陶維維，劉映杰，習(xí)振華，王 強(qiáng)

（蘭州大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

目前，應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線通信技術(shù)主要有 ZigBee[1]、藍(lán)牙[2]等，這些技術(shù)在可靠通信距離、數(shù)據(jù)傳輸速率、信道數(shù)量、信道帶寬以及功耗等方面制約其應(yīng)用。樓宇無線通信主要受復(fù)雜環(huán)境、信號穿透能力以及可靠通信距離三方面的制約。然而，ZigBee和藍(lán)牙工作頻段在 2.4 GHz～2.5 GHz之間，信號穿透能力差，可靠通信距離短，無法滿足樓宇無線通信的要求。

TI公司的CC1110無線單片機(jī)[3，8]工作頻率為低于1 GHz的 ISM/SRD 三個頻段：300MHz～348MHz、391MHz～464 MHz和 782 MHz～928 MHz，信號穿透性強(qiáng)、通信可靠，是樓宇無線通信節(jié)點(diǎn)設(shè)計的最佳選擇。無線樓宇溫度采集系統(tǒng)采用無線多跳技術(shù)[4]的思想在室內(nèi)和走廊間構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以降低系統(tǒng)功耗和硬件設(shè)計復(fù)雜度，完成溫度數(shù)據(jù)的收集。同時，為了提高系統(tǒng)通信可靠性，避免無線傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的干擾，采用固定頻道分配技術(shù)[5-6]。最后，將溫度數(shù)據(jù)通過RS485總線存儲在ARM運(yùn)算存儲器的SD卡中，以便于進(jìn)行分析、監(jiān)控使用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

無線樓宇溫度采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，整個系統(tǒng)由ARM運(yùn)算存儲器、m個無線數(shù)據(jù)收集器（中心節(jié)點(diǎn)）和m×n個無線溫度采集器（溫度節(jié)點(diǎn)）組成。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

整個系統(tǒng)硬件設(shè)計由無線溫度采集器、無線數(shù)據(jù)收集器[7]和ARM運(yùn)算存儲器組成，選用COMS芯片實現(xiàn)低功耗[4]。

2.1 無線溫度采集器設(shè)計

無線溫度采集器主要實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的采集、電源狀態(tài)測量及發(fā)送，由溫度采集電路、電源穩(wěn)壓電路、狀態(tài)指示電路和無線收發(fā)電路組成，整體框圖如圖2所示。溫度采集電路通過高精度接觸式PT1000傳感器、電橋電路、差分放大電路處理后再由單片機(jī)測量得到溫度值。電源穩(wěn)壓電路為溫度采集電路和狀態(tài)指示電路提供2.7 V工作電壓。無線收發(fā)電路由無線模塊通過阻抗匹配電路和發(fā)射天線收發(fā)信息，工作頻段為433MHz～464MHz、傳輸速率為2.4 Kb/s。無線溫度采集器由兩節(jié)5號干電池直接供電，定時休眠5 min后使能穩(wěn)壓電路、采集溫度和電源狀態(tài)并等待無線通信，通信完成或4 s內(nèi)無通信則進(jìn)入休眠PM2狀態(tài)。系統(tǒng)休眠期間功耗為1 μA，正常工作功耗為9.4 mA，無線通信功耗為30 mA。

圖2 無線溫度采集器框圖

2.2 無線數(shù)據(jù)收集器設(shè)計

無線數(shù)據(jù)收集器主要實現(xiàn)收集本網(wǎng)絡(luò)中無線溫度采集器的溫度數(shù)據(jù)和ARM運(yùn)算存儲器的RS485通信功能，由電源穩(wěn)壓電路、狀態(tài)指示電路、RS485通信電路和無線收發(fā)電路組成。無線數(shù)據(jù)收集器框圖如圖3所示。電源穩(wěn)壓電路為系統(tǒng)提供3.3 V工作電壓。RS485通信電路采用MAX3485半雙工通信芯片，工作傳輸速率為 9 600 b/s，最多可連接32個通信節(jié)點(diǎn)。

圖3 無線數(shù)據(jù)收集器框圖

2.3 ARM運(yùn)算存儲器設(shè)計

ARM運(yùn)算存儲器主要完成溫度數(shù)據(jù)的讀取、運(yùn)算和存儲，采用MOXA公司的W 341-LX，其豐富的硬件資源和高穩(wěn)定性適合工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)用。ARM運(yùn)算存儲器通過RS485總線，采用主從方式讀取所有無線數(shù)據(jù)收集器的溫度數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)過運(yùn)算后保存所有數(shù)據(jù)到SD卡中。

