一種無線煙霧傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)_圖文

1、技術(shù)探討 TECHNICAL EXPLORATION一種無線煙霧傳感器爺點(diǎn)的設(shè)計(jì)與霧現(xiàn)The Design and Implementation of Wireless Smoke Sensor 王進(jìn)賢王泉王平戴劍波重慶郵電大學(xué)重慶市網(wǎng)絡(luò)控制與智能儀器儀表重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶400065摘 要:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前信息領(lǐng)域中研究的熱點(diǎn)之一,可用于特殊環(huán)境實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集、處理和發(fā)送; 介紹無線煙霧傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),以CC2430芯片為核心,利用煙霧傳感器設(shè)計(jì)硬件電路,并 通過無線收發(fā)模塊與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和上位機(jī)通信迭到實(shí)時(shí)監(jiān)控;討論和提出煙霧傳感器節(jié)點(diǎn)的低功耗 設(shè)計(jì)并描述系統(tǒng)的軟件架構(gòu)及實(shí)現(xiàn)方法。

2、系統(tǒng)具有較高的實(shí)用性和可靠性,成本低,功耗低,具有良 好的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞:工業(yè)無線煙霧傳感器低功耗可靠性Abstract:Wireless sensors network is a new research field.It call be used in some special situation for signal eollec tion,processing and transmitting.In this paper,design and implementationof a wireless smoke sensor nodes on the basis of CC2430an

3、d using of smoke senso璐Hardware circuit,wireless transceiver modules through coordination with the network and host computer communication to achieve realtime monitoring,and discuss the lowpower of smoke sensor nodes and design description of the system software architecture and implementation,the s

4、ystem has more high utility and reliability,low cost,low power consumption,has a good prospect.Key words:Wireless industry Smoke sensor Lowpower Reliable communication隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展,一些在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社 會(huì)生活中至關(guān)重要作用的特殊場(chǎng)所(如圖文檔案信息 中心、郵電通訊樞紐、集成電路生產(chǎn)車間、大型電站 越來越多。由于其內(nèi)部各種電氣設(shè)備高度集中且長(zhǎng)期 運(yùn)行工作,從而存在較多的火險(xiǎn)隱患,一旦發(fā)生火災(zāi), 將會(huì)給國(guó)家造成極大的經(jīng)濟(jì)損失

5、,給社會(huì)帶來重大影 響。因此如何及時(shí)、準(zhǔn)確無誤地預(yù)測(cè)火災(zāi)險(xiǎn)情成為社 會(huì)關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)。本文介紹了基于IEEE 802.15.4通信技術(shù)的無線煙霧傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),結(jié)合 智能傳感器(Smart Sensor的設(shè)計(jì)思想,提出一種基于 IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線煙霧數(shù)字式智能傳感器的 概念,給出了傳感器節(jié)點(diǎn)的功能模型,詳細(xì)闡述其工132.w眺cnI 作原理、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本無線煙霧傳感器節(jié)點(diǎn)主要由兩部分組成:煙霧 傳感器采集部分、無線傳輸部分。傳感器采集部分主 要負(fù)責(zé)將外界環(huán)境中的煙霧濃度采集進(jìn)來,采集部分 所得到的信號(hào)會(huì)隨著外界煙霧濃度變化而變化,煙霧 傳感器所測(cè)量的模擬量

6、,經(jīng)過調(diào)理電路送至無線傳輸 部分進(jìn)行處理。無線傳輸部分負(fù)責(zé)將傳感器采集到的 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送到無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器,然后轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī) 實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的顯示與監(jiān)控。系統(tǒng)功能模型如圖1所 示。2008年增刊中閱俄囂坂表TECHNICAL EXPLORATION傳感器 采集部分 :I煙霧I. .I電源管l;I傳感器r l理部分I:l 1Li l蠢I 無線I通信芯片l:l tl 土 土!甌夜習(xí) 爵:I選魚墮廣圖1系統(tǒng)功能模型輸部分天線監(jiān)測(cè)f臺(tái)2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)無線煙霧傳感器節(jié)點(diǎn)硬件電路主要由數(shù)據(jù)采集單 元、數(shù)據(jù)處理和傳輸單元、電源管理單元3部分組成。 2.1數(shù)據(jù)采集單元從低成本、高性能等角度出發(fā),本方案選用一種 半導(dǎo)體

