無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一門綜合性很強(qiáng)的學(xué)科，涉及傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、嵌入式技術(shù)和微電子技術(shù)等眾多領(lǐng)域，由于體積小、成本低以及強(qiáng)大的信息獲取功能使其在環(huán)境數(shù)據(jù)采集、安全監(jiān)控以及目標(biāo)跟蹤等方面有廣闊的應(yīng)用空間。溫濕度與人們的生產(chǎn)生活息息相關(guān)，對于溫濕度的采集監(jiān)測在當(dāng)前有多種方法，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫度采集監(jiān)測系統(tǒng)也有研究，各種方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

本文結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GSM通信技術(shù)探討設(shè)計(jì)一種溫濕度采集監(jiān)測系統(tǒng)，包括方案的選擇和確定、前端的信息采集模塊的硬件軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)簡介和終端監(jiān)測界面的設(shè)計(jì)，節(jié)點(diǎn)拓?fù)淇梢允菢湫位蛐切小?/p>

系統(tǒng)方案構(gòu)架

整個(gè)溫度采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)架如圖2-1所示，它主要有前端溫度采集模塊、KM-NODE 433 節(jié)點(diǎn)模塊、GSM通信模塊和監(jiān)測模塊組成。

圖 2-1 整個(gè)系統(tǒng)方案構(gòu)架

前端溫度采集模塊主要任務(wù)是采集溫度并將數(shù)據(jù)按一定格式通過串口發(fā)送給節(jié)點(diǎn)A；節(jié)點(diǎn)A將接收到的溫度采集信息通過無線發(fā)送給節(jié)點(diǎn) B；節(jié)點(diǎn) B主要任務(wù)通過其內(nèi)部的無線收發(fā)模塊接收節(jié)點(diǎn)A發(fā)送的數(shù)據(jù)，并利用其內(nèi)部的處理器將接收的數(shù)據(jù)按要求處理后通過串口發(fā)送給GSM通信模塊；GSM通信模塊通過短信方式將數(shù)據(jù)信息發(fā)監(jiān)測模塊，監(jiān)測模塊可以是手機(jī)式的手持終端，也可以是計(jì)算機(jī)監(jiān)測界面。

系統(tǒng)各組成模塊設(shè)計(jì)

（1） 器件選擇和原理圖

溫度采集電路原理框圖如圖3-1所示，主要由傳感器、單片機(jī)和供電電源組成。傳感器選用瑞士的溫濕度集成數(shù)字傳感器SHT15，該傳感器將傳感元件和信號處理電路集成在一塊微型電路板上，輸出完全標(biāo)定的數(shù)字信號。

傳感器包括一個(gè)電容性聚合體測濕敏感元件、一個(gè)用能隙材料制成的測溫元件，并在同一芯片上，與14 位的A/D 轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路實(shí)現(xiàn)無縫連接，且可通過軟件配置選擇測量溫度精度，具有體積小、使用方便靈活、響應(yīng)迅速、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。

單片機(jī)選用AT89C52，它是一個(gè)低功耗、高性能COMS 8位單片機(jī)， 8K Bytes Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器,256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，5個(gè)中斷優(yōu)先級，兩個(gè)16位可編程定時(shí)器計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信口。采集原理仿真圖如圖3-2所示。

圖3-1 溫濕度采集電路原理框圖

圖3-2采集原理圖

（2）KM-NODE433 節(jié)點(diǎn)模塊簡介

KM-NODE433 節(jié)點(diǎn)模塊的組成如圖3-3所示，是由利達(dá)爾公司生產(chǎn)的無線通信模塊，主要由微控制單元和無線先收發(fā)模塊構(gòu)成。

圖3-3 KM-NODE433 節(jié)點(diǎn)模塊的組成

KM-NODE433 節(jié)點(diǎn)模塊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

• 采用 CC1100 無線通信模塊；
• MCU 選用 MSP430F2132，具有超低功耗特性；
• 實(shí)現(xiàn)串口通信透明傳輸，可配置各種數(shù)據(jù)格式；
• 實(shí)現(xiàn)任意長度以及不間斷無線數(shù)據(jù)長度的數(shù)據(jù)發(fā)送；
• 防碰撞機(jī)制，實(shí)現(xiàn)多用戶數(shù)據(jù)通信；
• 在線設(shè)置多種速率以及不同的地址、頻道；
• 用戶可選擇保存配置信息，方便下次操作；
• 方便快速的狀態(tài)切換，配置控制I/O口狀態(tài)即可。

KM-NODE 433 節(jié)點(diǎn)原理圖如圖3-4所示，在本系統(tǒng)中模塊工作頻率選用的公用頻段中的433MHZ，這樣可以節(jié)約成本。由于公用頻段的使用者比較多，數(shù)據(jù)在傳輸中受到的干擾比較大，本系統(tǒng)在節(jié)點(diǎn)軟件中對傳輸數(shù)據(jù)做了一定的格式要求，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

圖3-4 KM-NODE 433 節(jié)點(diǎn)原理圖

（3）GSM通信模塊設(shè)計(jì)

