劉 石，姚志強

（福建師范大學 軟件學院，福建 福州350108）

許多工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境對于溫度的要求非常高，因此對于溫度監(jiān)測系統(tǒng)的要求也非常高。傳統(tǒng)意義上的溫度監(jiān)控系統(tǒng)大多采用電纜鋪設或者人工儀器測量，這樣不僅耗費了大量的人力，設備維護方面也存在相當大的困難。因此對于環(huán)境條件受限或者監(jiān)測范圍較大的情況，傳統(tǒng)意義上的溫度監(jiān)測系統(tǒng)就會顯得無能為力[1]。隨著信息技術的發(fā)展，傳統(tǒng)溫度監(jiān)測系統(tǒng)已不能滿足實際應用的需要，在此背景下，無線傳感網(wǎng)絡(Wireless Sensor Network)應運而生。作為一種新型的信息收集與處理技術，無線傳感網(wǎng)絡是由布置在區(qū)域范圍內大量傳感器組成的、通過無線通信形式形成的多跳自組織的網(wǎng)絡系統(tǒng)，可以實時監(jiān)控網(wǎng)絡區(qū)域范圍內監(jiān)測對象的信息，并將信息打包傳送至客戶端。無線傳感網(wǎng)絡具有檢測范圍廣、精度高等特點，適用于監(jiān)測環(huán)境比較惡劣、人工無法接近的地區(qū)，在軍事、家庭智能等方面具有比較廣闊的發(fā)展前景[2]。

本文設計了一種基于ANT的遠程無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用溫度傳感器采集溫度信息，然后通過微處理器模塊和ANT無線網(wǎng)絡模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，最后通過串口通信將數(shù)據(jù)傳送給PC機進行處理并顯示，實現(xiàn)對溫度的實時監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體設計

ANT協(xié)議是加拿大Dynastream公司于2005年針對小尺寸、低成本、低功耗的應用而推出的一種短距離的非標準無線射頻協(xié)議。ANT采用雙工2.4 GHz ISM頻帶射頻通信，設計用作超低功耗、易使用、高效以及高靈活性的應用，其有效傳輸距離約為10 m～30 m，傳輸速度高達1 Mb/s，支持樹型、點對點和星型及其他網(wǎng)絡拓撲結構，可提供可靠、靈活、自適應及高抗干擾的數(shù)據(jù)通信[3]。

無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)包括溫度測量節(jié)點、數(shù)據(jù)匯集節(jié)點以及用戶監(jiān)測終端。溫度測量節(jié)點實時采集和傳送各個監(jiān)測點的溫度，與數(shù)據(jù)匯集節(jié)點構成ANT無線星型網(wǎng)絡，由數(shù)據(jù)匯集節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)的協(xié)調與接收，并將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶監(jiān)測終端，用戶監(jiān)測終端對數(shù)據(jù)進行處理并顯示，以達到監(jiān)控被測節(jié)點的溫度的目的。系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

2 硬件設計

溫度測量節(jié)點主要由ANT通信模塊、信息采集模塊和微處理器模塊等硬件構成，主要功能在于采集溫度信息，并將溫度信息通過ANT網(wǎng)絡傳輸至數(shù)據(jù)匯集節(jié)點。數(shù)據(jù)匯集節(jié)點由微處理器模塊和ANT通信模塊構成，主要功能在于收集被測節(jié)點的溫度信息并且通過串口通信方式將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測終端。監(jiān)測終端對數(shù)據(jù)進行處理并顯示相關信息。硬件結構如圖2和圖3所示。

圖2 溫度測量節(jié)點硬件結構

圖3 數(shù)據(jù)匯集節(jié)點硬件結構

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，它具有精度高、成本低、操作簡便、抗干擾能力強的特點，非常適用于溫度信息的采集[4]。這種傳感器采用單總線接口方式，僅需要一條線即可實現(xiàn)與微處理器的雙向通信，在采集溫度信息時，不需要外部元件的輔助，可以將溫度信息直接轉化成數(shù)字信號傳輸給微處理器。DS18B20的測溫范圍為-55℃～+125℃；可編程分辨率為 9～12位；精度可達到±0.5℃；溫度轉換為 12位數(shù)字格式，最大值為 750 ms；電壓范圍為 3.0～5.5 V，可由數(shù)據(jù)總線供電。

2.2 ANT無線通信模塊

無線通信模塊采用nRF24AP2[5]作為主要芯片。nRF-24AP2是Nordic公司推出的新一代ANT低功耗無線網(wǎng)絡芯片，分為 3個系列：nRF24AP2-1CH、nRF24AP2-8CH和nRF24AP2-USB。nRF24AP2-1CH是單通道ANT無線網(wǎng)絡芯片，nRF24AP2-8CH為8通道ANT無線網(wǎng)絡芯片，nRF24AP2-USB為USB接口8通道ANT無線網(wǎng)絡芯片。nRF24AP2具有超低功耗，單電源1.9～3.6 V供電，簡單的異步/同步主機串行接口，提供了SPI接口與微處理器的連接，抗干擾能力強。根據(jù)實際應用需要，溫度測量節(jié)點的通信模塊以nRF24AP2-1CH作為主要芯片，而數(shù)據(jù)匯集節(jié)點的通信模塊采用nRF24AP2-8CH作為主要芯片，兩種芯片都采用同步主機串行接口方式。nRF24AP2-1CH芯片與nRF24AP2-8CH芯片引腳功能是一致的，只是通道數(shù)不一樣，所以它們與微處理器連接方式一致。

