??? 摘 要：設計了基于無線傳感器" title="無線傳感器">無線傳感器網絡技術的室溫監測系統" title="監測系統">監測系統。該系統完成對各室內溫度數據的采集、傳輸、存儲、分析，具有低功耗" title="低功耗">低功耗、自組織特點。管理節點利用GSM網絡，根據管理中心的要求發送無線傳感器網絡各節點溫度數據及報警信息。該系統可滿足供熱、供冷系統對樓宇室溫的監測需求。
??? 關鍵詞：無線傳感器網絡? 室溫監測? 自組織? 低功耗
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??? 供熱、供冷系統已成為各國節能的關注重點。在以往的系統中，缺少有效、方便的溫度監測系統，供應公司很難及時了解住戶的室溫情況，無法及時根據室溫的變化進行調整，常會使供熱效果不平衡，能耗明顯升高；另外，如果將眾多的傳感器都采用電纜連接，系統的布設、維護不方便，對于遠距離傳輸來說電纜鋪設成本較高。因此，采用無線傳輸網絡對樓宇室內溫度進行監測是十分必要的。
??? 本文提供了一種由遠程管理中心" title="遠程管理中心">遠程管理中心、無線傳感器網絡節點構成的無線室溫檢測系統。通過設計有效的協議和采取電源管理策略實現了低功耗設計，同時在硬件電路及軟件協議等多方面保障其系統可靠性，同傳統的溫度監測系統相比，更具有靈活性、易操作性，同時還降低了成本。
1 系統組成
??? 該系統由遠程管理中心和多個無線傳感器節點" title="傳感器節點">傳感器節點組成，系統網絡組成結構如圖1。
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??? 放置在樓宇中的無線傳感器節點以自組織的方式形成網絡，采集的數據經多跳傳輸方式傳送到帶有GSM模塊的管理節點，數據最終由GSM模塊以SMS短消息的方式傳送到遠程管理中心。遠程管理中心以圖表、曲線等多種形式統計分析數據。
2 傳感器節點設計
2.1 節點硬件設計
??? 無線傳感器節點的硬件結構框圖如圖2所示，其中單片機采用NEC公司的低功耗單片機μPD78F0547，該芯片具有管腳驅動能力強、睡眠電流小等特點，為系統的低功耗設計提供了條件[4]；無線收發模塊采用了Nordic公司的單片無線收發芯片nRF905，內部集成MAC層的簡單協議，能夠在開放頻段433MHz、868MHz、915MHz中多頻點切換和通信[3]。
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??? 節點通過數字溫度傳感器DS18B20定期采集室內溫度，實時時鐘X1226能夠定時喚醒處于睡眠狀態的單片機，可以完成無線傳感器網絡的時鐘同步。管理節點所帶的GSM模塊采用TC35i。
2.2 電磁兼容設計
??? 無線收發模塊很容易受到數字信號的影響，電磁干擾處理不當，將會導致nRF905模塊不能正常工作、傳輸距離短、數據錯誤、單片機死機等問題，因此電磁兼容性設計在射頻PCB電路設計中顯得尤其重要。在本系統中的節點PCB設計中，元件的布局、布線具有明顯的特殊性。采取的主要措施有：布線時，為nRF905部分單獨提供電源，使得傳感器節點在數據收發過程中不再出現死機現象；RF鋪地時，將不規則排列的過孔調整為規則排列，這使抗干擾性能得到了明顯改善；將射頻部分的“模擬地”與單片機部分的“數字地”單點連接，從而盡可能地減少了數字部分對射頻電路的干擾。
3 系統軟件設計
??? 低功耗無線室溫監測系統的軟件包括無線傳感器節點軟件和遠程管理中心端上位機軟件，系統按照所設計的網絡通信協議協作完成監測功能。
3.1 網絡通信協議的設計
??? 無線傳感器節點采用軟件編址方式，根據自動地址匹配功能對接收性能影響的實驗測試結果，采用了統一物理地址0xAAAAAAAA以使通信誤碼率最低。節點的軟件ID具體分配方案如表1所示。
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??? 在傳輸中，將溫度數據進行打包處理，數據幀格式如表2所示。其中，幀的類型包括傳輸控制幀、命令幀、數據幀等。數據幀由單片機發給nRF905之后，nRF905還自動加入字頭和CRC校驗碼[3]。
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??? 網絡協議決定了無線信道的使用方式，在功能較弱的傳感器節點之間，分配有限的無線通信資源，構建傳感器網絡系統的基礎結構[2]。在設計無線傳感器網絡協議時，重點考慮了以下幾方面：節省能量、網絡自組織以及可擴展性的提高。
3.2 節點程序設計
??? 節點程序分為管理節點程序和傳感器節點程序。
??? 管理節點程序的主要功能有：一方面，定時讀取遠程管理中心發來的GSM短信，解析短信的內容而提取其中的命令、報警閾值等信息，并下發給其他無線傳感器節點；另一方面，管理節點按照短信中的設置，定期查詢各傳感器節點的溫度，將收集來的指定周期時間內的溫度數據和達到報警條件的溫度數據打包成短信，發送給遠程管理中心。
