基于ANT的無(wú)線溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 石，姚志強(qiáng)

（福建師范大學(xué) 軟件學(xué)院，福建 福州350108）

許多工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境對(duì)于溫度的要求非常高，因此對(duì)于溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求也非常高。傳統(tǒng)意義上的溫度監(jiān)控系統(tǒng)大多采用電纜鋪設(shè)或者人工儀器測(cè)量，這樣不僅耗費(fèi)了大量的人力，設(shè)備維護(hù)方面也存在相當(dāng)大的困難。因此對(duì)于環(huán)境條件受限或者監(jiān)測(cè)范圍較大的情況，傳統(tǒng)意義上的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就會(huì)顯得無(wú)能為力[1]。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，在此背景下，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network)應(yīng)運(yùn)而生。作為一種新型的信息收集與處理技術(shù)，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是由布置在區(qū)域范圍內(nèi)大量傳感器組成的、通過(guò)無(wú)線通信形式形成的多跳自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)區(qū)域范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并將信息打包傳送至客戶端。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)具有檢測(cè)范圍廣、精度高等特點(diǎn)，適用于監(jiān)測(cè)環(huán)境比較惡劣、人工無(wú)法接近的地區(qū)，在軍事、家庭智能等方面具有比較廣闊的發(fā)展前景[2]。

本文設(shè)計(jì)了一種基于ANT的遠(yuǎn)程無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用溫度傳感器采集溫度信息，然后通過(guò)微處理器模塊和ANT無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，最后通過(guò)串口通信將數(shù)據(jù)傳送給PC機(jī)進(jìn)行處理并顯示，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

ANT協(xié)議是加拿大Dynastream公司于2005年針對(duì)小尺寸、低成本、低功耗的應(yīng)用而推出的一種短距離的非標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線射頻協(xié)議。ANT采用雙工2.4 GHz ISM頻帶射頻通信，設(shè)計(jì)用作超低功耗、易使用、高效以及高靈活性的應(yīng)用，其有效傳輸距離約為10 m～30 m，傳輸速度高達(dá)1 Mb/s，支持樹(shù)型、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和星型及其他網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可提供可靠、靈活、自適應(yīng)及高抗干擾的數(shù)據(jù)通信[3]。

無(wú)線溫度監(jiān)控系統(tǒng)包括溫度測(cè)量節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)匯集節(jié)點(diǎn)以及用戶監(jiān)測(cè)終端。溫度測(cè)量節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集和傳送各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度，與數(shù)據(jù)匯集節(jié)點(diǎn)構(gòu)成ANT無(wú)線星型網(wǎng)絡(luò)，由數(shù)據(jù)匯集節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)與接收，并將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶監(jiān)測(cè)終端，用戶監(jiān)測(cè)終端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示，以達(dá)到監(jiān)控被測(cè)節(jié)點(diǎn)的溫度的目的。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

溫度測(cè)量節(jié)點(diǎn)主要由ANT通信模塊、信息采集模塊和微處理器模塊等硬件構(gòu)成，主要功能在于采集溫度信息，并將溫度信息通過(guò)ANT網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)匯集節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)匯集節(jié)點(diǎn)由微處理器模塊和ANT通信模塊構(gòu)成，主要功能在于收集被測(cè)節(jié)點(diǎn)的溫度信息并且通過(guò)串口通信方式將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測(cè)終端。監(jiān)測(cè)終端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示相關(guān)信息。硬件結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示。

圖2 溫度測(cè)量節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

圖3 數(shù)據(jù)匯集節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，它具有精度高、成本低、操作簡(jiǎn)便、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，非常適用于溫度信息的采集[4]。這種傳感器采用單總線接口方式，僅需要一條線即可實(shí)現(xiàn)與微處理器的雙向通信，在采集溫度信息時(shí)，不需要外部元件的輔助，可以將溫度信息直接轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)傳輸給微處理器。DS18B20的測(cè)溫范圍為-55℃～+125℃；可編程分辨率為 9～12位；精度可達(dá)到±0.5℃；溫度轉(zhuǎn)換為 12位數(shù)字格式，最大值為 750 ms；電壓范圍為 3.0～5.5 V，可由數(shù)據(jù)總線供電。

2.2 ANT無(wú)線通信模塊

無(wú)線通信模塊采用nRF24AP2[5]作為主要芯片。nRF-24AP2是Nordic公司推出的新一代ANT低功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)芯片，分為 3個(gè)系列：nRF24AP2-1CH、nRF24AP2-8CH和nRF24AP2-USB。nRF24AP2-1CH是單通道ANT無(wú)線網(wǎng)絡(luò)芯片，nRF24AP2-8CH為8通道ANT無(wú)線網(wǎng)絡(luò)芯片，nRF24AP2-USB為USB接口8通道ANT無(wú)線網(wǎng)絡(luò)芯片。nRF24AP2具有超低功耗，單電源1.9～3.6 V供電，簡(jiǎn)單的異步/同步主機(jī)串行接口，提供了SPI接口與微處理器的連接，抗干擾能力強(qiáng)。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要，溫度測(cè)量節(jié)點(diǎn)的通信模塊以nRF24AP2-1CH作為主要芯片，而數(shù)據(jù)匯集節(jié)點(diǎn)的通信模塊采用nRF24AP2-8CH作為主要芯片，兩種芯片都采用同步主機(jī)串行接口方式。nRF24AP2-1CH芯片與nRF24AP2-8CH芯片引腳功能是一致的，只是通道數(shù)不一樣，所以它們與微處理器連接方式一致。

