無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一門綜合性很強的學(xué)科,涉及傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機技術(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。
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、系統(tǒng)中節(jié)點的軟件設(shè)計簡介和終端監(jiān)測界面的設(shè)計,節(jié)點拓?fù)淇梢允菢湫位蛐切小?/p>
整個溫度采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計構(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)點模塊、GSM通信模塊和監(jiān)測模塊組成。
圖 2-1 整個系統(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A;節(jié)點A將接收到的溫度采集信息通過無線發(fā)送給節(jié)點 B;節(jié)點 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)測模塊可以是手機式的手持終端,也可以是計算機監(jiān)測界面。
(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。
傳感器包括一個電容性聚合體測濕敏感元件、一個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、性價比高等優(yōu)點。
單片機選用AT89C52,它是一個低功耗、高性能COMS 8位單片機, 8K Bytes Flash片內(nèi)程序存儲器,256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器,5個中斷優(yōu)先級,兩個16位可編程定時器計數(shù)器,2個全雙工串行通信口。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)點模塊簡介
KM-NODE433 節(jié)點模塊的組成如圖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)點模塊的組成
KM-NODE433 節(jié)點模塊結(jié)構(gòu)特點如下:
KM-NODE 433 節(jié)點原理圖如圖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)點原理圖
(3)GSM通信模塊設(shè)計
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)與移動通信相連接,可以實現(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)的手機系統(tǒng)中嵌入專門的監(jiān)測軟件來實現(xiàn)信息的接收和監(jiān)測,同時可以查看歷史數(shù)據(jù)信息,用戶還可以通過手持終端向系統(tǒng)發(fā)送控制短信來實現(xiàn)對一些參量的控制(比如濕度低于預(yù)定閾值時手持終端會收到提示短信,此時監(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)。
另一種是終端計算機監(jiān)測界面,終端用戶可以在計算機上察看和監(jiān)測觀測點的參數(shù)信息。手持式監(jiān)測效果和計算機監(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,終端計算機監(jiān)測界面用VB設(shè)計,兩者都可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的監(jiān)測并通過圖形顯示各個監(jiān)測區(qū)域的監(jiān)測信息。
(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)計的VB溫濕度監(jiān)測界面的PC機一臺;8)手持式監(jiān)測終端一個;9)各模塊的供電電源
手持終端式監(jiān)測的仿真的實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
因為數(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,以接力的形式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效傳輸。接力節(jié)點只對數(shù)據(jù)進行透明傳輸,不進行處理數(shù)據(jù),功耗比較低。
計算機終端監(jiān)測仿真的顯示界面如圖4-2所示。
圖4-2計算機終端監(jiān)測仿真顯示界面
(2)仿真測試結(jié)果
系統(tǒng)基本上實現(xiàn)了設(shè)計提出的各種功能,在單節(jié)點和多節(jié)點情況下觸摸傳感器后監(jiān)測界面上的溫濕度會發(fā)生相應(yīng)的變化,同時顯示各監(jiān)測點的實時數(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。
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、集成溫度傳感器、GSM通信和VB等理論,研究設(shè)計了一種溫度采集監(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、系統(tǒng)中節(jié)點的軟件設(shè)計和終端監(jiān)測界面的設(shè)計,節(jié)點拓?fù)涞妊芯抗ぷ鳌?/p>
系統(tǒng)實現(xiàn)了多節(jié)點溫度的實時檢測,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,實現(xiàn)在終端監(jiān)測界面的動態(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,實現(xiàn)對溫度的控制,在一定程度上能實現(xiàn)自動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。)