7、氣體煙霧傳感器一MS5100。MS5100有著體積 小、感應(yīng)靈敏度高、穩(wěn)定性良好、反應(yīng)時(shí)間快速,對(duì)煙 霧、碳?xì)浠衔锖脱趸镉泻軓?qiáng)的靈敏度等諸多優(yōu) 點(diǎn)。煙霧傳感器采集電路如圖2所示。出信號(hào)圖2煙霧傳感器采集信號(hào)電路圖中:Vcc為外部電源,V。為加熱電源,Rs為傳 感器電阻,R。為上拉電阻,Vout為輸出電壓。本系統(tǒng) 應(yīng)用時(shí)Vcc和VH取5V的電源,Rs的取值范圍是85k 一3255kll,其阻值會(huì)隨外部的煙霧濃度的變化而變 化,所以傳感器測(cè)量原理如下:當(dāng)測(cè)到外部的煙霧時(shí), 傳感器的電阻如會(huì)發(fā)生變化,此時(shí)的電阻Rgas和在 空氣中的電阻lair的比值和外部煙霧濃度的關(guān)系曲 線圖如圖3所示,改變R

8、?？梢哉{(diào)節(jié)輸出電壓,以便更 好地測(cè)出煙霧濃度值。2.2數(shù)據(jù)處理和傳輸單元處理器芯片是整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的核心,它的選擇 中閱懨鴛彳承喪2008年增干U技術(shù)探討圖3傳感器阻值比與煙霧濃度關(guān)系曲線圖在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的性能和使用壽 命,綜合考慮低功耗、高發(fā)射功率、接收靈敏度、收發(fā) 芯片所需的外圍元件數(shù)量、芯片成本、集成度等各種 性能指標(biāo)。本設(shè)計(jì)采用,II公司生產(chǎn)的CC2430射頻 芯,它在單個(gè)全面芯片上整合了ZigBee射頻RF前 端、內(nèi)存和微控制器。它使用了1個(gè)8位的高性能和 低功耗的8051微控制器核,具有128kb可編程閃存 和8kb的RAM,還包含一個(gè)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC、 看門

9、狗定時(shí)器(Watchdog timer、32kHz晶振的休眠 模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路(Power on Reset、掉電檢 測(cè)電路等。2.2.1數(shù)據(jù)處理單元傳感器將采集到的信號(hào)通過調(diào)理電路后直接傳人 CC2430內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換器接口。該A./D轉(zhuǎn)換器可軟 件編程轉(zhuǎn)換精度,其精度814位,將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換 成數(shù)字量后,經(jīng)過軟件協(xié)議棧中的物理層、MAC層、 數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層依次加載,完成 一次信號(hào)采集處理。2.2.2數(shù)據(jù)傳輸單元數(shù)據(jù)傳輸部分主要利用2.4G單端天線,配合 CC2430的TX/RX開關(guān)引腳來控制選擇發(fā)送信道或者 接收信道。CC2430內(nèi)部T/R交換電路完成LNA和

10、PA 之間的交換。信號(hào)輸出經(jīng)過個(gè)非平衡變壓器,這樣連 接非平衡變壓器可使天線性能更好,如圖4所示。 電路中的非平衡變壓器由電容c:。和電感LJ、k、 L2以及一個(gè)PCB微波傳輸線組成,整個(gè)結(jié)構(gòu)滿足RF 輸入/輸出匹配電阻(501的要求。這樣使得信號(hào)傳 輸中間理論上沒有信號(hào)反射發(fā)生,可以到達(dá)天線的信 號(hào)功率最強(qiáng)。133技術(shù)探討 TECHNICAL EXPLORATION 圖4無線通信模塊原理圖CC2430無線接收器是一個(gè)低中頻的接收器,從 天線接收到的射頻信號(hào),首先經(jīng)過低噪聲放大器,然 后正交下變頻到2MHz的中頻上,形成中頻信號(hào)的同 相分量和正交分量。兩路信號(hào)經(jīng)過濾波和放大后,直 接通過模數(shù)轉(zhuǎn)

11、換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),再以數(shù)字信號(hào)的 形式進(jìn)行后續(xù)的處理,如自動(dòng)增益控制、最終信道選 擇、解擴(kuò)以及字節(jié)同步等,最終恢復(fù)出傳輸?shù)恼_數(shù) 據(jù)。要發(fā)送的數(shù)據(jù)先被送人CC2430芯片中的128字 節(jié)的發(fā)送緩存器,頭幀和起始幀是通過硬件自動(dòng)產(chǎn)生 的,所要發(fā)送的數(shù)據(jù)流的每4位被32碼片的擴(kuò)頻序 列擴(kuò)頻后送到DA變換器。然后,經(jīng)過低通濾波和上 變頻的混頻后的射頻信號(hào)最終被調(diào)制到2.4GHz的設(shè) 定信道上,并經(jīng)放大后送到天線發(fā)射出去。同時(shí)為了有效地降低節(jié)點(diǎn)功耗,可使傳感器節(jié)點(diǎn) 在空閑時(shí)進(jìn)入超低功耗睡眠模式,在接收和發(fā)射模式 下,電流損耗分別低于27mA和25mA。而在休眠模 式時(shí)僅0.9A的損耗,外部的中斷或R

