基于WSN的無線測溫系統研究

陳媛媛

摘 要：無線傳感器網絡（WSN）有著廣泛的用途。例如，它可以用作收集多種環境信息的強大工具。這種類型的監控適合物聯網（IoT）概念，旨在通過監控優化工作流程，提高管理效率。在這論文的研究中，基于IEEE 802.15.4標準中開發的無線傳感器網絡得到了局部溫度測量的目的。

1.無線傳感器網絡概述

無線傳感器網絡是通信受限設備（有限計算力量、記憶和能量）之間的網絡。這些網絡是由大量可以相互之間進行無線通信的傳感器節點構成，網絡中每個節點都有傳感、數據處理和通信功能。對于每個傳感器節點，最重要的考量因素為低功耗。

2.芯片簡介

（1）測溫芯片

本文使用的溫度傳感器是德州儀器Ti公司的LM60。根據德州儀器Ti公司的數據，該裝置可感測-40℃至+125℃的溫度范圍，供電電壓標準為2.7 V，其輸出電壓范圍為：2.7伏至10伏）。輸出電壓具有線性標度，系數為6.25 mV/℃，直流偏移為424 mV。這個傳感器的標稱輸出電壓范圍為174 mV至1205 mV（適用于-40°C至+125°C的溫度范圍）。

（2）WSN節點簡介

本文WSN節點所用芯片是CC2530，CC2530是德州儀器Ti公司用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 應用的一個真正的片上系統（SoC）解決方案，是作為ZigBee無線傳感網學習的最佳平臺。

Ti公司為CC2530 ZigBee傳感網絡開發提供了各種開發環境、網絡調試工具等，方便進行產品開發設計及工程運維中的故障調試。在實際物聯網應用場景中，智慧農業系統的工程現場環境、布局、設施改造等都會傳感網調試帶了很大影響。通過對各種軟件工具的使用，能夠優化設備性能和排除故障，讓系統穩定運行。

（3）WIFI網關

ESP8266是Wi-Fi串口模塊，完成Wi-Fi數據與串口UART數據間的轉換。ESP8266的工作溫度范圍大，且能夠保持穩定的性能，能適應各種操作環境。

3.系統方案

系統框圖如圖1所示。本文針對工控領域某些設備工作狀態檢測，設計了監控無線網絡，可同時對設備溫度、電壓進行在線監測。

形成WSN的每個設備都用一個圓表示。這個網關Gateway由Wi-Fi模塊ESP8266組成。“D”對應于終端設備。該終端設備負責溫度傳感和它發送到父節點（中繼器或協調器）。“R”表示所涉及的中繼器，管理終端設備發送的數據并重新傳輸它們到它的父節點。“C”為協調器設備。協調器負責將從整個WSN接收到的消息傳遞給Wi-Fi集成模塊（ESP硬件）。一旦數據收集完成后，WIFI模塊將它們發送到本地無線TCP/IP網絡。所有的溫度、日期信息均可以通過互聯網訪問。協調器充當Wi-Fi網絡的網關，收集低層代理發送的數據包（中繼器和終端設備）。

系統硬件由三個模塊組成（協調器、中繼器和終端設備）創建一定范圍內的無線傳感器網絡。作為終端設備運行的設備由電池供電，中繼器和協調器使用microUSB接口和電源連接到電網。所有模塊都有LED顯示重置設備和按鈕。

協調器是負責生成基于IEEE 802.15.4模式的網絡。它負責將WSN中接收到的所有數據通過UART發送到ESP。對于此項目，協調器或中繼器最多可以有10個子設備。終端工作于低功耗模式，周期性進行溫度采集，然后上傳至中繼器或協調器。

圖2顯示了通過網絡采集到的其中一個節點檢測設備的溫度與電壓值，其時間為2019年9月20日至10月6日。

網絡固件穩定，組網靈活方便，采用良好的電源供電可使整個網絡運行時間超過一年，適合于室外50米以下范圍，以及穩定室內場景下的儀表監測。

結論

隨著物聯網的興起，無線傳感器網絡將是獲取和傳輸信息的關鍵。隨著新的解決方案，將有更多典型應用出現。