GSM通信模塊主要由SIM900A 芯片、網(wǎng)絡(luò)信號燈、串口接口、SIM卡電路和供電電路組成。組成框圖如圖3-5所示。

圖3-5 GPRS通信模塊組成框圖

GPRS通信模塊主要是用短信的方式來發(fā)送信息數(shù)據(jù)，將系統(tǒng)與移動(dòng)通信相連接，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)不限距離的傳輸，在很大程度上解決了傳輸距離的問題。發(fā)送溫濕度數(shù)據(jù)信息是通過AT命令來實(shí)現(xiàn)的 。

（4）監(jiān)測模塊

為了不同用戶監(jiān)測的需要，系統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)有兩種：

一種是手持式監(jiān)測界面，即在具有要求系統(tǒng)的手機(jī)系統(tǒng)中嵌入專門的監(jiān)測軟件來實(shí)現(xiàn)信息的接收和監(jiān)測，同時(shí)可以查看歷史數(shù)據(jù)信息，用戶還可以通過手持終端向系統(tǒng)發(fā)送控制短信來實(shí)現(xiàn)對一些參量的控制（比如濕度低于預(yù)定閾值時(shí)手持終端會(huì)收到提示短信，此時(shí)監(jiān)測者可以發(fā)送控制短信到系統(tǒng)控制澆水裝置來增加濕度）。

另一種是終端計(jì)算機(jī)監(jiān)測界面，終端用戶可以在計(jì)算機(jī)上察看和監(jiān)測觀測點(diǎn)的參數(shù)信息。手持式監(jiān)測效果和計(jì)算機(jī)監(jiān)測界面如圖3-6所示。手持終端的監(jiān)測程序是結(jié)合數(shù)據(jù)庫知識用JAVA編寫的，終端計(jì)算機(jī)監(jiān)測界面用VB設(shè)計(jì)，兩者都可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的監(jiān)測并通過圖形顯示各個(gè)監(jiān)測區(qū)域的監(jiān)測信息。

系統(tǒng)的仿真測試

（1）仿真測試所需設(shè)備

所需設(shè)備、儀器和材料如下：1）前端溫濕度度采集模塊；2）KM-NODE 433 節(jié)點(diǎn)模塊；3）GSM通信模塊；4）串口連接線兩根；7）裝有專門編寫設(shè)計(jì)的VB溫濕度監(jiān)測界面的PC機(jī)一臺(tái)；8）手持式監(jiān)測終端一個(gè)；9）各模塊的供電電源

手持終端式監(jiān)測的仿真的實(shí)物過程的示意圖如圖4-1所示。

圖4-1手持終端式監(jiān)測的仿真的過程

因?yàn)閿?shù)據(jù)信號在傳輸過程存在一定的衰減，因此在距離比較遠(yuǎn)的情況下，為了傳輸信息的準(zhǔn)確性，應(yīng)該加中繼節(jié)點(diǎn)，以接力的形式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效傳輸。接力節(jié)點(diǎn)只對數(shù)據(jù)進(jìn)行透明傳輸，不進(jìn)行處理數(shù)據(jù)，功耗比較低。

計(jì)算機(jī)終端監(jiān)測仿真的顯示界面如圖4-2所示。

圖4-2計(jì)算機(jī)終端監(jiān)測仿真顯示界面

（2）仿真測試結(jié)果

系統(tǒng)基本上實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)提出的各種功能，在單節(jié)點(diǎn)和多節(jié)點(diǎn)情況下觸摸傳感器后監(jiān)測界面上的溫濕度會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，同時(shí)顯示各監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，并可以調(diào)用數(shù)據(jù)庫察看歷史信息，終端用戶發(fā)送的控制信息能通過相應(yīng)的單片機(jī)引腳狀態(tài)來反映。

由于數(shù)據(jù)在433MHZ頻段傳輸，該頻段傳輸數(shù)據(jù)較多，干擾較大，系統(tǒng)對傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行了一定的規(guī)定，傳輸信息的準(zhǔn)確性得到了一定程度上提高。

結(jié)論

本文針對當(dāng)前溫度采集監(jiān)測的多種方法，提出了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，結(jié)合單片機(jī)、集成溫度傳感器、GSM通信和VB等理論，研究設(shè)計(jì)了一種溫度采集監(jiān)測系統(tǒng)。完成了系統(tǒng)方案的確定、前端信息采集模塊的軟硬件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)和終端監(jiān)測界面的設(shè)計(jì)，節(jié)點(diǎn)拓?fù)涞妊芯抗ぷ鳌?/p>

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多節(jié)點(diǎn)溫度的實(shí)時(shí)檢測，并能通過無線收發(fā)和GSM通信將采集的溫度信息發(fā)送到終端用戶，實(shí)現(xiàn)在終端監(jiān)測界面的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，終端用戶還可以通過無線收發(fā)和GSM通信發(fā)送控制信息，實(shí)現(xiàn)對溫度的控制，在一定程度上能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制并克服傳輸距離的問題。

（編自《電氣技術(shù)》，原文標(biāo)題為“基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫度采集監(jiān)測系統(tǒng)”，作者為王建秋、王杰 等。）