環(huán)境監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

杜永博+段欣宇+劉靜+李萌

摘 要：主要介紹了環(huán)境監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)。在硬件方面，主要介紹了微處理器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和無線通訊模塊這3大模塊。

關(guān)鍵詞：無線傳感器；環(huán)境監(jiān)測；測量節(jié)點(diǎn)；微處理器模塊

中圖分類號(hào)：TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.11.120

隨著科技水平的不斷提高，人們對(duì)環(huán)境質(zhì)量的要求越來越高。如今環(huán)境問題越發(fā)嚴(yán)重，我們必須對(duì)此問題加以重視。與西方發(fā)達(dá)國家相比，我國環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展稍滯后，信息監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)有待完善。我國環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)還應(yīng)在微型集成化的基礎(chǔ)上更加智能，并實(shí)現(xiàn)無線化和網(wǎng)絡(luò)化。

1 總體設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)主要選擇大氣溫度、濕度和壓力測量作為數(shù)據(jù)采集端。測量節(jié)點(diǎn)一般使用電池一次性供電，同時(shí)節(jié)點(diǎn)通常處于野外惡劣、復(fù)雜的環(huán)境中。因此，我們希望測量節(jié)點(diǎn)具有低功耗、低成本、高穩(wěn)定性的特征。環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由信息采集子系統(tǒng)和信息監(jiān)測管理子系統(tǒng)2部分組成。信息采集子系統(tǒng)的主要功能是收集前端環(huán)境信息，由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組成。信息監(jiān)測管理子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對(duì)收集到的信息進(jìn)行處理并反饋。該子系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)庫、信息管理平臺(tái)和信息發(fā)布平臺(tái)3個(gè)小模塊。2個(gè)子系統(tǒng)之間通過無線傳感器接入長距離傳輸網(wǎng)絡(luò)。

2 微處理器模塊

從低功耗和高性能角度考慮，主要選用了MSP430系列微處理器。與其他單片機(jī)相比，MSP430的最大優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)真正的超低能耗，具有5種低功耗模式，適用于長期用電池供電的設(shè)備。它們采用了16位精簡指令集結(jié)構(gòu)，大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器保證了可編制出高效率的源程序。MSP430系列微控制器由高速時(shí)鐘、低速時(shí)鐘、鎖相環(huán)等器件構(gòu)成。MSP430系列單片機(jī)主要通過CPU休眠來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗，其大部分功能模塊都能在CPU非工作狀態(tài)下獨(dú)立工作并且能引發(fā)中斷。模塊操作完畢后，CPU繼續(xù)完成其他任務(wù)，從而縮短CPU的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，將功耗降到最低。

3 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要對(duì)傳感器以及與微處理器連接的電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)選用SHT11溫濕度傳感器測量環(huán)境的溫度和濕度，選用HP03D壓力傳感器測量大氣壓力。SHTxx系列產(chǎn)品是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片，提供全量程標(biāo)定的數(shù)字輸出。SHT11溫濕度傳感器集溫度傳感器和濕度傳感器于一體。SHT11通過二線數(shù)字串行接口來訪問，在功耗及信號(hào)讀取方面進(jìn)行了優(yōu)化。因此，選用SHT11測量環(huán)境溫度和濕度。HP03D壓力傳感器是一款高精度的壓力傳感器，被廣泛應(yīng)用于自控環(huán)境下。HP03D壓力傳感器內(nèi)部有1個(gè)壓電電阻和15位的A/D轉(zhuǎn)換器，輸出接口是標(biāo)準(zhǔn)的IIC接口；內(nèi)部存儲(chǔ)了11個(gè)矯正參數(shù)，以便對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行矯正。

4 無線通信模塊

無線通信模塊選用CC2420射頻芯片。CC2420是首款符合Zigbee技術(shù)的高集成度射頻收發(fā)器，可快速并很好地應(yīng)用于Zigbee產(chǎn)品中。CC2420內(nèi)部合成壓控振蕩器、低噪聲放大器、PA以及電源整流器，采用1.8～3.6 V工作電壓，因而功耗很低，適合于用電池供電的設(shè)備。CC2420的外圍元器件由晶振時(shí)鐘電路、射頻輸入/輸出匹配電路和微控制器接口電路3個(gè)部分組成。CC2420射頻信號(hào)采用差分方式傳送，其最佳差分負(fù)載是115+j180 Ω，阻抗匹配電路應(yīng)該根據(jù)這個(gè)數(shù)值調(diào)整。

5 結(jié)束語

由于時(shí)間和經(jīng)驗(yàn)問題，我們的研究還需不斷完善，例如節(jié)點(diǎn)封裝的設(shè)計(jì)、提高集成度、縮小節(jié)點(diǎn)體積等。此次實(shí)驗(yàn)通過雙排針將控制模板和發(fā)射模塊2塊板子連接。在以后的設(shè)計(jì)中，可以將控制模板和發(fā)射板集成在一塊PCB板上，縮小節(jié)點(diǎn)體積。希望通過今后不斷的努力，能夠完善環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

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〔編輯：劉曉芳〕