12、TC能喚醒系 統(tǒng),使節(jié)點(diǎn)周期性地在工作模式和睡眠模式間切換, 可以很大程度上降低功耗。本系統(tǒng)中同時(shí)采用32MHz 和32.768kHz的雙石英諧振器模式,32MHz用于 CC2430無線芯片高速運(yùn)行時(shí),32.768kHz在系統(tǒng)休 眠時(shí)啟用。 2.3電源管理單元電源管理是工業(yè)無線通訊應(yīng)用中的一個(gè)關(guān)鍵問 題,電源處理得好壞直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的工作和使 用。要解決這個(gè)問題,硬件上就應(yīng)該從工作芯片的低 功耗的選型和電池體積和容量?jī)煞矫婢C合來考慮。圖 5是整個(gè)系統(tǒng)的電源管理電路框圖。圖5電源霄理電路框圖由于鋰電池具有電壓高、體積小、能量密度高、 放電曲線平緩、可循環(huán)使用等優(yōu)點(diǎn),因此設(shè)計(jì)方案選 取電池為1

13、040mA鋰充電電池,并設(shè)計(jì)了相應(yīng)充電電 路,從而本傳感器節(jié)點(diǎn)可以頻繁、持續(xù)的使用。MAXl555芯片作為充電芯片,提供較靈活的電源 輸人口。腳為USB輸人口,電壓范圍是3.76V,可以 直接從USB接口接人對(duì)電池充電;腳為DC電源輸入端,可以外接電源適配器對(duì) 2008年增刊中閱俄霹懨喪TECHNICAL EXPLORATION電池進(jìn)行充電,而且腳、腳的電壓可以自動(dòng)切換。 腳為充電狀態(tài)指示,在充電期間為低電平,可 以連接一個(gè)LED指示其工作狀態(tài)。MAXl555最終的 充電電壓為4.1V,上下浮動(dòng)0.5%,快速充電的時(shí)候 可以達(dá)到最大300mA的電流。MAX8881是一種微功耗穩(wěn)壓芯片,將電池提

14、供的 電壓穩(wěn)定成CC2430模塊工作所需的標(biāo)準(zhǔn)的3.3V直 流電壓。其帶負(fù)載能力可以達(dá)到200mA,完全可以滿 足CC2430的工作要求。MAX684是一種DC/DC升壓轉(zhuǎn)換芯片,將電池提 供的電壓轉(zhuǎn)換成煙霧傳感器工作所需的5V直流電壓。 其帶負(fù)載能力完全可以滿足傳感器的工作要求。3軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要由3部分組成:無線協(xié)議棧 主程序,A/D轉(zhuǎn)換程序,定時(shí)器中斷程序。無線協(xié)議 棧主程序主要包括無線協(xié)議棧的相關(guān)部分初始化處理 與節(jié)點(diǎn)相關(guān)信息處理。定時(shí)器中斷服務(wù)程序主要是控 制無線傳感器采集外界數(shù)據(jù)的時(shí)間,根據(jù)實(shí)際需求來 設(shè)置定時(shí)器的計(jì)數(shù)初值,從而達(dá)到對(duì)數(shù)據(jù)采集的時(shí)間 間隔進(jìn)行控制,每間隔一

15、段時(shí)間進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集。 A/D轉(zhuǎn)換程序主要是通過無線傳感器采集得到的模擬 數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理。A/D轉(zhuǎn)換精度可根據(jù)實(shí)際需 要設(shè)置,本設(shè)計(jì)考慮實(shí)際需要,精度選擇為14位精 度。軟件部分實(shí)現(xiàn)的主要功能是CC2430無線芯片通 過設(shè)定定時(shí)器的計(jì)數(shù)初值時(shí)間,定時(shí)產(chǎn)生中斷,對(duì)采 集而來的數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,并對(duì)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù) 據(jù)進(jìn)行判斷處理(如錯(cuò)誤數(shù)據(jù)和正常采集數(shù)據(jù)后,通 過RF將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)。軟件部分主要流程如圖 6所示。整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行過程:首先進(jìn)行初始化操作,具 體為端口配置初始化,定時(shí)器與無線協(xié)議棧初始化, 時(shí)間觸發(fā)到時(shí)進(jìn)人數(shù)據(jù)采集程序,A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束,對(duì) 得到值進(jìn)行判斷,進(jìn)入相應(yīng)的數(shù)據(jù)

