林凡強，馬曉茗

LIN Fan-qiang,MA Xiao-ming

（成都理工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610059）

0 引言

由于檢測點的分散，監(jiān)測對象的多樣化，這樣就給監(jiān)測系統(tǒng)提出了更高的要求。此外有線通信方式布線繁雜，勞動強度較大，容易出現(xiàn)監(jiān)控盲點。一旦通信線路發(fā)生故障，監(jiān)測系統(tǒng)就可能失效，將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的可靠性。

本文介紹了一種基于CC430F6137的多路傳感器無線監(jiān)測系統(tǒng)[1,3]，既可以監(jiān)測復(fù)雜多樣的環(huán)境參數(shù)，又能增強了通信線路的可靠性。該系統(tǒng)以CC430F6137以控制中心，其內(nèi)部集成了CC1101射頻收發(fā)模塊，以網(wǎng)關(guān)節(jié)點為中心，多個傳感節(jié)點分布在監(jiān)測現(xiàn)場，采用通用的ISM頻段433MHz實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。

1 監(jiān)測系統(tǒng)框架

無線監(jiān)測系統(tǒng)主要由傳感器節(jié)點、路由節(jié)點、網(wǎng)關(guān)和上位機四部分組成，系統(tǒng)總體框架如圖 1所示。

傳感器節(jié)點：是信息的采集點，在這個采集點上包含了一組或多組具有相同作用的傳感器。傳感器節(jié)點將信息采集處理后與路由節(jié)點或網(wǎng)關(guān)節(jié)點進行無線通信，實現(xiàn)信息采集。

路由節(jié)點：在網(wǎng)關(guān)節(jié)點不能與所有的傳感器節(jié)點通信時，路由節(jié)點作為一種中介使網(wǎng)關(guān)和傳感器節(jié)點通信，實現(xiàn)路由功能，同時具有普通傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)采集功能。

圖1 系統(tǒng)總體框架

網(wǎng)關(guān)節(jié)點：根據(jù)計算機發(fā)送的指令來發(fā)送／接收路由節(jié)點或傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù) 經(jīng)過串口發(fā)送給計算機。

上位機：上位機用于接收網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)和發(fā)送命令，并實現(xiàn)可視化人機界面。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 傳感器節(jié)點設(shè)計

傳感器節(jié)點的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1）傳感器：用于感知周圍環(huán)境的參數(shù)，如聲音、光強、溫度、濕度、紅外、加速度等各種信息。

2）信號處理單元：對傳感器的輸出信號做出相應(yīng)處理及變換，使之適應(yīng)微處理器對信號接口的要求，例如，傳感器的輸出信號比較微弱，需要經(jīng)過放大濾波后才能被MCU采樣。

3）無線收發(fā)單元：采用了集成RF內(nèi)核的CC430F6137為主控芯片，主要的功能是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理及控制，包括了傳感網(wǎng)絡(luò)的算法、協(xié)議；通過RF單元實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的無線通信。

圖2 傳感器節(jié)點框圖

CC430F6137的RF是平衡式輸出，天線收發(fā)為非平衡單端形式，因此，要對無線模塊的天線電路進行信號的轉(zhuǎn)換和阻抗匹配才能實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。天線匹配網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

圖3 天線匹配網(wǎng)絡(luò)

RF-N和RF-P是CC430F6137的RF的兩路平衡互補輸出，經(jīng)過差分匹配電路進行差分濾波，然后通過Bulun非平衡變換器將差分信號變換成單端信號，再經(jīng)過后級PI濾波器（帶通濾波），以50ohm的負(fù)載端阻抗匹配輸出至天線。

若選用的天線帶50ohm饋線，那么50ohm的負(fù)載端阻抗匹配可以不加。除此之外，對天線匹配網(wǎng)絡(luò)的PCB設(shè)計要求也比較高，可以采用ADS2008設(shè)計仿真[8]；該系統(tǒng)采用si9000 對于50ohm的負(fù)載端阻抗的線寬、銅皮厚度、機械層厚度等進行了微帶線設(shè)計。433M的天線有鞭狀的，柱狀的，還有PCB的，由于PCB天線無增益，而柱狀天線有增益，在該系統(tǒng)中選用了柱狀天線進行設(shè)計。

