基于CC430F6137的多路傳感器無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

林凡強(qiáng)，馬曉茗

LIN Fan-qiang,MA Xiao-ming

（成都理工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610059）

0 引言

由于檢測(cè)點(diǎn)的分散，監(jiān)測(cè)對(duì)象的多樣化，這樣就給監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提出了更高的要求。此外有線通信方式布線繁雜，勞動(dòng)強(qiáng)度較大，容易出現(xiàn)監(jiān)控盲點(diǎn)。一旦通信線路發(fā)生故障，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就可能失效，將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的可靠性。

本文介紹了一種基于CC430F6137的多路傳感器無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[1,3]，既可以監(jiān)測(cè)復(fù)雜多樣的環(huán)境參數(shù)，又能增強(qiáng)了通信線路的可靠性。該系統(tǒng)以CC430F6137以控制中心，其內(nèi)部集成了CC1101射頻收發(fā)模塊，以網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)為中心，多個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)分布在監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，采用通用的ISM頻段433MHz實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架

無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由傳感器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)和上位機(jī)四部分組成，系統(tǒng)總體框架如圖 1所示。

傳感器節(jié)點(diǎn)：是信息的采集點(diǎn)，在這個(gè)采集點(diǎn)上包含了一組或多組具有相同作用的傳感器。傳感器節(jié)點(diǎn)將信息采集處理后與路由節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信，實(shí)現(xiàn)信息采集。

路由節(jié)點(diǎn)：在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)不能與所有的傳感器節(jié)點(diǎn)通信時(shí)，路由節(jié)點(diǎn)作為一種中介使網(wǎng)關(guān)和傳感器節(jié)點(diǎn)通信，實(shí)現(xiàn)路由功能，同時(shí)具有普通傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集功能。

圖1 系統(tǒng)總體框架

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)：根據(jù)計(jì)算機(jī)發(fā)送的指令來(lái)發(fā)送／接收路由節(jié)點(diǎn)或傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù) 經(jīng)過(guò)串口發(fā)送給計(jì)算機(jī)。

上位機(jī)：上位機(jī)用于接收網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)和發(fā)送命令，并實(shí)現(xiàn)可視化人機(jī)界面。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1）傳感器：用于感知周?chē)h(huán)境的參數(shù)，如聲音、光強(qiáng)、溫度、濕度、紅外、加速度等各種信息。

2）信號(hào)處理單元：對(duì)傳感器的輸出信號(hào)做出相應(yīng)處理及變換，使之適應(yīng)微處理器對(duì)信號(hào)接口的要求，例如，傳感器的輸出信號(hào)比較微弱，需要經(jīng)過(guò)放大濾波后才能被MCU采樣。

3）無(wú)線收發(fā)單元：采用了集成RF內(nèi)核的CC430F6137為主控芯片，主要的功能是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理及控制，包括了傳感網(wǎng)絡(luò)的算法、協(xié)議；通過(guò)RF單元實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線通信。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)框圖

CC430F6137的RF是平衡式輸出，天線收發(fā)為非平衡單端形式，因此，要對(duì)無(wú)線模塊的天線電路進(jìn)行信號(hào)的轉(zhuǎn)換和阻抗匹配才能實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。天線匹配網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

圖3 天線匹配網(wǎng)絡(luò)

RF-N和RF-P是CC430F6137的RF的兩路平衡互補(bǔ)輸出，經(jīng)過(guò)差分匹配電路進(jìn)行差分濾波，然后通過(guò)Bulun非平衡變換器將差分信號(hào)變換成單端信號(hào)，再經(jīng)過(guò)后級(jí)PI濾波器（帶通濾波），以50ohm的負(fù)載端阻抗匹配輸出至天線。

若選用的天線帶50ohm饋線，那么50ohm的負(fù)載端阻抗匹配可以不加。除此之外，對(duì)天線匹配網(wǎng)絡(luò)的PCB設(shè)計(jì)要求也比較高，可以采用ADS2008設(shè)計(jì)仿真[8]；該系統(tǒng)采用si9000 對(duì)于50ohm的負(fù)載端阻抗的線寬、銅皮厚度、機(jī)械層厚度等進(jìn)行了微帶線設(shè)計(jì)。433M的天線有鞭狀的，柱狀的，還有PCB的，由于PCB天線無(wú)增益，而柱狀天線有增益，在該系統(tǒng)中選用了柱狀天線進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 路由節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

路由節(jié)點(diǎn)作為中介，負(fù)責(zé)將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，也可以在此加入傳感器將其看做一個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)，同樣采用了CC430F6137來(lái)作為控制中心，外圍電路只需要配置最小系統(tǒng)和天線匹配電路即可工作，功耗極低[4]，可以采用電池供電。

