面向樓宇自控的傳感器網絡節點硬件設計研究

摘 要：無線傳感器網絡系統與傳統的有線傳感器網絡相比，具有耗資小、安裝方便、維護和更新費用低等優勢，非常適合用于布線困難的區域、人員不能到達的區域和一些臨時場合狀況的遠程監測。該設計針對樓宇系統特點，采取新一代自動采集數據技術-無線傳感器網絡技術，提出無線傳感器網絡節點設計方案。該方案采用STC89C51微處理器和無線射頻芯片RF2401設計并實現了無線傳感器網絡節點。通過無線通信傳遞給遠程匯聚節點并與上位機通信，得以實現溫度數據采集監測，提高了監控的安全性與實時性，實現網絡遠程監控。

關鍵詞：傳感器網絡；網絡節點；樓宇監控；數據采集

1 概述

隨著微機電系統、無線通信和低功耗嵌入式技術的飛速發展，孕育出了無線傳感器網絡，其以低功耗、低成本、分布式和自組織的特點帶來了信息感知的一場變革。樓宇自控傳感器網絡就是由許多這些傳感器節點協同組織起來，節點可以隨機或者特定地布置在目標環境中，它們之間通過特定協議自組織起來，能夠獲取周圍環境的信息并且協同工作完成特定任務。

課題研究背景及意義：未來的樓宇將會充滿各種各樣的智能設備。樓宇控制網絡中的傳感器、執行器、閥門等都是智能的，樓宇的基礎設施能無縫隙的將數據網和控制網連接起來，形成整體的樓宇網絡。

隨著社會信息化進程的速度加快，無線傳感器網絡憑借其微型性、低成本、靈活性為樓宇系統的跟蹤、監控、管理等提供了技術支撐。本設計針對樓宇環境中溫度這一參數，設計無線傳感器網絡節點，通過無線通信將采集到的信息傳遞給遠程匯聚節點并與上位機通信，實現溫度的遠程監測，避免人員進入的不安全性和采集數據不及時不準確的缺陷。

2 樓宇自控傳感器網絡節點設計

樓宇傳感器網絡節點設計由下列部件構成：低功耗微控制器STC89C51、低功耗無線收發芯片RF2401、5V穩壓電源以及傳感器。

（1）普通節點：在微處理器的控制下，傳感器采集數據經過合理的打包由射頻模塊發射給匯聚節點。

（2）匯聚節點：主要是創建網絡、及實現程序定義的匯聚任務。

普通節點通常是一個微型的嵌入式系統。從網絡功能上看，每個普通節點既具有傳統網絡節點的終端功能，又兼具有路由器的功能。除了要進行本地信息收集和數據處理外，還要對其他節點轉發來的數據進行存儲、管理和融合等處理。一個普通節點通常由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊四部分組成。

3 樓宇自控傳感器網絡節點功能模塊的設計與實現

樓宇自控傳感器網絡一般由數據處理單元、射頻收發單元、傳感單元以及電源組成，器件的選擇主要包括微控制器、射頻收發器以及傳感器件的選擇。

3.1 微處理器的選擇

微處理器是普通節點的核心，在選擇時，必須滿足體積小、集度高、功耗低且支持睡眠模式、速度足夠快、成本盡量低等幾個要求。該設計的微處理器采用STC89C51單片機。

STC89C51是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統可編程Flash存儲器。它與工業80C51產品指令和引腳完全兼容。

3.2 射頻芯片的選擇

本設計采用nRF2401單片射頻發射器芯片，工作于2.4～2.5GHzISM頻段，芯片內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。

3.3 傳感器選擇

傳感器一般由敏感元件、轉換元件和測量電路等部分組成，如圖1所示。

傳感器的選擇主要從它的準確性、可靠性、穩定性和價格上考慮。該設計采用DS18B20溫度傳感器。

DS18B20最新單線數字溫度傳感器，它的體積更小、適用電壓更寬、更經濟，測量溫度范圍為-55～+125℃，在-10～+85℃范圍內，精度為-0.5℃，現場溫度直接以“一線總線”的數字方式傳輸，大大提高了系統的抗干擾性，適合于惡劣環境的現場溫度測量。

3.4 硬件功能模塊

3.4.1 數據采集、通信模塊

普通節點采集溫度數據采用的是DS18B20，其數字溫度計提供9位（二進制）溫度讀數指示器件的溫度信息經過單線接口送入DSl8B20或從DSl8B20送出，因此MCU到DSl8B20僅需一條線。樓宇自控傳感器網絡是由普通節點和匯聚節點按照某種拓撲結構組成的。普通節點實現數據采集功能，匯聚節點要實現控制以及在計算機上顯示數據的功能，考慮到數據傳輸速度，采用的是RS-232c串口工具。

3.4.2 電源功能模塊

電源是傳感器網絡節點的生命之柱，由于無線傳感器網絡節點可工作在危險倉儲系統，由于人員不能到達和布線困難的特點，所以大多只能采用電池供電，且一般不可能更換電池。單片機應以最快的速度執行任務，一旦有可能就進入節能模式。在節能模式中，通過管理電路，將除單片機以外的器件的供電切斷。進入節能模式后，如果監控中心需要訪問該節點，則通過射頻收發模塊喚醒該節點的單片機。

4 總結與展望

該設計選用了DS18B20溫度傳感器實現環境數據的采集，選用了STC89C51微處理器和RF2401模塊實現數據的處理和發送。所組建的無線傳感器網絡系統具有功耗低，數據采集可靠，體積小，成本低等優點。并可以通過增加一定的傳感器，設計功能強大的節點應用軟件，加強網絡系統的功能，實現更智能化的樓宇自動化控制。

參考文獻

[1]崔遜學，王成.無線傳感器網絡的領域應用與設計技術[M].北京：國防工業出版社，2009.

[2]羅惠謙，張馨，劉恩，等.用于溫室環境檢測的無線傳感器的研制[J].傳感器世界，2006（5）：45-48.

[3]劉述.傳感器網絡應用及實現[J].北京：電信網技術，2005（4）：9-l2.

[4]張啞凡，張洪潤.單片機原理及應用[M].清華大學出版社，2005.

[5]于宏毅，李歐，張效義，等.無線傳感器網絡理論、技術與實現[M].北京：國防工業出版社，2008.