基于無線傳感器網絡的溫度采集監測系統

王建秋 王 杰 唐守鋒

（1.濰坊職業學院汽車工程系，山東 濰坊 261031;

2.中國礦業大學信息與電氣工程學院，江蘇 徐州 221008）

1 引言

無線傳感器網絡是一門綜合性很強的學科，涉及傳感器技術、通信技術、網絡技術、計算機技術、嵌入式技術和微電子技術等眾多領域，由于其體積小、成本低以及強大的信息獲取功能，所以在環境數據采集、安全監控以及目標跟蹤等方面有著廣闊的應用空間。溫濕度與人們的生產生活息息相關，對于溫濕度的采集監測在當前有多種方法。基于無線傳感器網絡的溫度采集監測系統也有所研究。本文結合無線傳感器網絡和 GSM通信技術，探討設計一種溫濕度采集監測系統，包括方案的選擇和確定、前端信息采集模塊的硬件軟件設計、系統中節點的軟件設計簡介和終端監測界面的設計（節點拓撲可以是樹形或星形）。

2 系統方案構架

整個溫度采集傳輸系統設計構架如圖1所示，它主要由前端溫度采集模塊、KM-NODE 433節點模塊、GSM通信模塊和監測模塊組成。

圖1 整個系統方案構架

前端溫度采集模塊主要任務是采集溫度并將數據按一定格式通過串口發送給節點A；節點A將接收到的溫度采集信息通過無線發送給節點 B；節點B主要任務通過其內部的無線收發模塊接收節點A發送的數據，并利用其內部的處理器將接收的數據按要求處理后通過串口發送給GSM通信模塊；GSM通信模塊通過短信方式將數據信息發監測模塊，監測模塊可以是手機式的手持終端，也可以是計算機監測界面。

3 系統各組成模塊設計

（1）器件選擇和原理圖

溫度采集電路原理框圖如圖2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，輸出完全標定的數字信號，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 轉換器以及串行接口電路實現無縫連接，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、響應迅速、抗干擾能力強、性價比高等優點。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片內程序存儲器,256bytes的隨機存取數據存儲器，5個中斷優先級，兩個16位可編程定時器計數器，兩個全雙工串行通信口。采集原理仿真圖如圖3所示。

KM-NODE433節點模塊的組成如圖4所示，它是由利達爾公司生產的無線通信模塊，主要由微控制單元和無線先收發模塊構成。

圖2 溫濕度采集電路原理框圖

圖3 采集原理圖

（2）KM-NODE433節點模塊簡介

圖4 K M-NODE433節點模塊的組成

KM-NODE433節點模塊結構特點如下：

1）采用 CC1100無線通信模塊。

2）MCU 選用 MSP430F2132，具有超低功耗特性。

3）實現串口通信透明傳輸，可配置各種數據格式。

4）實現任意長度以及不間斷無線數據長度的數據發送。

5）防碰撞機制，實現多用戶數據通信。

6）在線設置多種速率以及不同的地址、頻道。

7）用戶可選擇保存配置信息，方便下次操作。

8）方便快速的狀態切換，配置控制I/O口狀態即可。

KM-NODE 433節點原理圖如圖5所示，在本系統中模塊工作頻率選用的公用頻段中的433MHZ，這樣可以節約成本。由于公用頻段的使用者比較多，數據在傳輸中受到的干擾比較大，所以本系統在節點軟件中對傳輸數據提出了一定的格式要求，從提高數據傳輸的準確性。

（3）GSM通信模塊設計

GSM通信模塊主要由SIM900A 芯片、網絡信號燈、串口接口、SIM卡電路和供電電路組成。組成框圖如圖6所示。

GPRS通信模塊主要是用短信的方式來發送信息數據，將系統與移動通信相連接，可以實現數據不限距離的傳輸，在很大程度上解決了傳輸距離的問題。發送溫濕度數據信息是通過AT命令來實現的。

（4）監測模塊

為了不同用戶監測的需要，系統的監測系統有

圖5 KM-NODE 433節點原理圖

圖6 GPRS通信模塊組成框圖

兩種：一種是手持式監測界面，即在具有要求系統的手機系統中嵌入專門的監測軟件來實現信息的接收和監測，同時可以查看歷史數據信息，用戶還可以通過手持終端向系統發送控制短信來實現對一些參量的控制（比如濕度低于預定閾值時手持終端會收到提示短信，此時監測者可以發送控制短信到系統控制澆水裝置來增加濕度）。另一種是終端計算機監測界面，終端用戶可以在計算機上察看和監測觀測點的參數信息。手持終端的監測程序是結合數據庫知識用JAVA編寫的，終端計算機監測界面用VB設計，兩者都可以實現數據信息的監測并通過圖形顯示各個監測區域的監測信息。

4 系統的仿真測試

（1）仿真測試所需設備

所需設備、儀器和材料如下：

1）前端溫濕度度采集模塊。

2）KM-NODE 433節點模塊。

3）GSM通信模塊。

4）串口連接線兩根。

5）裝有專門編寫設計的VB溫濕度監測界面的PC機一臺。

6）手持式監測終端一個。

7）各模塊的供電電源。

手持終端式監測的仿真實物過程示意圖如圖 7所示。

圖7 手持終端式監測的仿真實物過程示意圖

因為數據信號在傳輸過程存在一定的衰減，所以在距離比較遠的情況下，為了傳輸信息的準確性，應該加中繼節點，以接力的形式實現數據的有效傳輸。接力節點只對數據進行透明傳輸，不進行處理數據，功耗比較低。

計算機終端監測仿真的顯示界面如圖8所示。

圖8 計算機終端監測仿真顯示界面

（2）仿真測試結果

系統基本上實現了設計提出的各種功能，在單節點和多節點情況下觸摸傳感器后監測界面上的溫濕度會發生相應的變化，同時顯示各監測點的實時數據信息，并可以調用數據庫察看歷史信息，終端用戶發送的控制信息能通過相應的單片機引腳狀態來反映。由于數據在 433MHz頻段傳輸，該頻段傳輸數據較多，干擾較大，系統對傳輸數據進行了一定的規定，傳輸信息的準確性得到了一定程度上提高。

5 結論

本文針對當前溫度采集監測的多種方法，提出了基于無線傳感器網絡技術，結合單片機、集成溫度傳感器、GSM通信和VB等理論，研究設計了一種溫度采集監測系統。完成了系統方案的確定、前端信息采集模塊的軟硬件設計、系統中節點的軟件設計和終端監測界面的設計，節點拓撲等研究工作。系統實現了多節點溫度的實時檢測，并能通過無線收發和 GSM通信將采集的溫度信息發送到終端用戶，實現在終端監測界面的動態監測，終端用戶還可以通過無線收發和 GSM通信發送控制信息，實現對溫度的控制，在一定程度上能實現自動控制并克服傳輸距離的問題，具有廣闊的應用前景。參考文獻

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[5] KM NODE-433節點使用說明.

[6] SIM900A使用手冊.

[7] AT命令使用手冊.

[8] SHT1X/7X使用手冊.