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>

系統(tǒng)方案構(gòu)架

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。

系統(tǒng)各組成模塊設(shè)計

（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：

• 采用 CC1100 無線通信模塊；
• MCU 選用 MSP430F2132，具有超低功耗特性；
• 實現(xiàn)串口通信透明傳輸，可配置各種數(shù)據(jù)格式；
• 實現(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；
• 防碰撞機制，實現(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。

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。

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、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。）