC的數(shù)據(jù)發(fā)送請求將得到充分的響應(yīng)。每完成一次巡檢，把數(shù)據(jù)送到觸摸屏進(jìn)行顯示，由于與觸摸屏通信采用115200bps的波特率，因此與觸摸屏的數(shù)據(jù)按200個字節(jié)計算，將在20ms以內(nèi)完成。上位機(jī)軟件流程如圖5所示。

2.下位機(jī)軟件：主要部分是DS18B20數(shù)字溫度傳感器的初始化、地址接收校驗(yàn)與數(shù)據(jù)發(fā)送。下位機(jī)軟件流程如圖6所示。

圖5 上位機(jī)系統(tǒng)流程圖Fig.5 PC system flow chart

圖6 下位機(jī)軟件流程圖Fig.6 The software flow chart of lower computer

4.2 通訊協(xié)議

系統(tǒng)采用的是一對多無線通信方式，上位機(jī)收發(fā)模塊在可靠通信范圍內(nèi)分別與每個下位機(jī)通信。上位機(jī)與每個下位機(jī)都有唯一的地址，避免通信失誤。在通信過程中必須明確收發(fā)方的地址，因此系統(tǒng)采用通信協(xié)議，具體如表1所示。

表1 系統(tǒng)通信協(xié)議格式Tab.1 Format of system communication protocol

Head為數(shù)據(jù)包頭，Add為接收端地址，接下來根據(jù)數(shù)據(jù)類型（命令/數(shù)據(jù)）決定發(fā)送的數(shù)據(jù)內(nèi)容，CRC 為校驗(yàn)碼，最后是數(shù)據(jù)包尾［5］。系統(tǒng)設(shè)置時，若用戶設(shè)置采溫時間為1秒、時間間隔為10秒，則在10秒內(nèi)上位機(jī)與下位機(jī)通訊一次，此時一幀數(shù)據(jù)包括10個有效數(shù)據(jù)，即一秒一個有效數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

在試驗(yàn)室條件下，本系統(tǒng)能準(zhǔn)確顯示當(dāng)前的實(shí)時溫度，并把記錄的溫度數(shù)據(jù)繪制成曲線顯示在觸摸屏上，方便比較觀察。在記錄好溫度數(shù)據(jù)后，能夠?qū)囟葦?shù)據(jù)按日期保存起來，以便查詢、統(tǒng)計。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，在空曠處傳輸距離可以達(dá)到150米以上。本系統(tǒng)可以根據(jù)需要方便的擴(kuò)展通信節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)較大范圍的溫度監(jiān)測，能夠用于諸多工業(yè)及民用領(lǐng)域。

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