夏繼強(qiáng)，王 皓

(北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191)

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災(zāi)變現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

夏繼強(qiáng)，王 皓

(北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191)

將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于災(zāi)變現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境信息采集中，設(shè)計(jì)具有環(huán)境數(shù)據(jù)采集功能，定位功能和無(wú)線通信功能的傳感器節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)以具有ZigBee通信功能的CC2530處理器為核心，集合數(shù)據(jù)采集模塊，GPS定位模塊，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和功率放大模塊等硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。經(jīng)過(guò)測(cè)試，所設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)所要求的各項(xiàng)功能，并且具有低功耗、體積小等優(yōu)點(diǎn)。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；災(zāi)變現(xiàn)場(chǎng)；ZigBee; 數(shù)據(jù)采集；定位；無(wú)線通信

0 引言

核泄露事故、火山爆發(fā)等災(zāi)變事故現(xiàn)場(chǎng)一般具有強(qiáng)輻射，高溫和強(qiáng)腐蝕的特點(diǎn)。由于這些災(zāi)變事故現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，檢測(cè)人員一般無(wú)法直接進(jìn)入事故后的現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行環(huán)境信息的采集，目前針對(duì)該類(lèi)事故現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境檢測(cè)主要通過(guò)應(yīng)急監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括固定監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和移動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。固定監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以長(zhǎng)期連續(xù)地記錄特定區(qū)域的測(cè)量數(shù)據(jù)，其缺點(diǎn)是監(jiān)測(cè)范圍固定有限[1]。移動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有機(jī)動(dòng)能力強(qiáng)，采集區(qū)域廣的優(yōu)點(diǎn)，但其難以長(zhǎng)期穩(wěn)定獲得某個(gè)特定區(qū)域的數(shù)據(jù)，并且移動(dòng)監(jiān)測(cè)終端的設(shè)計(jì)成本高昂。

本文將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到意外災(zāi)變事故現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境檢測(cè)中，在實(shí)際應(yīng)用中，傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)高空撒播等方式進(jìn)入災(zāi)變現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)采集，獲取環(huán)境信息。為獲得節(jié)點(diǎn)的位置信息，需要通過(guò)定位模塊獲取節(jié)點(diǎn)的地理位置。節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線通信方式建立網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)共享，外界通過(guò)獲取網(wǎng)絡(luò)中任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)即可獲取網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)，從而獲得該網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的環(huán)境信息。將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于災(zāi)變檢測(cè)中，既能連續(xù)獲取區(qū)域的測(cè)量數(shù)據(jù)，同時(shí)可以根據(jù)要求有目的地撒播節(jié)點(diǎn)，具有靈活機(jī)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)其價(jià)格低廉，能夠有效降低成本。

本文設(shè)計(jì)具有環(huán)境信息采集功能，定位功能和無(wú)線通信功能的傳感器節(jié)點(diǎn)。采用具有ZigBee通信功能的CC2530芯片作為處理器，利用數(shù)據(jù)采集模塊采集環(huán)境溫度和濕度信息，通過(guò)GPS定位模塊獲取地理位置信息和時(shí)間信息，節(jié)點(diǎn)間通過(guò)ZigBee無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。采用嵌入式設(shè)計(jì)將各模塊和處理器進(jìn)行集成和開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)所需的各項(xiàng)功能。

1 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

用于災(zāi)變現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境檢測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要需要實(shí)現(xiàn)以下功能：

(1)采集環(huán)境信息。傳感器節(jié)點(diǎn)需要采集的環(huán)境信息包括溫度數(shù)據(jù)和濕度數(shù)據(jù)。

(2)實(shí)現(xiàn)定位功能。由于傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)隨機(jī)撒播的方式進(jìn)入災(zāi)變現(xiàn)場(chǎng)，其位置不能確定，因此需要通過(guò)GPS模塊對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)定位，從而獲得確定位置的環(huán)境數(shù)據(jù)。

(3)自組網(wǎng)及無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)。傳感器節(jié)點(diǎn)需要具有建網(wǎng)和組網(wǎng)的功能，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸。傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)各個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)上述各項(xiàng)功能，傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件主要包括具有ZigBee通信功能的處理器模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，GPS模塊，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和功率放大模塊等，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

