趙一瑾

(河北科技大學(xué)澳聯(lián)大信息工程學(xué)院 河北石家莊 050000)

現(xiàn)如今，很多領(lǐng)域的生產(chǎn)活動中，需全程掌握環(huán)境條件，主要是溫濕度與光照等，以保障生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性。當(dāng)前比較常見的環(huán)境檢測方法包括專門儀器、分布式傳感網(wǎng)絡(luò)等，檢測功能有限、缺乏靈活調(diào)節(jié)參數(shù)的性能，加之無法進(jìn)行遠(yuǎn)程、實(shí)時的檢測，這并不符合當(dāng)代生產(chǎn)活動的需要。而在無線網(wǎng)絡(luò)愈發(fā)成熟的趨勢背景下，環(huán)境檢測技術(shù)隨之開啟長距離、低功耗、多節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)代化“大門”。

1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)相關(guān)原理分析

單就無線傳感網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能量的角度而言，硬件上，傳感裝置節(jié)點(diǎn)的耗能模塊有無線通信以及處理器等。一般情況下，傳感裝置節(jié)點(diǎn)把1 bit 數(shù)據(jù)傳送到距離自身100 m的地方，會消耗掉如同實(shí)施3 000條計算指令時的能量。而且與通信需要的能量比較，傳感裝置采集數(shù)據(jù)中消耗的能量極少，和運(yùn)行時間是正相關(guān)，所以節(jié)點(diǎn)能量消耗的相關(guān)分析一般不會考慮該方面因素[1]。無線網(wǎng)絡(luò)中，傳感裝置節(jié)點(diǎn)的能量消耗模型，把一條n個bit 的數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄嚯xd 的地方，相應(yīng)射頻電路的發(fā)送及接收能耗計算公式為

其中，Eelec是指發(fā)射端（TE）以及接收端（RE），單次發(fā)送以及接收信號的能耗，單位是bit；εamp是指發(fā)射放大器，各個信號傳輸中每單位平方米消耗的能量；k是指射頻傳播的衰減指數(shù)，其取值范圍在2～5之間，具體取值需要根據(jù)所處的環(huán)境選擇，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境比較流暢，沒有障礙的情況下，k取值是2，但如果傳輸發(fā)射與接收點(diǎn)之間，有較多的遮擋物，實(shí)施遠(yuǎn)距離發(fā)送時，k就應(yīng)取3～5。

2 多點(diǎn)無線智能環(huán)境檢測系統(tǒng)的設(shè)計及實(shí)現(xiàn)分析

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)環(huán)境檢測系統(tǒng)的功能需要，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能實(shí)時檢測出相應(yīng)環(huán)境中的溫濕度、光照情況與CO2濃度等，并使各個檢測點(diǎn)進(jìn)行模塊化管理，借助無線網(wǎng)絡(luò)，把現(xiàn)場采集到的信息發(fā)送到系統(tǒng)中控主機(jī)，而后主機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理，按照用戶設(shè)置參數(shù)現(xiàn)實(shí)相應(yīng)測量數(shù)據(jù)。

2.1.1 主機(jī)MCU

在環(huán)境檢測系統(tǒng)中，主機(jī)MCU選擇32位的微處理器，即STM32F103xx 的系列里ZET6 型號，具體如圖1所示。該型號的微處理器，數(shù)據(jù)容量大、接口形式多、功能也比較完善。與此同時，配備32位嵌入結(jié)構(gòu)的微控制器，此裝置模塊的核心單元為Cortex-M3，其允許在線編程，擁有512 k flash 以及64 k RAM、72 M 高頻。另外，還配有42 個16 位數(shù)據(jù)寄存裝置，允許進(jìn)行串行調(diào)試與JTAG 調(diào)試，具有80 個IO 接口，并且是通用結(jié)構(gòu)，能兼容5 V電平邏輯。

圖1 STM32F103ZET6微處理器

筆者為提高設(shè)計檢測系統(tǒng)的可用性，在主機(jī)外圍還增加一定數(shù)量的外圍設(shè)備，具體有串行的FLASH，其可保存系統(tǒng)啟動代碼以及部分界面圖像；UART 的調(diào)試模塊，負(fù)責(zé)系統(tǒng)用戶測試和交互通信[2]。通過完善系統(tǒng)外圍接口，提高檢測系統(tǒng)運(yùn)行及使用的靈活度，豐富接口數(shù)量，具體原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 主機(jī)MCU原理結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 終端節(jié)點(diǎn)

