鎢礦環境監測無線傳感器網絡節點的設計與實現

李百明 何學文 黃國平

[摘要]針對當前鎢礦環境監測系統大多采用存在監測盲區的有線網絡這一問題,設計無線傳感器網絡監測系統,實現對環境參數的監測。實踐結果表明該系統具有較高的實用價值和應用前景。

[關鍵詞]環境監測無線傳感器網絡鎢礦

中圖分類號:TP301文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)1110055-01

本文通過對當前的鎢礦環境監測系統現狀的研究,結合無線傳感器網絡技術、嵌入式系統技術和網絡通信技術,設計和實現了一套適用于鎢礦環境的無線傳感器網絡環境參數監測系統。

一、礦山環境無線傳感器網絡總體設計

由于有線監測系統其自身的局限性以及生態環境的復雜性,特別是無法對危險環境進行監測,導致在某些場合有線監測系統已導致在某些場合有線監測系統已不能滿足人們的需求[1]。針對鎢礦復雜的環境,分析了系統的結構體系,設計了一種適用于鎢礦環境參數監測的無線傳感器網絡系統結構。該結構為一個層次型網絡結構,底層為部署在監測環境中的終端無線傳感器節點,上層依次為無線傳感器匯聚節點、傳輸網絡、上位機(監控計算機),最終連接到Internet和公司局域網。系統總體架構如圖1所示。

二、無線傳感器網絡節點硬件設計

(一)節點硬件結構設計

傳感器節點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供給模塊組成[2]。傳感模塊主要負責監測區域內信息的采集并將各種傳感器采集的信號轉變為數字信號并傳送給處理器模塊。處理器模塊負責控制整個節點的數據處理操作、路由協議、功耗管理、任務管理和實現網絡安全可靠的通信協議[3]。無線通信模塊負責與其他節點進行無線通信,交換控制消息和收發數據。能量供給模塊負責為節點各個功能模塊供電。

(二)各功能模塊設計

1.微處理器模塊

在選擇微處理器時切忌一味追求性能,選擇的原則[4]應該是“夠用就好”。現在微處理器運行速度越來越快,但性能的提升往往帶來功耗的增加。一個復雜的微處理器集成度高、功能強,但片內晶體管多,總漏電流大,即使進入休眠或空閑狀態,漏電流也變得不可忽視;而低速的微處理器不僅功耗低,成本也低。另外,應優先選用具有休眠模式的微處理器,因為休眠模式下處理器功耗可以降低3～5個數量級。考慮實際需求,本設計中處理器模塊選擇ATMEL公司的AVR系列的ATmega128L單片機。ATmega128L[5]是ATMEL公司于2001年推出的采用低功耗COMS工藝生產的基于AVR RISC結構的8位微控制器,是目前AVR系列中功能最強大的單片機。該單片機具有體積小、功耗低、集成度高、支持睡眠模式、喚醒時間短、運行速度快、成本低和足夠的外部接口等特點。

2.無線通信模塊

無線通信模塊選擇Chipcon公司的CC2420芯片。CC2420是Chipcon公司推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4標準的無線收發器。它基于Chipcon公司的SmartRF03技術,以0.18umCMOS工藝制成,只需極少外部元器件,性能穩定且功耗極低。該無線收發芯片具有集成度高,工作電壓低、功耗低和靈敏度高等優點,易于得到廠商提供的協議棧和開發套件。

3.傳感器模塊

根據項目的應用背景和實際需要,選擇傳感器對監測區域內的溫度、濕度、粉塵、二氧化碳、一氧化碳和氧氣等參數進行監測。在節點的硬件設計和研制中,充分考慮了傳感器的能耗、精度、采樣頻率、與微處理器的接口特性等要求。為了提高節點的可擴展性,在節點中提供了可擴展不同傳感器的接口。

設計中選用了溫濕度傳感器、粉塵傳感器、二氧化碳傳感器、電化學傳感器分別對溫度、濕度、粉塵、二氧化碳、一氧化碳和氧氣等參數進行探測。選用了瑞士盛世瑞恩(Sensirion)公司的數字溫濕度傳感器SHT10采集環境的溫度和濕度。粉塵傳感器選用日本神龍公司的粉塵傳感器PD4NS。二氧化碳、一氧化碳和氧氣的探測分別選用瑞士盟巴玻(Membrapor)公司的生產的電化學傳感器6004二氧化碳傳感器、O2/I-06氧氣傳感器、CF-1000一氧化碳傳感器。

4.電源供給及管理模塊

能量是無線傳感器網絡最寶貴的資源,它決定著傳感器網絡的壽命。為了滿足降低節點能耗的目標,節省系統電源,傳感器模塊只有在工作時才啟動,因此電源供應及管理模塊中研究了采用TI公司TPS 79501傳感器模塊電源控制器。TPS 79501具有超低噪聲、高PSRR、高電平啟用等特點,輸出為1.2V～5.5V電壓可調的低壓降穩壓器,驅動能力達500mA～7.5A。

三、節點軟件系統設計

無線傳感器網絡節點是個資源受限的嵌入式系統,包括硬件資源受限、帶寬有限、能量受限及補給困難的特點,決定了現有的一些嵌入式操作系統(如Linux操作系統)不能很好適用于傳感器網絡節點。

TinyOS是目前傳感器網絡的主流操作系統,采用基于組件的體系結構,應用程序的各個功能都是由相應的組件實現的。當事件對應的硬件中斷發生時,TinyOS的事件驅動機制能夠快速地調用相關的事件處理程序,從而使CPU在事件發生時迅速執行相關任務,在處理完之后進入睡眠狀態,從而有效的提高了CPU的使用效率,并且節省了能量。

四、結論

在鎢礦環境監測中采用無線傳感器網絡,利用傳感器節點功耗低、工作時間長、成本低、能自組織地通信以及在危險區域和大面積監測中容易布置等特點,能夠實現鎢礦環境參數低成本連續在線監測,較傳統在線監測系統具有更大的優勢,對于礦山安全具有重要意義。

基金項目:國家自然科學基金項目(No.50764005)

參考文獻:

[1]黃布毅、常亞軍、張海霞等,基于無線傳感器網絡的煤礦安全監測系統設計,通信技術,2008,41(9):170～172.

[2]孫利民、李建中,無線傳感器網絡,北京:清華大學出版社,2005.

[3]姜連祥、汪小燕,無線傳感器網絡硬件設計綜述,單片機與嵌入式系統應用,2006.11.

[4]王殊、胡富平、屈曉旭等,無線傳感器網絡的理論及應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2007.

[5]馬潮,高檔8位單片機ATmega128原理與開發應用指南(上),北京:北京航空航天大學出版社,2004.

作者簡介:

李百明(1984-),男,黑龍江省海倫市人,碩士研究生。