3 系統(tǒng)通信協(xié)議

整個系統(tǒng)由無線通信和有線通信組成，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蜏?zhǔn)確性，定義無線數(shù)據(jù)包協(xié)議和串行RS485數(shù)據(jù)包協(xié)議。

3.1 無線數(shù)據(jù)包協(xié)議

無線芯片CC1110定義了固定長度數(shù)據(jù)包協(xié)議和可變長度數(shù)據(jù)包協(xié)議兩種數(shù)據(jù)包協(xié)議[8]。本設(shè)計采用如圖4所示的可變長度數(shù)據(jù)包協(xié)議。其中，前導(dǎo)字、同步字、CRC校驗碼以及去白操作都是由無線模塊特殊功能寄存器配置后硬件自動實現(xiàn)的。TI公司專門提供了專用軟件工具SmartRF Studio實現(xiàn)無線功能的配置，提高了無線通信的可靠性，降低了應(yīng)用無線技術(shù)的門檻。數(shù)據(jù)包長度字節(jié)是數(shù)據(jù)包內(nèi)容的實際長度，內(nèi)容遵循特定的數(shù)據(jù)規(guī)范，由中心節(jié)點(diǎn)地址、溫度節(jié)點(diǎn)地址、控制命令字和溫度數(shù)據(jù)組成，溫度數(shù)據(jù)以壓縮BCD碼的格式傳送。

圖4 無線數(shù)據(jù)包協(xié)議

3.2 串行RS485數(shù)據(jù)包協(xié)議

ARM運(yùn)算存儲器與無線數(shù)據(jù)收集器之間的通信采用串行RS485數(shù)據(jù)包協(xié)議，如圖5所示。該數(shù)據(jù)包協(xié)議的前導(dǎo)字、幀起始符和結(jié)束符內(nèi)容固定不變，其他域的內(nèi)容是變化的?？刂泼钭钟袃山M：請求發(fā)送數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)、請求發(fā)送節(jié)點(diǎn)通信狀態(tài)和發(fā)送節(jié)點(diǎn)通信狀態(tài)。數(shù)據(jù)包長度為數(shù)據(jù)包內(nèi)容的實際長度，數(shù)據(jù)包內(nèi)容是單個無線網(wǎng)絡(luò)的溫度數(shù)據(jù)及通信和電源狀態(tài)信息。該協(xié)議還采用了軟件CS校驗，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和通信的可靠性。

圖5 串行RS485數(shù)據(jù)包協(xié)議

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于CC1110無線單片機(jī)的軟件設(shè)計使用IAR V7.20H集成開發(fā)環(huán)境和SmartRF Studio 6.5.1無線配置軟件實現(xiàn)。ARM運(yùn)算存儲器的軟件設(shè)計[9]是在Linux操作系統(tǒng)Red Hat 9下完成的，軟件編輯采用標(biāo)準(zhǔn)C語言，通過arm-linux-gcc交叉編譯環(huán)境編譯產(chǎn)生開發(fā)板可執(zhí)行文件。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信[10]采用時分多址（TDMA）和主從通信相結(jié)合的方式，這種方式避免了TDMA方式需要精確的定時和中心節(jié)點(diǎn)的可控性差兩個缺點(diǎn)，其通信狀態(tài)圖如圖6所示。無線數(shù)據(jù)收集器首先發(fā)送請求信號，然后進(jìn)入接收狀態(tài)接收數(shù)據(jù)。無線溫度采集器在接收到請求信號后，發(fā)送溫度和電源狀態(tài)數(shù)據(jù)。然而，在構(gòu)建多個相似的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時會出現(xiàn)交叉干擾現(xiàn)象，為避免這種干擾、提高通信可靠性，采用固定信道分配技術(shù)[5-6]給每個無線網(wǎng)絡(luò)分配固定的信道，其信道帶寬為200 kHz。

圖6 無線通信狀態(tài)圖

4.1 溫度數(shù)據(jù)采集算法

溫度采集應(yīng)用分段線性化處理[11]，各段溫度實測數(shù)據(jù)Ymv使用中位值平均濾波法（又稱防脈沖干擾平均濾波法），對 10個測量值去掉最大值和最小值，然后求其平均值，如式（1）所示。溫度有效數(shù)據(jù)ytv（n）采用誤差修正法，如（2）所示，其系數(shù)α是逼近系數(shù)，它的取值影響溫度數(shù)據(jù)的實時性和穩(wěn)定性。當(dāng)α取值較大時，實時性好，有效數(shù)據(jù)可以很快地逼近實際溫度值；當(dāng)α取值較小時，則穩(wěn)定性好，有效數(shù)據(jù)受測量誤差數(shù)據(jù)變化的影響小。