（1）處理器選擇。

在進(jìn)行整體性分析后，筆者最確定選擇ST公司推出的極低功耗型號，即STM32L151CBT6微處理器。該系列的設(shè)備是行業(yè)中首款由世界半導(dǎo)體供應(yīng)商推出的產(chǎn)品，處于32 MHz 的工作狀態(tài)中，能展現(xiàn)出最佳的處理性能，即33DMIPS。

（2）傳感器網(wǎng)絡(luò)。

智能化的環(huán)境檢測系統(tǒng)的設(shè)計，筆者設(shè)定溫濕度、CO2濃度與光照多個技術(shù)參數(shù)，為此就要配備適宜的傳感裝置，完成終端信息采集，并且考慮到系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)性能的問題，應(yīng)當(dāng)保障傳感裝置的信息采集精度與動作效率[3]。經(jīng)過多項比較分析，最終確定貼片系列的溫濕度傳感裝置，用于采集此方面的環(huán)境參數(shù)；對于環(huán)境中的光照狀態(tài)，選擇由光敏電阻組成的檢測電路；CO2氣體數(shù)據(jù)采集的傳感裝置，選擇MG811 型號的產(chǎn)品，具體如圖3所示。

圖3 MG811型號傳感裝置

（3）無線網(wǎng)絡(luò)輸送。

上文已經(jīng)提到，該系統(tǒng)選擇433 M 無線信號將終端節(jié)點(diǎn)和主機(jī)連接起來，支持實(shí)時通信。通過對相關(guān)方面的探究，建議選擇RF 集成芯片，即CC1101，其運(yùn)行功耗極少，且不足1 GHz的射頻發(fā)射裝置，應(yīng)用性能較佳，能完成數(shù)據(jù)包處理、獲取信號強(qiáng)弱數(shù)據(jù)、信道性能評估、數(shù)據(jù)緩沖與鏈路品質(zhì)指示等。在結(jié)構(gòu)上，CC1101 芯片的射頻單元均被封裝在其內(nèi)部，僅借助SPI接口完成軟件驅(qū)動，也就是支持無線收發(fā)。在電源端口連接適宜的濾波電容，控制電源紋波，維持系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性。而系統(tǒng)天線端則選擇50 Ω的彈簧天線，就能滿足檢測系統(tǒng)的阻抗需要。環(huán)境檢測系統(tǒng)中，具體涉及復(fù)位、電源以及各類接口。相應(yīng)的結(jié)構(gòu)框架具體如圖4所示。

圖4 終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框架圖

圖5 CC1101協(xié)調(diào)器運(yùn)行流程圖

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.2.1 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

在環(huán)境檢測系統(tǒng)中，上位機(jī)監(jiān)控的軟件程序，可根據(jù)系統(tǒng)用戶設(shè)置參數(shù)，實(shí)時顯示輸出對應(yīng)環(huán)境檢測終端收集到的測量結(jié)果，并支持查找歷史數(shù)據(jù)，限制報警數(shù)值，完整保留發(fā)生過的報警信息，同時，還自動統(tǒng)計顯示環(huán)境檢測參數(shù)的最高值、最低值與平均值，一旦某個環(huán)境條件超出設(shè)定報警數(shù)值，系統(tǒng)立即報警。

2.2.2 主控制器軟件程序

一是和CC1101之間建立起無線傳感網(wǎng)絡(luò)，令各個節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定互聯(lián)、傳輸信息。二是根據(jù)實(shí)時采集的環(huán)境條件數(shù)據(jù)，檢測到異常信息，需能自動利用GPRS給用戶移動設(shè)備發(fā)送報警信息。三是把環(huán)境監(jiān)控信息傳送到上位機(jī)，達(dá)到統(tǒng)一監(jiān)控的運(yùn)行效果。同時，還可按照上位機(jī)下發(fā)的數(shù)據(jù)，完成對應(yīng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的管控，并支持調(diào)整參數(shù)。四是在系統(tǒng)單機(jī)工作中，顯示屏可輸出實(shí)時采集到的環(huán)境監(jiān)控信息。

2.2.3 CC1101模塊程序規(guī)劃

一方面是主機(jī)協(xié)調(diào)器。此部分的軟件程序設(shè)計，需先把協(xié)議棧上應(yīng)用層進(jìn)行初始化處理，令其數(shù)據(jù)收發(fā)處于空閑的狀態(tài)中，啟動全局中斷，將無線連接端口同樣實(shí)施初始化處理。按照傳輸協(xié)議，協(xié)調(diào)器初始頻段是433 M，并默認(rèn)設(shè)置PANID為Ox1348，一次可發(fā)出128 個字節(jié)。待網(wǎng)絡(luò)建設(shè)完成后，協(xié)調(diào)器把地址信息發(fā)送到系統(tǒng)控制中心，程序啟動主循環(huán)[4]。