16、服務(wù)類型處理;數(shù) 據(jù)的發(fā)送處理考慮到節(jié)點(diǎn)節(jié)能處理,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存 處理,如數(shù)據(jù)變化不大,則只發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí),并 不發(fā)送整個(gè)數(shù)據(jù),通過減少字節(jié)傳輸來降低能耗。設(shè)中閱俄囂俄喪2008年增刊技術(shù)探討圖6主程序流程圖計(jì)時(shí)考慮到應(yīng)用場(chǎng)合的安全性,系統(tǒng)軟件采取周期性 采集的工作模式,當(dāng)無線接收模塊接收到采集數(shù)據(jù)后 將會(huì)處理為實(shí)際物理意義數(shù)據(jù),然后進(jìn)行發(fā)送。最 后,數(shù)據(jù)采集完畢后自動(dòng)返回檢查自身網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。4結(jié)束語本文介紹了基于無線網(wǎng)絡(luò)的煙霧傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè) 計(jì)。該無線煙霧傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí) 現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)煙霧參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)。經(jīng)過近2個(gè)月的實(shí)驗(yàn) 以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與分析,可以證明,本系統(tǒng)已經(jīng)取得了 較好的監(jiān)

17、測(cè)效果,測(cè)量基本符合實(shí)際的結(jié)果。該系統(tǒng) 結(jié)合了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有的低功耗、低成本等獨(dú)特 優(yōu)勢(shì),在煙霧預(yù)測(cè)領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)1Andreas Willig,Kirsten Matheus,Adam Wolisz.Wire-less Technology in Industrial Networks.Proceedings of the IEEE,V01.93(2005,No.6(June,PP.1130 1151.2Darold Wobschall.A Wireless Gas Monitor with IEEE 1451ProtocolJ.IEEE Sensors Applica

18、tions Sympo sium,79February 2006.(下轉(zhuǎn)第125頁 、135TECHNICAL EXPLORATlON圖4系統(tǒng)軟件流程圖查和研究工作,充分考慮到了系統(tǒng)運(yùn)行的每個(gè)環(huán)節(jié)和 各種惡劣應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。在低功耗、遠(yuǎn)距離傳輸方面 作了特別處理,經(jīng)測(cè)試功耗和射頻增益均符合理論值 要求。在實(shí)際測(cè)試過程中,系統(tǒng)運(yùn)行比較穩(wěn)定,測(cè)量符 合實(shí)際的結(jié)果,完全達(dá)到了對(duì)瓦斯氣體濃度的無線監(jiān) 測(cè)。隨著無線技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用中低功耗、遠(yuǎn)傳輸距 離、高可靠性等一系列關(guān)鍵問題的解決,其應(yīng)用路線 將會(huì)越來越明晰。技術(shù)探討參考文獻(xiàn)l Darold Wobschall.A Wireless Gas Monito

19、r with IEEE 1451ProtocolJ.IEEE Sensors Applications Sympo-sium.79February 2006.2Yah Shen and Bing Guo,“Dynamic Power Management based on Wavelet Neural Network in Wireless Sensor Networks”IEEE Computer Society,2007:431-436. 3Andrew Wheeler,Ember Corporation,“Commercial Applications of WirelessSensor

20、 Networks Using Zig-Bee”IEEE Communications Magazine.April.2007: 7077.4楊德斌,伍俊,陽建宏.無線數(shù)字傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) J.儀表技術(shù)與傳感器,2007,(9.5趙巧娥著.自動(dòng)檢測(cè)與傳感器技術(shù)M.北京:中國(guó) 電力出版社,2005.6王平,王泉等著.測(cè)量與控制用無線通信技術(shù)M. 電子工業(yè)出版社,2008.3(11:9698.作者簡(jiǎn)介:戴劍波,碩士研究生,研究方向?yàn)楣I(yè)無線網(wǎng)絡(luò)控制及 其應(yīng)用、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。王泉,碩士,講師,研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)、無線控 制網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。國(guó)際傳感器網(wǎng)絡(luò)ISO/ IEC JTCl工作組專家,美國(guó)儀器儀表協(xié)會(huì)工業(yè)無線委員會(huì) ISAl00的Voting Member。王平,教授、博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)楣I(yè)以太網(wǎng)及網(wǎng) 絡(luò)控制技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)無線通信技術(shù)、汽車電 子控制系統(tǒng)的研究。(上接第135頁3Dick Caro,Wireless Networks for Industrial Automa tion,/SA Press,2004.4楊德斌,伍俊,陽建宏.無線數(shù)字傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) J,儀表技術(shù)與傳感器,2007,(9.5王平,王泉等著.測(cè)