一種基于無線透傳傳感網絡的分布式環境監測系統的設計

于洪濤等

摘 要： 設計了一種基于無線透傳傳感網絡的分布式環境監測系統。設計采用1100E射頻芯片作為無線收發芯片，通過在ATmega128L微處理器中編寫透傳算法程序，實現對各環境參數的數據透傳，使用RS 232C串口與PC機進行通信，實現了對目標監測區域各環境參數的實時采集。給出實驗測試采集到的多組數據，通過對實驗數據的分析，說明該設計可以在400 m內同時實現對254個無線節點的實時監測，測量誤差約為±0.1%～±3%。

關鍵詞： 無線透傳； 透傳算法； 環境監測； ATmega128L

中圖分類號： TN911?34； TP274.2 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）18?0128?05

Abstract： A distributed environment monitoring system based on wireless transparent transmission sensor networks was designed. A 1100E RF chip is taken in this design as a wireless transceiving chip. The data transparent transmission of the parameters in various environments is realized by writing transparent transmission algorithm routine in ATmega128L microprocessor. Real?time acquisition of parameters in target mornitoring region and various environments was implemented by using RS?232C serial port and PC to communicate. Multi?group data acquired by experiment test are presented. The analysis of the experimental data illustrates that this system can achieve real?time monitoring of 254 wireless nodes simultaneously within 400 meters， and the measurement error is about ±0.1% ～±3%.

Keywords： wireless transparent transmission； transparent transmission algorithm； environment monitoring ； ATmega128L

0 引 言

環境信息影響著人們對環境質量的判定，對人們的生活產生了不小的影響[1]。隨著射頻無線通信技術的廣泛應用，現已實現對環境參數的多點遠距離智能化實時采集[2]。在農業生產中，通過ZigBee技術能夠實時監測溫室中的溫濕度信息，有效地提高了農業生產的經濟價值[3]。在工業生產中，通過GPRS技術實現了對礦井內瓦斯等易燃易爆危險氣體的實時監測，極大地保證了工業生產制造過程中的安全[4]。這些無線環境監測技術克服了傳統的環境監測方式網絡部署難，維護成本高，節點智能化程度低等缺點，極大地提高了數據的傳輸效率。但是，在實際應用時，ZigBee技術的穿透性較差，數據傳輸距離較近，其他主流無線傳感網絡（WiFi，藍牙，nRF等）對其同頻干擾較大，數據傳輸時誤碼率較高[5]。GPRS在進行數據傳輸時需要消耗大量流量，終端芯片資源配置較大[6]。

本文設計了一種無線透傳傳感網絡應用于分布式環境監測系統，在進行組網時無需考慮射頻無線芯片的收發協議和配置方法，可以透過無線芯片直接將其當作普通的有線模塊使用，降低了終端芯片的資源利用率，通過鉗位電路和電平轉換實現了RS 232通信的兼容轉換。本文設計的無線、透傳傳感網絡大大降低了射頻無線通信網絡的硬件和設計研發成本，保證了通信的距離和準確性。設計可以實現對400 m范圍內有建筑物遮擋的環境狀況下進行實時監測。

1 系統總體設計

該無線透傳環境監測傳感網絡主要包括終端監測部分，無線透傳網絡，PC監測端。

（1） 終端監測部分。微處理器ATmega128L將各傳感器采集來的環境參數的模擬信號經過A/D轉換，轉化為數字信號，并在LCD液晶屏上實時顯示各環境參數，并與報警閾值比較。

（2） 無線透傳網絡。設計透傳算法，使用ATmega128L將暫存在存儲器中的傳感器數據轉化為符合RS 232有線通信協議的數據，進一步轉換為無線協議的數據發送到遠端，并與PC監測端的無線透傳網絡相連接，使無線通信等效為有線通信。該透傳等效圖如圖1所示。

（3） PC監測端部分。PC機將各個透傳無線節點實時采集來的環境參數進行存儲和處理，并將各時刻的參數以圖像的形式顯示出來，并且用戶可以根據實際監測的需要，通過PC機對系統報警閾值進行修改。

2 系統硬件設計

2.1 終端監測端硬件設計

該系統的微處理器均采用ATmega128L單片機[7]。它采用獨特的RISC結構，豐富的內部資源可以更好地運行相對復雜的透傳算法。在指令執行方面，微控制單元采用Harvard結構，指令大多為單周期，透傳算法在工作時，可以嚴格的控制時序，保證通信的準確性。在能源管理方面，ATmega128L提供多種電源管理方式，以盡量節省節點能量，保證了各節點長時間持續工作。在可擴展方面，提供了多個I/O口，有助于終端機各傳感器模塊的選擇和