其中，X（1）≤X（2）≤…≤X（N），N=10

4.2 無線通信軟件設(shè)計

無線通信軟件設(shè)計[7，10]包括無線數(shù)據(jù)收集器軟件設(shè)計和無線溫度采集器軟件設(shè)計兩部分，其流程圖如圖7所示。無線數(shù)據(jù)收集器首先設(shè)置無線通信溫度節(jié)點(diǎn)地址，然后輪詢本網(wǎng)絡(luò)的溫度節(jié)點(diǎn)，完成溫度和電源狀態(tài)數(shù)據(jù)收集，并判決無線節(jié)點(diǎn)的通信狀態(tài)。同時在輪詢期間檢測ARM運(yùn)算存儲器的請求信號，判斷請求并發(fā)送數(shù)據(jù)。無線溫度采集器進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，先采集溫度數(shù)據(jù)和電源狀態(tài)，然后進(jìn)入接收狀態(tài)并設(shè)置接收溢出定時器。如果在有效的接收時間內(nèi)接收到無線數(shù)據(jù)收集器的數(shù)據(jù)請求信號，就發(fā)送溫度數(shù)據(jù)和電源狀態(tài)，關(guān)閉接收溢出定時器，并進(jìn)入休眠PM2模式，休眠5 min。

圖7 無線通信軟件流程圖

4.3 ARM開發(fā)板軟件設(shè)計

ARM開發(fā)板主要完成對多個無線通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收集和存儲[9]。 軟件主要由三部分組成：（1）主程序設(shè)計。軟件調(diào)用setitimer和signal函數(shù)設(shè)置定時器，當(dāng)執(zhí)行到達(dá)定時時間時就觸發(fā)執(zhí)行ARM開發(fā)板與中心節(jié)點(diǎn)通信子函數(shù)和溫度數(shù)據(jù)保存子函數(shù)。（2）ARM開發(fā)板與中心節(jié)點(diǎn)通信子函數(shù)，其按照串行RS485通信協(xié)議實現(xiàn)。（3）溫度數(shù)據(jù)保存子函數(shù)，將RS485通信的數(shù)據(jù)內(nèi)容保存成文本文件，其中用到文件操作的相關(guān)函數(shù)fopen、fclose和fwrite等。

5 測試結(jié)果

5.1 無線通信測試結(jié)果

無線通信在實驗樓測試，每組10個無線溫度采集器，隔墻距離無線數(shù)據(jù)收集器15 m，通信600次，分別進(jìn)行單無線網(wǎng)絡(luò)、單無線休眠網(wǎng)絡(luò)以及兩個無線休眠網(wǎng)絡(luò)通信測試，記錄丟包率結(jié)果如圖8所示。測試結(jié)果表明，無線通信可靠性在90%以上，連續(xù)3次丟包率低于5%，無線網(wǎng)絡(luò)之間沒有數(shù)據(jù)交叉?zhèn)鬏數(shù)默F(xiàn)象。

圖8 無線通信測試結(jié)果圖

5.2 節(jié)點(diǎn)溫度測試結(jié)果

通過10個校準(zhǔn)的溫度采集器對室溫進(jìn)行測量，其結(jié)果如表1所示。測試結(jié)果表明，溫度精度達(dá)到±0.5℃。

表1 無線節(jié)點(diǎn)室溫數(shù)據(jù)結(jié)果（℃）

本文利用無線通信和有線通信的優(yōu)勢，實現(xiàn)了無線樓宇溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計，并在硬件和軟件中保證了系統(tǒng)的低功耗。該系統(tǒng)解決了TDMA方式對時間精度要求高和可控性差的缺點(diǎn)，同時采用固定信道分配思想使無線網(wǎng)絡(luò)工作在獨(dú)立的信道空間內(nèi)。但是該系統(tǒng)在對溫度數(shù)據(jù)的可視化處理方面還需要改進(jìn)，可以通過數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)對保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，同時增加監(jiān)控功能。整個系統(tǒng)通信協(xié)議簡單、實現(xiàn)容易、數(shù)據(jù)可靠、穩(wěn)定性較好，是一項應(yīng)用性較強(qiáng)的新技術(shù)。

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