無線溫度傳感器網絡節點設計研究

熊辰念　閆東方

摘要：該文依據無線傳感器網絡技術的設計理念，設計了一種基于DS18B20溫度傳感器和nRF905射頻模塊的無線溫度傳感網絡節點，提出了一種節點編碼方式，并通過匯聚節點將信息傳輸到客戶端，客戶端可以無線監測不同區域內溫度變化情況。

關鍵詞：節點；溫度傳感器；無線傳感器網絡；無線模塊；溫度監測

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）13-0053-02

無線傳感器網絡系統[1]的結構如圖1所示，它通常包括匯聚節點和普通節點。監測區域內的傳感器節點能夠按照通訊方式傳輸數據，匯聚節點接收數據傳輸到互聯網或衛星，最后通過互聯網或移動網絡到達管理節點，即客戶端。用戶通過客戶端對傳感器網絡進行配置和管理，發布監測任務和收集監測數據。

無線傳感器網絡廣泛應用在智能農業、環境監測、醫療健康中，例如將無線溫度傳感器節點撒布在溫室大棚、森林、病房中，及時獲取相應區域溫度變化，在有效實時防控災害方面具有重大意義。因此本文依據無線傳感網絡節點設計方法，設計了無線溫度傳感器網絡節點。

1 無線溫度傳感節點模塊設計

1.1溫度采集模塊

本文依據設計需要，溫度測量精度要求為0.5 °C，因此本文選用DS18B20溫度傳感器[2]模塊，模塊的硬件電路圖如圖2所示

DS18B20溫度模塊特性

DS18B20的主要特征：①全數字溫度轉換及輸出。②先進的單總線數據通信。③最高12位分辨率，精度可達土0.5攝氏度。④12位分辨率時的最大工作周期為750毫秒。

DS18B20引腳功能：GND-電壓地，DQ-單數據總線 、VDD-電源電壓

1.2 無線收發模塊設計

根據應用需要，無線模塊[3-4]傳輸距離為500m左右，本文因此選用nRF905 芯片，它是單片射頻收發器。芯片工作電DC1.9～3.6V，工作在433/868/915MHz 三個ISM 頻段，頻段之間收發模式切換時<650us。引腳示意圖如圖3所示。

數據傳輸接口由SCK、MISO、MOSI以及 CSN組成。

模式控制接口：控制低功耗的PWR_UP、控制正常工作TX_EN、選擇發送還是接受方式的TRX_CE，在nRF905無線收發模塊應用中應該注意的問題是頻率配置寄存器內容，頻率配置寄存器包括10個二進制位，如表1所示，

頻率計算公式如下：

其中是射頻信號頻率，單位為MHZ， 是設置通道頻差參數，當=0時，通道頻差100kHz，當=1時，通道頻差200kHz，設置工作頻率參數，由9位二進制位組成。

1.3 無線溫度傳感網絡節點

由于溫室大棚、育嬰室及孵化室24小時實時監控每一個節點位置的溫度，節點需要低功耗微處理器，通過對比其他微處理器選用MSP430F123微處理器，使用電池盒為供電電源，圖4所示為節點實物圖。

2 無線溫度傳感節點通訊

根據應用要求本文所設計的節點并不需要嚴格定位，只需要動態監視固定范圍內的溫度變化，為了降低成本及簡化開發復雜程度，對普通節點編碼，即對每一個節點編號，匯聚節點不停地接受普通節點發出的信號并解碼，判斷節點號，如圖5所示，然后匯聚節點將溫度信息無線發送給客戶端，客戶端可以根據需要將相關信息發送到移送終端。同時也可以通過客戶端將命令信號發送給將匯聚節點，匯聚節點將命令發送到普通節點。匯聚節點與單一普通節點通信過程中是通過握手信號實現的，即匯聚節點與單一普通節點通信時首先檢測是否是命令信號還是數據包信號，如果是數據包繼續發送，如果是命令信號停止發送數據包，配置節點。

3 上位機程序開發

客戶端上位機程序是在Visual Studio 2005環境下開發的，選用的畫圖控件是TeeChart Pro [5]。在開發上位機繪圖軟件時需要安裝該控件，并進行相應的設置。

在上位機溫度監控界面開發過程中，主要是對匯聚節點發送的溫度數據接收，然后把接收的數據通過控件中的AddXY函數顯示在監控界面中，監控界面如圖6所示。在監控界面中可以設置監控區域，并以不同的曲線代表不同的監測區域。如圖6所示是檢測區域1和區域2的溫度變化曲線。

4 結論

本文通過對無線溫度傳感網路節點模塊的設計，實現溫度的無線收發。設計匯聚節點與普通節點之間的無線通訊方式，并開發上位機程序，最終能夠實時監控不同區域的溫度值，監測溫度精度為0.5°。通過試驗驗證，本文研究的無線傳感網絡節點監控系統能夠應用在監測半徑為500m的區域內。

參考文獻：

[1] 王汝傳，孫力娟.無線傳感器網絡技術及其應用[M].北京：人民郵電出版社，2011：292-338.

[2] 顏麗娜，張鐵民.基于DS18B20測溫系統的設計[J].科技信息，2010（11）：496-497.

[3] 孫英達，徐文琴，丁立新.nRF905無線收發芯片的應用[J].機械制造與自動化，2009（6）：115-117.

[4] 趙建華，韓玉杰.基于nRF905的溫室無線數據傳輸系統[J].機電產品開發與創新，2009（6）：141-143.

[5] 屈景輝.TeeChart應用技術詳解[M].北京： 中國水利水電出版社，2007：10-100.