擴展，防止了各傳感器信號及數據相互干擾。ATmega128L提供的USART（通用同步異步收發器）控制器、SPI（串行外設接口）控制器等與無線收發模塊相結合，能夠實現大吞吐量，高速率的數據收發。

如圖2所示，環境監測終端機工作時，電化學甲醛傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器發出的微弱信號經過放大電路后被放大，然后對其進行A/D轉換等一系列的加工后再由ATmega128L對其進行處理，如果甲醛等環境參數濃度值高于環境參數濃度的國標，那么蜂鳴器就會發出警報，同時各環境參數濃度值會被輸送到LCD上顯示出來。如果在國標的允許范圍內，那么只顯示濃度值而不發出警報。此外，ATmega128L將各環境參數經射頻芯片CC1100E傳送到透傳網絡。

2.2 透傳自組模塊硬件設計

CC1100E芯片在進行數據傳輸時采用UART0通信協議，ATmega128L可以嚴格按照時序讀寫用以控制芯片內部的32個寄存器，靈活配置各參數，如圖3所示。

CC1100E接口RF_CLK，RF_CS，RF_SOMI，RF_SIMO分別和ATmega128L的串行外設接口端PB2，PB1，PD2，PD3相連接。RF_CLK端口為PB2端口傳輸數據的時鐘信號；RF_CS作為片選信號，僅當片選信號為低電平時，ATmega128L對CC1100E的操作才有效。

RF_SOMI用于從ATmega128L到CC1100E的串行數據傳輸。為了降低整數據透傳的功耗，CC1100E在數據接收或收發狀態聲明時，系統設計采用中斷方式。

RF_GDO0，RF_GDO2必須與微處理器的外部中斷相連，以便使用CC1100E喚醒微處理器，設計時將RF_GDO0，RF_GDO2分別與具有中斷能力的PD6，PD7相連接。CC1100E在高頻工作狀態下，發射前段和天線饋點需要巴倫電路和匹配網絡。

3 系統軟件設計

3.1 透傳網絡控制算法設計

微處理器ATmega128L通過射頻無線收發芯片CC1100E，把暫存的各參數數據發送到遠程接收端，如圖4所示。首先微處理器ATmega128L通過透傳算法控制射頻發射芯片CC1100E發送信號校檢標志碼。這個過程的目的是給遠程端射頻無線收發芯片發送符合該透傳自組傳感網絡的通信匹配標志，以判斷是否為本通信所需的無線數據包。

ATmega128L通過CC1100E連續發送校檢標志碼0X55和0XAA共2個字節，供遠端芯片查詢確認。其次，ATmega128L通過CC1100E發送校檢結束標志碼0X88和0XFE，表示校檢標志發送結束。然后，發送數據包長度信息Length，告訴接收端芯片本次數據包發送的長度。最后，ATmega128L從發送端的緩存中發送長度為Length的數據包。

微處理器ATmega128L通過射頻無線收發芯片CC1100E，把遠程端發送來的數據接收到本地芯片緩存。如圖5所示。當ATmega128L通過CC1100E收到上升沿校驗標準碼時，說明有數據傳來，立即喚醒轉入接收模式。

接收模式時，如果接收到的0X55和0XAA字節數小于6，則說明此時通信與該自組傳感網絡不匹配，本次通信結束，進入待機睡眠狀態；如果連續接收到0X55和0XAA，并且接收到的字節數大于等于6，則說明通信與該自組傳感網絡匹配，隨后的信號將是本地芯片所需要的無線信號。如果接收到0X88和0XFE，則表明校檢標志接收完畢，等待下面的信號，如果一直沒有接收到校驗標志碼0X88和0XFE，則表明本次通信失敗，通信結束。當接收到0X88和0XFE之后緊接著接收到的為數據包長度信息Length，由此判定數據包的長度。最后一步，接收緊接著的長度為Length的數據包，并且存入接收端緩存。完成本次數據的接收。

3.2 監測終端軟件設計

如圖6所示，首先對液晶屏和單片機中的寄存器初始化，寄存器包括A/D轉換寄存器，定時器0中斷寄存器和定時器2寄存器。

將A/D轉化寄存器中的輸入信號經過A/D轉換函數后再經過定時器中斷函數，系統根據這個信號來判斷所測區域各環境參數的濃度和是否發出警報，如果發出警報，那么ATmega128L的PWM端口決定了蜂鳴器的頻率，如果不發出警報，那么各參數濃度數據就直接顯示在LCD屏上。整個系統是一直運行的，當輸入的信號發生改變，那么LCD上的環境參數濃度值也會發生相應的改變。取值頻率設置為30 ms取一次值，由定時器中斷函數來實現控制。

