基于物聯網技術的低功耗環境參數采集系統研制

摘 要：在物聯網技術的低功耗信息采集系統研制中，數據的獲取非常關鍵。將數據采集成功后，傳輸到服務器是很關鍵的一步。為了在傳輸過程中避免各種不良因素的影響，我們采用MSP430處理芯片、JN5139為RF發射前段的硬件，通過軟硬件結合，最終將數據通過GPRS將數據發送到服務器。

關鍵詞：ZigBee；MSP430；JN5139；物聯網

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 04-0000-01

本文主要描述聯網技術的低功耗信息采集系統中數據采集傳輸的部分。數據采集采用傳感器，傳感器將數據采集后，將數據傳輸到ZigBee網絡模塊中，利用ZigBee的一系列優勢，快速準確將各個傳感器中的數據傳輸到FFD，最后各個FFD通過GPRS將數據發送到控制中心的GPRS接受模塊上。MSP430處理芯片為硬件核心，以JN5139為RF發射前端的硬件設計為原理，讓ZigBee無線傳感網絡節點與節點之間傳輸效率更高。

一、硬件的設計

（一）MSP430

強大的處理能力MSP430系列單片機是一個16位的單片機，采用了精簡指令集（RISC）結構，具有豐富的尋址方式（7種源操作數尋址、4種目的操作數尋址）、簡潔的27條內核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內數據存儲器都可參加多種運算；還有高效的查表處理指令；有較高的處理速度，在8MHz晶體驅動下指令周期為125ns。這些特點保證了可編制出高效率的源程序。

在運算速度上，MSP430系列單片機能在8MHz晶體的驅動下，實現125ns的指令周期。16位的數據寬度、125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能實現乘加）相配合，能實現數字信號處理的某些算法（如FFT等）。因為其降低芯片電源電壓和靈活可控的運行時鐘上，MSP430非常的省電。它的電源采用1.8～3.6V，讓其在1MHz的時鐘下運行，電流僅有200～400uA，當時鐘關斷模式時，最低功耗只有0.1uA。

（二）ZigBee的核心模塊

ZigBee的核心模塊非常小，使用的是JN5139，JN5139是一個低功耗，低成本的無線微控制器，適合IEEE802.15.4和ZigBee應用，它繼承了一個32位的RISC處理器，病完全兼容的2.4GHz IEEE802.15.4收發器，192K的ROM，96K的RAM，以及豐富的混合模擬和數字外部設備。JN5139的ROM/RAM架構支持存儲系統軟件，包括協議棧、路由表、應用程序代碼和數據。該器件集成MAC和AES加密加速器，省電模式和睡眠模式，為安全機制和關鍵程序代碼加密。

在ZigBee網絡中，節點可以分為兩種類型：有路由功能的節點和沒有路由功能的節點。通常終端設備經常采用的是沒有路由功能的RFD精簡設備，而路由器和協調器是有FFD全功能設備組成的。

GPRS是在現有的GSM網絡基礎上發展起來的一種分組交換和傳輸方式，在嵌入式系統中應用非常廣泛。它的基本功能是在移動終端與標準數據通信網絡的路由器之間傳遞分組數據。GPRS具有數據傳輸速率高、永久在線等優點，被廣泛應用于遠程監控系統。

目前，利用微控制器接入互聯網基本上有兩種方式，一種是驅動以太網網卡，通過以太網接入互聯網，另一種是直接驅動調制解調器，利用現有的電話系統，向ISP撥號上網。這兩種方式都是有線上網，但對移動環境和難于布線的場所有其局限性。解決這一問題的方法之一是無線上網，相對比較成熟的一種技術是利用GPRS實現無線上網，即以微控制器為控制中心，驅動GPRS通訊模塊，利用GPRS網絡連接到互聯網，實現無線上網，克服了有線上網的局限性。本文就將這一方面進行闡述和實現。

主站的工控機通過串口與GPRS模塊通信，在每個監測點裝上傳感器，組成傳感器網絡。這個網絡易于擴展，當有其他需要監測的點增加時，ZigBee具有自組網功能，在上電時會自動監測到新增的節點。

當傳感器檢測需要的信號后，經內含ZigBee傳感器節點RFD模塊處理后得到數據信息，然后協調器節點ZigBee FFD模塊將數據信息打包處理，通過RS232與GPRS模塊相連，經GPRS網絡將數據信息傳輸至監控中心，監控中心可將信息統計存儲。然后做出處理。

二、軟件的開發

由于使用網絡的結構不同如星型結構、簇狀結構、網狀結構，星型結構可以直接將數據傳送，不用考慮數據轉發的問題；若為簇狀結構或網狀結構，則影響著各個節點之間通過多跳數據發射進行數據傳輸。

在ZigBee網絡中，節點使用Cluster-Tree算法，按照父子關系選擇路徑，即當收到一個節點的數據后，如果發現者條數據分組不是傳送給自己的，那么，它只能將其轉發給父節點或子節點。所以這樣建立起來的路徑不一定是最優的路徑，就會給數據的發送增加延遲。為了提高效率，在ZigBee及誒單中使用AODVjr算法去發現路由，意思是，可以不按照父子關系而直接發送其到通信范圍的其他路由節點，從而提升了效率。也就是FFD將單個RFD的監測數據進行整理，并通過無線網絡將數據以幀的形式傳送至網關節點，網關節點作為協調器與各路由節點進行動態組網構建網絡。在傳輸過程中監測的數據可能被多個路由節點處理，經過多跳后匯集到網關節點。軟件流程為上電后，首先進行軟硬件初始化，掃描信道并新建網絡，然后開始監聽網絡，如果監聽到節點的入網請求，則為節點分配網絡，如果監聽到遠程命令，則開始接收終端節點數據并向遠程控制中心發送，在數據采集中，要求10分鐘采集一次，那么期間讓其休眠，能夠節省電量。

三、結束語

物聯網信息時代已經來臨，它是既互聯網后的又一次科技浪潮。將物聯網技術應用與現生活相聯系已經成為一種趨勢。MSP430+ JN5139可以實現無線化、遠程化。測溫節點的ZigBee采用JN5139模塊，不再需要其他處理器，不但降低了系統的成本，也大大降低了系統的結構和功耗，ZigBee無線傳輸網絡可以實現主控模塊與傳感器節點之間的數據傳輸，GPRS網絡解決了ZigBee的短距離傳輸局限性，實現遠程無線監控，這種低碳科技能夠準確的幫助我們獲取到我們想要的數據，不管從理論還是現實上來說，它無疑會成為廣泛應用的技術。

參考文獻：

[1]施軍，黃衛東.物聯網打造智能家居[J].中國電信業，2010（12）：70-71.

[2]南忠良，孫國新.基于ZigBee技術的智能家居系統設計[J].電子設計工程，2010（07）.

[作者簡介]張康（1990.07-），男，陜西西安人，本科生，研究方向：物聯網低功耗信息采集。

[基金項目]2012年西安文理學院大學生創新創業訓練計劃項目（基于物聯網技術的低功耗環境參數采集系統研制）。