??? 傳感器節點的程序主要由主程序、無線通信子程序、溫度采集子程序、時鐘控制子程序、人機交互子程序等部分組成。主程序執行完各個模塊的初始化后，進入主循環等待產生中斷，主程序流程圖如圖3所示。傳感器節點主要處理睡眠定時、喚醒定時、接收到數據等中斷，其中睡眠定時中斷由單片機的定時器產生，喚醒中斷由實時時鐘X1226 產生。此外，節點還處理USB、按鍵等中斷，通過PC聯機設置節點的軟件地址，或者讀取節點中存儲的溫度數據。
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??? nRF905無線數據通信子程序采用查詢發送和中斷接收的方式。無線傳感器節點接收到數據幀后進行如圖4所示的處理。
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3.3 管理中心軟件的設計
??? 利用Visual Basic 6.0設計實現了管理中心軟件。中心軟件通過MsComm串口通信控件與GSM進行通信，完成對無線傳感器網絡的通信控制、數據管理等功能[2]；可以對無線傳感器網絡返回的路由信息進行分析，以圖的形式查看各房間中傳感器節點的相互連接情況。還可以通過USB接口完成對各個節點的軟件地址的設置；最后將監測到的報警數據進行存儲、匯總、分析，以圖表的形式直觀顯示出來。
3.4 系統的自組網控制
??? 為提高靈活性，此系統采用自組織方式組成網絡。自組網命令由管理中心發起，管理節點從GSM短信中解析到組網命令后向傳感器網絡中廣播，被搜索節點作為子節點從屬于它所收到的第一條組網命令的源節點，然后向網絡中轉發自組織命令，并轉入接收狀態等待它的子節點返回路由信息，如果超時沒有返回，就認為它沒有子節點，超時閾值隨級數的增加而遞減。返回路由表時，將不同級節點的軟件地址存放在數據包中相應的位置，以表明節點間的從屬關系。最終將路由表返回至管理中心，管理中心軟件以圖示的形式顯示出來。
4 節點的低功耗策略及測試分析
??? 設計低功耗無線室溫監測系統時，根據實際需求，充分利用各種低功耗資源模式，盡量縮短節點工作時間，從而降低功耗。通常使用的電池實際容量與放電電流有關，放電電流較小時，電池放出的總電量明顯大于標稱容量，放電電流越大，電池放出的總電量越小，甚至明顯小于標稱容量。因此采取如下策略來降低系統工作電流，延長節點壽命。
??? 在硬件方面，選用低功耗、低電壓器件；對于工作電流小的器件如E2PROM、DS18B20等采用引腳供電，對于功耗大而又周期性工作的部件，使用選通器件管理其電源；此外，不使用的單片機引腳按照數據手冊進行設置，這對減少系統STOP模式下的電流效果顯著。
??? 在軟件方面，對單片機執行速度要求不高的進程，選用較低工作頻率；利用硬件提供的支持，關閉暫時不使用的部件的電源，如E2PROM、DS18B20等；按照協議工作周期，由軟件控制nRF905的工作模式，進行周期性偵聽和睡眠；節點空閑狀態下將單片機置于STOP模式，關閉系統時鐘。
??? 完成系統設計后，在電池電壓3.6V、nRF905發射功率為-10dBm、接收靈敏度為-100dBm的情況下，對傳感器節點的工作電流進行了實際測試，結果如表3所示。假設鋰電池每年自放電1%，則平均自放電電流略小于2.3μA，而從表3中看出當節點工作于低功耗模式時，最大工作電流僅為12μA，可見，設計達到了低功耗的效果。
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??? 根據表3的工作模式及工作周期，計算節點的平均工作電流為：
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??? 考慮到系統長時間運行中電池的自放電因素，并為系統留有余量，假設電池可用電量為60%，由公式(1)的結果以及表3得到：當系統以10分鐘為周期對室溫進行監測時,用一節AA型鋰電池的電量2Ah可維持節點工作一年以上，達到了設計要求，其計算公式如公式(2)所示。
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??? 本系統基于nRF905以自組網的方式設計實現了樓宇內室溫監測系統，網絡兼容3級，可容納200多個節點。實驗表明，各傳感器節點在空曠地傳輸距離超過100m；在鋼筋混凝土結構的樓房中，節點可在相鄰樓層、相鄰的房間之間進行可靠的通信，管理節點能夠及時地將溫度數據通過GSM模塊發送至遠程管理中心，遠程管理中心將溫度數據以數據庫形式存儲，并可供用戶以圖表的形式查詢、分析。該系統達到了設計要求，還可應用于倉庫儲存等許多需要溫度監測的場合。
參考文獻
[1] 金保華,張勇，崔光照.基于nRF905的無線數據多點跳傳的通信系統[J].儀表技術與傳感器,2004，(9)：39-40. [2] ?戴喜明,袁濤,吳定雪,等.基于GSM/GPS/GIS車輛狀態監控系統的設計與實現[J].微計算機信息,2006,22(25):246-248.
[3] 孫利民,李建中，陳渝，等.無線傳感器網絡[M]. 北京:清華大學出版社,2005.
[4] Nordic公司單片無線收發器nRF905用戶數據手冊.2004.
[5] NEC公司單片單片機?滋PD78F0547用戶手冊.2006.