2.2 路由節(jié)點設(shè)計

路由節(jié)點作為中介，負(fù)責(zé)將接收到的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā)，也可以在此加入傳感器將其看做一個傳感節(jié)點，同樣采用了CC430F6137來作為控制中心，外圍電路只需要配置最小系統(tǒng)和天線匹配電路即可工作，功耗極低[4]，可以采用電池供電。

2.3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點的設(shè)計

網(wǎng)關(guān)節(jié)點的硬件設(shè)計也比較簡單，采用CC430F6137的串口與PC進行連接。由于網(wǎng)關(guān)沒有連接傳感器，只需要組織管理網(wǎng)絡(luò)和收集傳感器節(jié)點采集的信息，并轉(zhuǎn)發(fā)送給PC；或是接收PC的命令控制傳感器節(jié)點和路由節(jié)點，進行無線數(shù)據(jù)采集。傳感器節(jié)點在對傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行處理后，與路由節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點共同組建SimpliciTI網(wǎng)絡(luò),通過無線方式把檢測到的數(shù)據(jù)傳送至網(wǎng)關(guān)，再把信息傳送到上位機。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要包括傳感器節(jié)點入網(wǎng)、路由轉(zhuǎn)發(fā)及網(wǎng)關(guān)采集3部分。網(wǎng)關(guān)主要負(fù)責(zé)組建一個新的網(wǎng)絡(luò)，接收來自于路由器的數(shù)據(jù)，開啟空閑通道等功能。而路由器節(jié)點與傳感器節(jié)點功能相似，主要負(fù)責(zé)加入網(wǎng)絡(luò)、周期性的發(fā)送數(shù)據(jù)等功能。該系統(tǒng)采用SimpliciTI無線通信協(xié)議[2]，SimpliciTI是TI開發(fā)的專門針對其CCxxxx系列無線通信芯片的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。SimpliciTI是一個基于點對點通訊協(xié)議，它支持兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：直接的點對點通信結(jié)構(gòu)和基于星型連接的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3.1 傳感器節(jié)點的程序設(shè)計

3.1.1 溫度傳感器——DS18B20

DS18B20為數(shù)字溫度傳感器，電氣連接簡單，使用方便，采用單總線接口方式與微處器實現(xiàn)雙向通訊。程序設(shè)計中，單片機與DS18B20的通信需要嚴(yán)格遵守數(shù)據(jù)手冊提供的時序圖，以DS18B20復(fù)位時序為例，復(fù)位時序圖如圖4所示，其初始化程序如下所示。

圖4 DS18B20復(fù)位時序圖

DS18B20 的復(fù)位時序如下：

1）單片機拉低總線480us～950us,然后釋放總線（拉高電平）。

2）這時 DS18B20會拉低信號，大約60～240us表示應(yīng)答。

3）DS18B20 拉低電平的 60～240us之間，單片機讀取總線的電平，如果是低電平，那么表示復(fù)位成功。

4）DS18B20拉低電平60～240us之后，會釋放總線。

根據(jù)DS18B20復(fù)位時序圖其初始化程序為：

3.1.2 溫濕度傳感器——DHT11

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含校準(zhǔn)的數(shù)字輸出溫濕度復(fù)合傳感器[5,7]。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。每個DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，采用DHT11的單總線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議使操作變得簡易便捷，只需要一根普通的I/O口線與DHT11的數(shù)據(jù)線相連，DHT11的時序圖如圖5所示。

DHT11的時序如下：

1）單片機拉低總線18ms以上，保證DHT11能檢測到起始信號。

圖5 DHT11的時序圖

2）主機發(fā)送開始信號結(jié)束后，延時等待20-40us后，讀取DHT11的響應(yīng)信號。

3）DHT11接收到主機的開始信號后，等待主機開始信號結(jié)束，然后發(fā)送80us低電平響應(yīng)信號表示應(yīng)答。

4）DHT11發(fā)送響應(yīng)信號后，再把總線拉高80us，準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)。

5）50us低電平加26～28us的高電平表示“0”，50us低電平加70us的高電平表示“1”。

根據(jù)時序圖可以很容易的寫出DHT11和單片機之間的通信程序，其軟件設(shè)計的方法與DS18B20類似。

3.1.3 氣敏傳感器節(jié)點——MQ-2

氣敏傳感器是將氣體的濃度轉(zhuǎn)換成一定關(guān)系的電量輸出的裝置或器件，常見的有MQ-2/MQ-2S氣體傳感器，它對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高,對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想。這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。主要應(yīng)用于家庭煤氣泄漏報警器，酒精測試儀，汽車尾氣報警器等。其驅(qū)動電路簡單，可以采用CC30F6137內(nèi)部比較器進行監(jiān)控，也可以采用外部比較器輸出TTL電平進行監(jiān)控，操作靈活。例如采用內(nèi)部比較器比較器，以2.0V為參考電壓的比較器寄存器初始化為：