3.3 上位機軟件設計

為了清晰地觀察室內各環境參數的變化情況，使用LabView設計了上位機。上位機部分程序如圖7所示。

4 實驗數據及分析

4.1 實驗結果及分析

在對終端機進行測試時，在400 m距離范圍內，對5間不同房間的溫度和甲醛含量進行了測試，其中0xf1為封閉的實驗室，0xf2為封閉的教室，0xf3為封閉宿舍，0xf4為通風教室，0xf5為通風宿舍。測試結果如表1所示。如表1所示，在密閉狀態下，所監測房屋0xf1一天的甲醛濃度都維持在0.06～0.08 ppm，遠超過國家室內甲醛濃度標準。教室、實驗室、宿舍等場所由于長時間不通風，室內甲醛的濃度會比較高，人們長期生活在這種環境下，會對身體造成嚴重的傷害。系統采集到的溫度數據，與標準溫度誤差范圍均在3%以下。

4.2 透傳傳感網絡性能分析

通過對透傳模塊的測試，系統穩定工作時，每5 s需通信轉發心跳幀一次，空中每幀數據都會轉發一次，最多支持240字節長度數據包。當空中波特率固定為9 600 b/s通信距離為400 m平原條件時，通信誤碼率為10-3～10-4。透傳數據在傳輸過程中會存在一定延時，適用于傳輸距離遠且對實時性要求不高的場合。

系統模塊在正常工作模式下，通過控制SLP管腳電平，可以使系統進入休眠狀態，當SLP管腳接收到下降沿信號時，模塊進入休眠模式。處于休眠模式時，模塊的工作電流小于5 μA。 模塊進入休眠模式后，RST腳輸入一個低電平信號（>1 ms）可以使模塊退出休眠模式，進入正常工作狀態。

5 結 語

本文提出的無線通信透傳算法，透過無線通信把傳統的無線傳感網絡當作有線通信使用，工作時無需任何用戶協議，即可實現數據的透明傳輸，自動路由?？梢宰詣犹l抗干擾，自動路由數據，網絡結構中不需單獨的路由器或中繼器，穿透障礙物能力強，極大地降低了終端芯片的資源利用率和無線傳感網絡硬件成本。環境采集終端機，續航能力強，各傳感器靈敏度高，采集到的各參數與實際誤差相差極小。樣品機實物圖如圖8所示。

當數據速率提高時，系統通信的誤碼率會增加，如需進一步提高透傳模塊的性能。可采用以下技術來提高通信可靠性[8?10]。在物理層，模塊采用差分曼徹斯特編碼技術發送數據，從而保證通信中的同步問題。

在數據鏈路層，使用循環冗余編碼進行數據幀校驗，用以保證數據到達用戶應用層以后的可靠性。

注：本文通訊作者為吳迪。

參考文獻

[1] 夏新.淺談強化環境監測質量管理體系建設[J].環境監測管理與技術，2012（1）：1?4.

[2] 何曉峰，王建中，王再富.基于MAX6675的多路溫度采集與無線傳送系統[C]//浙江省信號處理學會2012學術年會論文集.杭州：浙江省信號處理學會，2012：4?6.

[3] 尹航，張奇松，程志林.基于ZigBee無線網絡的溫濕度監測系統[J].機電工程，2008（11）：20?23.

[4] 劉萍.基于多傳感器融合的礦井環境監測系統研究[J].礦山機械，2013（6）：110?113.

[5] 蒲泓全，賈軍營，張小嬌，等.ZigBee網絡技術研究綜述[J].計算機系統應用，2013（9）：6?11.

[6] 王益祥，牛江平.遠程無線抄表系統的研究[J].自動化儀表，2011（3）：4?7.

[7] 鄒麗新，翁桂榮.單片微型計算機原理[M].蘇州：蘇州大學出版社，2001.

[8] SUZUKI N， MITANI T， SHINOHARA N. Study and development of a microwave power receiving system for ZigBee device [C]// Proceedings of the 2010 IEEE Asia?Pacific Microwave Conference. Kansas： IEEE， 2010： 45?48.

[9] ZHANG G， LIU S G. Study on electrical switching device junction temperature monitoring system based on ZigBee technology [C]// Proceedings of the 2010 IEEE International Conference on Computer Application and System Modeling. Taiyuan， China： IEEE， 2010： 692?695.

[10] Dissanayake S D， Karunasekara P P C R， Lakmanaarachchi D D， et al. ZigBee wireless vehicular identification and authentication system [C]// Proceedings of the IEEE the 4th International Conference on Information and Automation for Sustainability. Colombo： IEEE， 2008： 257?260.

[11] 曹金山，張澤濱.無線傳感網絡安全改進方案研究[J].現代電子技術，2014，37（20）：38?40.

[12] 彭燕.基于ZigBee的無線傳感器網絡研究[J].現代電子技術，2011，34（5）：49?51.