2.3 微處理器模塊

微處理器模塊采用單片機(jī)ATmega16L，該芯片是高性能、低功耗的8位增強(qiáng)AVR RISC結(jié)構(gòu)微控制器，具有較高的處理速度，內(nèi)部設(shè)有SPI接口和兩個(gè)串行通信口，可在3 V電壓下進(jìn)行低功耗工作，非常適合與選用的ANT模塊配合使用[6]。ANT模塊通過(guò)簡(jiǎn)單的6線與ATmega16進(jìn)行連接，其中ATmega16L的SPI接口工作在從機(jī)模式，nRF24AP2設(shè)為主機(jī)工作模式。ATmega16L與ANT模塊的接口電路如圖4所示，外圍再配以電源電路、晶振電路等。晶振電路采用8 MHz晶振，選取3.3 V做為工作電壓。

串口通信 RS232與微處理器之間選用工作電壓為3.3 V的MAX3232電平轉(zhuǎn)換芯片，以完成雙向電平和邏輯關(guān)系的直接轉(zhuǎn)換。由于該無(wú)線網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的移動(dòng)性，故要求其具有穩(wěn)定的電源供電且必須功耗低。本文選用5 V電池供電，通過(guò)LM1117將5 V電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V，從而有效降低了成本，增加了終端節(jié)點(diǎn)的可移動(dòng)性和靈活性。

圖4 ATmega16與nRF24AP2接口電路

3 軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括溫度采集、數(shù)據(jù)匯集及監(jiān)控終端三個(gè)部分。溫度采集軟件運(yùn)用于溫度測(cè)量節(jié)點(diǎn)的單片機(jī)上，主要任務(wù)是采集溫度信息并將其無(wú)線發(fā)送。數(shù)據(jù)匯集軟件運(yùn)行于數(shù)據(jù)匯集節(jié)點(diǎn)單片機(jī)上，主要用于接收溫度數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給監(jiān)控終端PC機(jī)。監(jiān)控終端軟件主要對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的處理，將數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、顯示及分析。

3.1 溫度測(cè)量節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)上電之后，首先是硬件初始化，包括單片機(jī)初始化、溫度傳感器初始化和ANT初始化。單片機(jī)初始化主要是端口初始化和SPI口的設(shè)置；ANT初始化主要有設(shè)置網(wǎng)絡(luò)密鑰、分配通道、設(shè)置通道ID、設(shè)置通道周期和發(fā)射功率等，配置完成后開(kāi)啟通道。初始化完成后，開(kāi)始采集溫度值，到達(dá)1 s定時(shí)就開(kāi)始重新采集溫度值并將數(shù)據(jù)發(fā)送，完成后MCU進(jìn)入空閑模式。其流程圖如圖5所示。

3.2 數(shù)據(jù)匯集節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)上電之后，首先對(duì)單片機(jī)和nRF24AP2進(jìn)行初始化，初始化過(guò)程與溫度測(cè)量節(jié)點(diǎn)的初始化一致。初始化完成后檢測(cè)有無(wú)收到新溫度值，若無(wú)則等待，若有則將新的溫度數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給監(jiān)測(cè)終端。其流程圖如圖6所示。

圖5 溫度測(cè)量節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

圖6 數(shù)據(jù)匯集節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

3.3 監(jiān)控終端軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控終端軟件主要用于數(shù)據(jù)處理，基于VC++6.0實(shí)現(xiàn)，主要任務(wù)包括串口通信的收發(fā)、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)的顯示。串口通信采用微軟提供的MSComm控件實(shí)現(xiàn)[7]；數(shù)據(jù)顯示通過(guò)監(jiān)控軟件界面可實(shí)時(shí)顯示各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)和測(cè)量時(shí)間，并且能夠設(shè)定報(bào)警溫度閾值，當(dāng)超過(guò)閾值范圍發(fā)出報(bào)警聲；同時(shí)將接收的溫度信息保存到數(shù)據(jù)庫(kù)以便用戶對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和分析。

本文提出的基于ANT技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線溫度監(jiān)控方法，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)網(wǎng)狀態(tài)下采集現(xiàn)場(chǎng)溫度，通過(guò)遠(yuǎn)程手段監(jiān)測(cè)、記錄歷史溫度并且進(jìn)行有效分析和合理判斷，可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的遠(yuǎn)程監(jiān)控。在長(zhǎng)時(shí)間需要現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)或者較為惡劣的環(huán)境條件下，這種技術(shù)手段可以有效地節(jié)省人力資源。另外系統(tǒng)能夠更換不同的傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)不同的環(huán)境參數(shù)(如空氣濕度、有毒氣體等)，具有一定的通用性。

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