基于STC單片機及SI4432的無線傳感網的設計與實現

杜強

摘 要：文章介紹了無線傳感網的一些相關概念，提出了一種基于STC單片機和SI4432無線傳感器的無線傳感器網絡的設計方案。同時重點介紹了這套方案的設計目的、設計原理、系統的組成、硬件的選用、整體方案、主機節點的實現、移動節點的實現、上位軟件程序流程及其應用領域，實現了從數據采集到數據處理的一個完整無線監測網絡系統。

關鍵詞：STC單片機；無線傳感網；SI4432；傳感器；無線傳感器網絡

中圖分類號：TN91 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）33-0006-02

1 設計目的

無線傳感網又稱無線傳感器網絡（WSN），是一種分布式傳感網絡，它由傳感器、感知主體以及觀察都共同構成，一般組網方式為在監測區域內部署數量較多的低價微型傳感器作為感知節點，用于采集數據，再通過無線網絡連接進行通信，構成一個多跳的網絡系統。

本系統是為了實現對特定區域和各種復雜環境進行如溫濕度、有害氣體等數據的實時監測，以實現復雜環境下的特定范圍內的目標監測，從而可以很大程度上的節約人力資源和物力資源，以達到提高管理水平和決策效率的目標。

2 設計原理

系統由硬件系統和軟件系統兩部分組成，硬件系統以STC15F2K61S2單片機及SI4432無線模塊為核心，結合SHT10溫濕度傳感器、MQ2氣體傳感器組成，軟件部分以C++語言編寫，數據保存在Access數據庫上，同時以一個負責與上位軟件計算機通信的主機節點和多個采集數據的移動節點模塊共同組成監測網絡。

3 整體設計方案

方案在硬件CRC校檢的同時又可以通過軟件校檢，大大地降低了誤碼率，提高了系統的準確性。同時采用通信線路容量較大的FSK通信模式，此模式可以在一個鏈路頻率上輸出多路獨立信號，極大地提高了傳輸效率，還可以通過對發送次數的控制，使此方案具有了自動轉換鏈路功能，提高了系統的穩定性。

并將溫濕度傳感器、氣體溶度檢測器等傳感器節點通過基于SI4432無線模塊進行數據傳輸，實現了高效率的、高模塊化的的無線傳感器組網。

通過自主編寫的PC機上位軟件發布指令自動獲取各監測移動節點的實時狀態數據，并將數據保存在專門的Access數據庫上，并對采集到的數據繪制變化曲線，從而實時的對數據監測功能。監測動態拓撲圖，如圖1所示。

4 局部設計過程

4.1 主機節點實現

主機節點主要起數據轉發的橋梁作用，以STC15F2K60S2單片機為主控芯片并通過Si4432射頻模塊接收移動節點傳輸來的數據，并通過射頻模塊所提供的串口用USB串口接線連接到PC上位軟件計算機上，這樣再通過上位軟件編寫的數據操縱功能將監測到的數據存入ACCESS數據庫，同時通過動態圖形GUI曲線實時的顯示在PC機上，動態體現數據的變化，從而達到數據監測的目的，如果采用特定領域的專業軟件還可以實現更加高級的分析。此外在主機節點上配置了一塊1602LCD液晶屏，用來對溫濕度、氣體濃度的實時顯示，這樣便于管理員進行直觀的觀察。主機節點實現的原理圖，如圖2所示。

4.2 移動節點實現

動節點以傳感器為核心，是監測系統的觸角，是數據采集的主要設備。這里主要使用溫濕度傳感器和氣體傳感器兩類傳感器，每類傳感器各一個共同構成一個移動節點，并根據實際監測環境的需要在不同的區域安裝若干個，以提高原始數據的準確性和完整性。每個節點完成特定環境內的溫濕度、有害氣體的數據采集后，通過Si4432射頻模塊進行無線通信，將原始數據發送到主機節點上。當前的Si4432型射頻模塊的無障礙最高傳輸距離可達300 m，穿兩磚墻后的實測傳輸距離也達到了200 m，基本上能滿足實際部署的需要。如圖3所示。

4.3 上位軟件程序設計

上位軟件的編寫采用C++語言，主要由主機節點程序塊和移動節點程序塊以及數據處理和曲線繪制三個部分組成。這里主要研究前面兩個部分，對數據處理和曲線繪制部分不做說明。

主機節點對LCD、SI模塊以及I/O設備進行初始化后，在一定時間的發送次數內，主機節點發出測量指令給移動節點，移動節點接收到指令后開始采集數據并以字符串類型的數據格式返回給主機節點，這樣便完成了一個測量周期，通過循環可以按預設的時間對環境進行反復的監測。在一個周期內，主機節點將采集到的數據顯示到LCD1602液晶屏的同時，通過USB串口連接線將數據發送給上位機進行數據分析。如圖4所示。

移動節點的工作流程如下：首先，完成對SHT傳感器以及STC單片機內部的A/D轉換器初始化，然后，從溫濕度傳感器和氣體傳感器中讀取原始數據，如果檢測到主機節點發送的檢測指令，則將數據以字符串的格式通過Si4432無線模塊發送給主機結點。如圖5所示。

5 總結與應用范圍

本方案將現代通信技術、微處理器技術、軟件技術以及傳感器技術有機的融為一體，完成了從數據采集到通信傳輸到數據處理的完整監測過程，實現了對特定環境進行實時監控的功能，具備數據準確率高、傳輸速度快、模塊化程度高、經濟實用性強、組網速度快等特點?？蓮V泛用于蔬菜大棚、學校機房監控、城市環境監控、家庭室內環境監控、醫療機構環境監控以及對環境因素比較敏感的生產車間如化工廠、陶瓷廠、紙廠、紡織廠、印刷廠等車間監測，具有較大的實用和推廣價值。

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