2.3 微處理器模塊

微處理器模塊采用單片機ATmega16L，該芯片是高性能、低功耗的8位增強AVR RISC結構微控制器，具有較高的處理速度，內部設有SPI接口和兩個串行通信口，可在3 V電壓下進行低功耗工作，非常適合與選用的ANT模塊配合使用[6]。ANT模塊通過簡單的6線與ATmega16進行連接，其中ATmega16L的SPI接口工作在從機模式，nRF24AP2設為主機工作模式。ATmega16L與ANT模塊的接口電路如圖4所示，外圍再配以電源電路、晶振電路等。晶振電路采用8 MHz晶振，選取3.3 V做為工作電壓。

串口通信 RS232與微處理器之間選用工作電壓為3.3 V的MAX3232電平轉換芯片，以完成雙向電平和邏輯關系的直接轉換。由于該無線網(wǎng)絡具有很強的移動性，故要求其具有穩(wěn)定的電源供電且必須功耗低。本文選用5 V電池供電，通過LM1117將5 V電壓轉換成3.3 V，從而有效降低了成本，增加了終端節(jié)點的可移動性和靈活性。

圖4 ATmega16與nRF24AP2接口電路

3 軟件設計

整個系統(tǒng)的軟件設計包括溫度采集、數(shù)據(jù)匯集及監(jiān)控終端三個部分。溫度采集軟件運用于溫度測量節(jié)點的單片機上，主要任務是采集溫度信息并將其無線發(fā)送。數(shù)據(jù)匯集軟件運行于數(shù)據(jù)匯集節(jié)點單片機上，主要用于接收溫度數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給監(jiān)控終端PC機。監(jiān)控終端軟件主要對接收到的數(shù)據(jù)進行有效的處理，將數(shù)據(jù)進行保存、顯示及分析。

3.1 溫度測量節(jié)點軟件設計

節(jié)點上電之后，首先是硬件初始化，包括單片機初始化、溫度傳感器初始化和ANT初始化。單片機初始化主要是端口初始化和SPI口的設置；ANT初始化主要有設置網(wǎng)絡密鑰、分配通道、設置通道ID、設置通道周期和發(fā)射功率等，配置完成后開啟通道。初始化完成后，開始采集溫度值，到達1 s定時就開始重新采集溫度值并將數(shù)據(jù)發(fā)送，完成后MCU進入空閑模式。其流程圖如圖5所示。

3.2 數(shù)據(jù)匯集節(jié)點軟件設計

節(jié)點上電之后，首先對單片機和nRF24AP2進行初始化，初始化過程與溫度測量節(jié)點的初始化一致。初始化完成后檢測有無收到新溫度值，若無則等待，若有則將新的溫度數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給監(jiān)測終端。其流程圖如圖6所示。

圖5 溫度測量節(jié)點軟件流程圖

圖6 數(shù)據(jù)匯集節(jié)點軟件流程圖

3.3 監(jiān)控終端軟件設計

監(jiān)控終端軟件主要用于數(shù)據(jù)處理，基于VC++6.0實現(xiàn)，主要任務包括串口通信的收發(fā)、數(shù)據(jù)的存儲和數(shù)據(jù)的顯示。串口通信采用微軟提供的MSComm控件實現(xiàn)[7]；數(shù)據(jù)顯示通過監(jiān)控軟件界面可實時顯示各個監(jiān)測點的溫度數(shù)據(jù)和測量時間，并且能夠設定報警溫度閾值，當超過閾值范圍發(fā)出報警聲；同時將接收的溫度信息保存到數(shù)據(jù)庫以便用戶對數(shù)據(jù)進行查詢和分析。

本文提出的基于ANT技術實現(xiàn)無線溫度監(jiān)控方法，可以實現(xiàn)無網(wǎng)狀態(tài)下采集現(xiàn)場溫度，通過遠程手段監(jiān)測、記錄歷史溫度并且進行有效分析和合理判斷，可實現(xiàn)對溫度的遠程監(jiān)控。在長時間需要現(xiàn)場監(jiān)測或者較為惡劣的環(huán)境條件下，這種技術手段可以有效地節(jié)省人力資源。另外系統(tǒng)能夠更換不同的傳感器來監(jiān)測不同的環(huán)境參數(shù)(如空氣濕度、有毒氣體等)，具有一定的通用性。

[1]邵帥.基于nRF905的溫度數(shù)據(jù)采集及無線傳輸系統(tǒng)的設計[D].武漢：武漢科技大學，2010.

[2]馬祖長，孫怡寧，梅濤.無線傳感器網(wǎng)絡綜述[J].通信學報，2004，25(04)：114-124.

[3]郭亞利，鮮繼清.非標準無線射頻協(xié)議 ANT[J].重慶工學院學報，2007，21(11)：135-138.

[4]陳明，邱超凡.基于DS18B20數(shù)字溫度傳感器的設計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術，2008(08)：188-189.

[5]譚暉.nRF24AP2單片ANT超低功耗無線網(wǎng)絡原理及高級應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.

[6]劉海成.AVR單片機原理及測控工程應用：基于ATmega-48/ATmega16[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[7]吳昊天，張燕林.基于MSComm控件的 PC與AVR串口通信實現(xiàn)[J].計算機與數(shù)字工程，2010，38(04)：176-180.