3.1.4 紅外熱釋電傳感器節(jié)點

對于紅外熱釋電傳感器采用RE200B，該傳感器能夠檢測人或動物發(fā)射的紅外線，從而輸出電信號。使用RE200B必須配合傳感信號處理塊BISS0001，對傳感器信號進行放大，一起構(gòu)成紅外熱釋電傳感器模塊。在電子防盜、人體探測領(lǐng)域中應(yīng)用非常廣泛。為了更好的獲得紅外探測的靈敏度，還需要在紅外熱釋電傳感器上加上菲涅爾透鏡。該設(shè)計中，當(dāng)有生物入侵時，可以發(fā)出報警，其程序設(shè)計與氣敏傳感器類似，在此不再贅述。

3.2 路由節(jié)點及網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計

路由節(jié)點的功能時控制數(shù)據(jù)和命令的轉(zhuǎn)發(fā)，其程序設(shè)計流程圖如圖6所示。網(wǎng)關(guān)與上位機以串口方式連接，其程序設(shè)計流程圖如圖7所示。

圖6 路由節(jié)點程序流程圖

圖7 網(wǎng)關(guān)程序流程圖

3.3 上位機界面的設(shè)計

通過串口將網(wǎng)關(guān)節(jié)點收集到的數(shù)據(jù)傳給上位機，上位機軟件實時記錄串口接收到的數(shù)據(jù)[9]，并顯示在界面上，同時將溫度和相對濕度繪制成相應(yīng)的變化曲線，上位機軟件界面是采用HTML應(yīng)用程序進行設(shè)計，生成的HTA腳本文件只要將后綴改成.htm，就可以在網(wǎng)頁中打開，從而也可以實現(xiàn)服務(wù)器遠(yuǎn)程監(jiān)控。實驗及監(jiān)測結(jié)果如圖8所示。

該界面主要有五部分組成，即實時顯示溫度值并繪制變化曲線；實時顯示相對濕度值并繪制變化曲線；可燃性氣體的最低爆炸極限（%LEL），即報警點的設(shè)定，檢測當(dāng)前環(huán)境的可燃性氣體含量，當(dāng)超過該值時發(fā)出報警；生物入侵檢測，當(dāng)有入侵時可以發(fā)出警報，從而通知用戶；可以選擇“自動測試”或“手動測試”，還可以選擇不同的曲線樣式。

4 結(jié)束語

圖8 監(jiān)測系統(tǒng)界面

本系統(tǒng)綜合采用傳感器技術(shù)、嵌入式計算機技術(shù)、分布式處理技術(shù)和通信技術(shù)的相關(guān)技術(shù)，實現(xiàn)的對多點，多種監(jiān)測對象信息參數(shù)的實時采集、傳輸、顯示和保存[10,11]。除此之外，系統(tǒng)的節(jié)點可以根據(jù)需要自由配置，在路由節(jié)點覆蓋范圍內(nèi)增減傳感器節(jié)點，還可以通過增加路由節(jié)點的數(shù)目擴大無線通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，該系統(tǒng)具有通用性高、擴展靈活、構(gòu)建快速、布局方便、抗干擾性強等特點。RF網(wǎng)絡(luò)結(jié)點信號傳輸可達(dá)兩百米以上，增加路由設(shè)備后，傳輸距離可達(dá)千米范圍，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)控傳輸距離可達(dá)千米范圍，不易受到目標(biāo)環(huán)境和地域性的限制，加上CC430超低功耗的特點，可用于環(huán)境的監(jiān)測、醫(yī)療監(jiān)護、城市交通管理、倉庫管理、橋梁等重點設(shè)施的狀態(tài)監(jiān)控等領(lǐng)域，

[1] CC430F6137 MSP430 SoC with RF Core. http：//www.chipcon.com. www.TI.com

[2] SimpliciTI Specification. http：//www.chipcon.com; www.TI.com

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