1.1 處理器及通信模塊

處理器是整個(gè)節(jié)點(diǎn)的核心，其功能包括控制整個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作流程，控制其他模塊的運(yùn)行，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以及發(fā)起無(wú)線通信等。在設(shè)計(jì)中，處理器單元選用CC2530芯片。CC2530是一款集合了處理器功能以及無(wú)線通信功能于一體的芯片。CC2530使用低功耗8051 微控制器內(nèi)核，而且片上資源豐富，具有SPI、UART、I2C、ADC等外設(shè)。同時(shí)，CC2530自身帶有Zigbee 無(wú)線收發(fā)器，因此節(jié)點(diǎn)不需要額外的無(wú)線收發(fā)模塊來(lái)解析無(wú)線信息，這樣不僅能減少能量消耗，同時(shí)也能節(jié)約成本，能夠以非常低的總成本建立起一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。除此之外CC2530還有以下特點(diǎn)：

(1)極小的封裝。CC2530采用6 mm×6 mm的QFN40封裝，物理尺寸非常小，能有效的減小傳感器節(jié)點(diǎn)的整體體積；

(2)可編程輸出功率高。最高輸出功率可達(dá)4.5 dBm，這為實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的無(wú)線通信距離的要求提供了基礎(chǔ)；

(3)極高的接收靈敏度和抗干擾性能，能夠有效地保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕?/p>

(4)低功耗。在收發(fā)信息時(shí)，CC2530可保證工作電流在30 mA以下，在休眠狀態(tài)時(shí)電流可低至1 μA。在總能量有限的條件下，較低的功耗能夠延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間。

1.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊需要實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的溫度和濕度的信息的采集，本設(shè)計(jì)中選擇能夠同時(shí)采集溫度和濕度信息的SHT11溫濕度傳感器。SHT11溫濕度傳感器是一款集成度高的傳感器，其物理尺寸為7.5 mm×4.5 mm×2.5 mm，具有體積小的優(yōu)點(diǎn)。SHT11傳感器與處理器之間以I2C協(xié)議通信，接口線少，控制方式簡(jiǎn)單，通信速率較高。SHT11傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL與CC2530通信，其與CC2530之間的接口電路如圖2所示。

圖2 SHT11與CC2530連接電路

1.3 GPS模塊

GPS模塊用來(lái)獲得節(jié)點(diǎn)位置信息，同時(shí)可以為節(jié)點(diǎn)周期工作提供時(shí)間參考。在設(shè)計(jì)中，GPS模塊選用UM-2828模塊，該模塊采用NEO-6 M定位芯片，定位精度可以達(dá)到2.5 m，并且其體積較小，為28 mm×28 mm×7.5 mm，滿足傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)體積的要求。UM-2828模塊與CC2530之間通過(guò)UART 口通信，具有接口線少，控制簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。UM-2828模塊與CC2530之間的接口電路如圖3所示。

圖3 UM-2828與CC2530連接電路

1.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

由于CC2530的存儲(chǔ)能力有限，不能存儲(chǔ)足夠的環(huán)境數(shù)據(jù)信息，因此需要專(zhuān)門(mén)的存儲(chǔ)芯片來(lái)保存數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)中，選用25LC1024芯片來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。25LC1024芯片擁有1 Mbytes的存儲(chǔ)空間，能夠滿足存儲(chǔ)要求。25LC1024與CC2530之間通過(guò)SPI協(xié)議通信，讀寫(xiě)速度快，控制簡(jiǎn)單。25LC1024與CC2530之間的接口電路如圖4所示。

圖4 25LC1024與CC2530連接電路

1.5 功率放大模塊

CC2530自身的通信能力有限，通信距離只能達(dá)到50-100米，若要增加通信距離，需要增加功率放大模塊來(lái)達(dá)到這一要求。本設(shè)計(jì)中，選用RFX2401功放芯片來(lái)放大輸出功率，從而增加通信距離和保證通信可靠性。RFX2401體積為3 mm×3 mm×0.5 mm，具有體積小的特點(diǎn)，同時(shí)具有高靈敏度、低噪聲、高效和低功耗的優(yōu)點(diǎn)。RFX2401與CC2530的連接電路如圖5所示。