另一方面是監(jiān)控模塊。在系統(tǒng)監(jiān)控模塊的前期處理中，也涉及到應(yīng)用層、無線連接端口的初始化處理，和主機(jī)協(xié)調(diào)器相同，而且僅有二者保持一致的情況下，監(jiān)控模塊的各個節(jié)點(diǎn)才能進(jìn)入無線網(wǎng)絡(luò)中[5]。假設(shè)用戶在操作中，嘗試連接網(wǎng)絡(luò)但沒有成功，需每隔2 s 重復(fù)嘗試，直到連接成功。隨后監(jiān)控模塊會把自身的注冊資料發(fā)給協(xié)調(diào)器，由后者統(tǒng)一發(fā)給系統(tǒng)控制中心。在監(jiān)控模塊成功聯(lián)網(wǎng)注冊后，關(guān)聯(lián)的傳感裝置與控制器都要進(jìn)行初始化，啟動循環(huán)程序，按照設(shè)置頻率，把測量到的環(huán)境信息，發(fā)給協(xié)調(diào)器。如果接收協(xié)調(diào)器的控制指令，需根據(jù)要求進(jìn)行對應(yīng)的參數(shù)設(shè)置。相應(yīng)模塊程序運(yùn)行流程見圖6。

圖6 監(jiān)控模塊程序運(yùn)行流程圖

2.3 系統(tǒng)測試分析

2.3.1 射頻單元測試

射頻單元測試是為通過RF有關(guān)參數(shù)，判斷其工作性能，這也是多點(diǎn)智能環(huán)境檢測系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)。其中，主要參數(shù)包括：工作頻段為433 m；發(fā)射功率不超過2 dBm；射頻單元功耗，不同狀態(tài)下，此項參數(shù)會有差異，發(fā)射狀態(tài)下，功耗不超過40 mA，接收狀態(tài)下，功耗不超過23 mA，睡眠狀態(tài)下，功耗不超過2 μA；接收靈敏度為-98 dBm；穩(wěn)定傳輸距離是300 m。系統(tǒng)運(yùn)行中，用戶能按照自身對環(huán)境檢測的要求，設(shè)置調(diào)制方法與通信速率。該系統(tǒng)的全部技術(shù)參數(shù)均滿足多點(diǎn)檢測系統(tǒng)的使用要求。

2.3.2 環(huán)境條件檢測

為客觀判斷系統(tǒng)的檢測性能，選擇合適的位置，放上相同檢測終端設(shè)備，并在對應(yīng)點(diǎn)位放上專業(yè)檢測儀器，作為對照數(shù)據(jù)。此次性能測試，共生成4 組數(shù)據(jù)，各個環(huán)境條件參數(shù)的4 次相對誤差率分別為：溫度參數(shù)為12.4%、5.13%、0.95%、7.36%；濕度為7.63%、0.0%、0.6%、2.2%；光照強(qiáng)度為16.75%、2.34%、0.76%、0.18%；二氧化碳濃度為11.21%、7.68%、5.51%、5.46%。根據(jù)相關(guān)測試實(shí)驗(yàn)誤差分析結(jié)果來看，該系統(tǒng)的環(huán)境條件檢測項目多、準(zhǔn)確性高，僅出現(xiàn)個別誤差較大的數(shù)據(jù)，總體上符合系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，滿足現(xiàn)實(shí)使用需要[6]。

3 結(jié)語

總之，為提高環(huán)境檢測的時效性，確保環(huán)境條件滿足相應(yīng)產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)需要，筆者立足于無線傳感網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計智能化的環(huán)境檢測系統(tǒng)。在此檢測系統(tǒng)下，劃分出若干模塊，如上位機(jī)與操作終端查看、無線終端檢測等，保障檢測系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與功能性。另外，還可以統(tǒng)一處理來自不同傳感裝置終端采集到的環(huán)境信息，通過無線網(wǎng)絡(luò)，把數(shù)據(jù)發(fā)送給中控主機(jī)，進(jìn)一步實(shí)施比對分析，給下級模塊反饋，完成遠(yuǎn)程的環(huán)境監(jiān)測與技術(shù)參數(shù)調(diào)節(jié)。