圖5 RFX2401與CC2530連接電路

除以上介紹的各個(gè)模塊外，傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件還包括JTAG調(diào)試接口，撥碼開(kāi)關(guān)和天線等。

2 軟件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，并且以無(wú)線傳輸?shù)姆绞?，通過(guò)發(fā)送，接收和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)共享。為減少能耗，傳感器節(jié)點(diǎn)在工作狀態(tài)和休眠狀態(tài)之間切換，可通過(guò)軟件設(shè)置節(jié)點(diǎn)的工作和休眠時(shí)間。在工作狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)采集，同步數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)維護(hù)，更新網(wǎng)絡(luò)信息和同步歷史數(shù)據(jù)等。節(jié)點(diǎn)的工作流程如圖6所示。

圖6 傳感器節(jié)點(diǎn)工作流程

傳感器節(jié)點(diǎn)從休眠狀態(tài)切換至工作狀態(tài)后，首先進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，包括采集環(huán)境的溫度和濕度以及通過(guò)GPS模塊獲取時(shí)間和定位信息。之后網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)通過(guò)泛洪[2]的方式實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同步，經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同步之后，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了此次采集數(shù)據(jù)的共享，也即網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都具備了網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)此次采集的數(shù)據(jù)。完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同步后，傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)維護(hù)，更新網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)信息。之后，節(jié)點(diǎn)根據(jù)更新后的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息，對(duì)比自身已有的數(shù)據(jù)，查詢(xún)是否有歷史數(shù)據(jù)缺失，如果有缺失則發(fā)起數(shù)據(jù)請(qǐng)求，獲得缺失的數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)這一步，網(wǎng)絡(luò)中所有傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，之后節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)約能耗。

3 節(jié)點(diǎn)功能測(cè)試

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)的功能，利用四個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)采集數(shù)據(jù)和自組網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)之間的距離為200 m。利用C#語(yǔ)言編寫(xiě)上位機(jī)將節(jié)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)解析并在上位機(jī)上顯示，所得到的數(shù)

據(jù)如圖7所示。

圖7 節(jié)點(diǎn)功能測(cè)試結(jié)果

從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，傳感器節(jié)點(diǎn)具備所需的采集溫濕度，定位和獲取時(shí)間等功能，并且能夠自組織網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)ZigBee無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的各項(xiàng)功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了用于災(zāi)變現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)溫濕度傳感器獲得環(huán)境的溫度和濕度，通過(guò)GPS模塊獲知節(jié)點(diǎn)的位置信息和采集的數(shù)據(jù)的時(shí)間信息，并且通過(guò)ZigBee技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線通信，所設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)具有低功耗，低成本和體積小等特點(diǎn)。通過(guò)測(cè)試，所設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)具備所要求的數(shù)據(jù)采集，定位和無(wú)線通信功能，能夠應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境的災(zāi)變現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中。

[1] 魏雄,周書(shū)民. 基于GPS/CDMA的核事故應(yīng)急監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì). 核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù),2011(12):1333-1336.

[2] HAAS ZJ, HALPERN Y,LI L.Gossip-based ad hoc routing, Proc of the IEEE INFOCOM.New York IEEE Communications Society, 2002: 1707-1716.

Design of Wireless Sensor Network Node for Detection of Environmental Accidents

XIA Ji-qiang, WANG Hao

(School of Mechanical Engineering and Automation, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100191, China)

In this paper, the wireless sensor network technology was applied in the information collection of the environmental accidents, and the sensor node with functions of data collecting, positioning and wirelessly communicating was designed. The CC2530 microcontroller with the function of communicating by ZigBee was taken as the core of the sensor node, combining with the data acquisition module, the GPS module, the power amplifier module and other modules to realize the functions required. The test results show that the sensor node designed is able to realize each function required, and the sensor node is low-power in energy consumption and small in size.

wireless sensor network; environmental accidents; ZigBee; data collecting; positioning; wirelessly communicating

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2013CB035503)

2014-11-21 收修改稿日期：2015-03-11

TN925

A

1002-1841(2015)08-0085-03

夏繼強(qiáng)(1970—)，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)總線工業(yè)測(cè)控技術(shù)，智能儀表等。 E-mail：xiajiqiang@buaa.edu.cn