2.3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)也比較簡(jiǎn)單，采用CC430F6137的串口與PC進(jìn)行連接。由于網(wǎng)關(guān)沒(méi)有連接傳感器，只需要組織管理網(wǎng)絡(luò)和收集傳感器節(jié)點(diǎn)采集的信息，并轉(zhuǎn)發(fā)送給PC；或是接收PC的命令控制傳感器節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)采集。傳感器節(jié)點(diǎn)在對(duì)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，與路由節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)共同組建SimpliciTI網(wǎng)絡(luò),通過(guò)無(wú)線方式把檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳送至網(wǎng)關(guān)，再把信息傳送到上位機(jī)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括傳感器節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)、路由轉(zhuǎn)發(fā)及網(wǎng)關(guān)采集3部分。網(wǎng)關(guān)主要負(fù)責(zé)組建一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)，接收來(lái)自于路由器的數(shù)據(jù)，開(kāi)啟空閑通道等功能。而路由器節(jié)點(diǎn)與傳感器節(jié)點(diǎn)功能相似，主要負(fù)責(zé)加入網(wǎng)絡(luò)、周期性的發(fā)送數(shù)據(jù)等功能。該系統(tǒng)采用SimpliciTI無(wú)線通信協(xié)議[2]，SimpliciTI是TI開(kāi)發(fā)的專門(mén)針對(duì)其CCxxxx系列無(wú)線通信芯片的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。SimpliciTI是一個(gè)基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊協(xié)議，它支持兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：直接的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信結(jié)構(gòu)和基于星型連接的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)

3.1.1 溫度傳感器——DS18B20

DS18B20為數(shù)字溫度傳感器，電氣連接簡(jiǎn)單，使用方便，采用單總線接口方式與微處器實(shí)現(xiàn)雙向通訊。程序設(shè)計(jì)中，單片機(jī)與DS18B20的通信需要嚴(yán)格遵守?cái)?shù)據(jù)手冊(cè)提供的時(shí)序圖，以DS18B20復(fù)位時(shí)序?yàn)槔瑥?fù)位時(shí)序圖如圖4所示，其初始化程序如下所示。

圖4 DS18B20復(fù)位時(shí)序圖

DS18B20 的復(fù)位時(shí)序如下：

1）單片機(jī)拉低總線480us～950us,然后釋放總線（拉高電平）。

2）這時(shí) DS18B20會(huì)拉低信號(hào)，大約60～240us表示應(yīng)答。

3）DS18B20 拉低電平的 60～240us之間，單片機(jī)讀取總線的電平，如果是低電平，那么表示復(fù)位成功。

4）DS18B20拉低電平60～240us之后，會(huì)釋放總線。

根據(jù)DS18B20復(fù)位時(shí)序圖其初始化程序?yàn)椋?/p>

3.1.2 溫濕度傳感器——DHT11

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含校準(zhǔn)的數(shù)字輸出溫濕度復(fù)合傳感器[5,7]。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。每個(gè)DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過(guò)程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，采用DHT11的單總線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議使操作變得簡(jiǎn)易便捷，只需要一根普通的I/O口線與DHT11的數(shù)據(jù)線相連，DHT11的時(shí)序圖如圖5所示。

DHT11的時(shí)序如下：

1）單片機(jī)拉低總線18ms以上，保證DHT11能檢測(cè)到起始信號(hào)。

圖5 DHT11的時(shí)序圖

2）主機(jī)發(fā)送開(kāi)始信號(hào)結(jié)束后，延時(shí)等待20-40us后，讀取DHT11的響應(yīng)信號(hào)。

3）DHT11接收到主機(jī)的開(kāi)始信號(hào)后，等待主機(jī)開(kāi)始信號(hào)結(jié)束，然后發(fā)送80us低電平響應(yīng)信號(hào)表示應(yīng)答。

4）DHT11發(fā)送響應(yīng)信號(hào)后，再把總線拉高80us，準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)。

5）50us低電平加26～28us的高電平表示“0”，50us低電平加70us的高電平表示“1”。

根據(jù)時(shí)序圖可以很容易的寫(xiě)出DHT11和單片機(jī)之間的通信程序，其軟件設(shè)計(jì)的方法與DS18B20類似。

3.1.3 氣敏傳感器節(jié)點(diǎn)——MQ-2

氣敏傳感器是將氣體的濃度轉(zhuǎn)換成一定關(guān)系的電量輸出的裝置或器件，常見(jiàn)的有MQ-2/MQ-2S氣體傳感器，它對(duì)液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高,對(duì)天然氣和其它可燃蒸汽的檢測(cè)也很理想。這種傳感器可檢測(cè)多種可燃性氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。主要應(yīng)用于家庭煤氣泄漏報(bào)警器，酒精測(cè)試儀，汽車(chē)尾氣報(bào)警器等。其驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，可以采用CC30F6137內(nèi)部比較器進(jìn)行監(jiān)控，也可以采用外部比較器輸出TTL電平進(jìn)行監(jiān)控，操作靈活。例如采用內(nèi)部比較器比較器，以2.0V為參考電壓的比較器寄存器初始化為：

3.1.4 紅外熱釋電傳感器節(jié)點(diǎn)

對(duì)于紅外熱釋電傳感器采用RE200B，該傳感器能夠檢測(cè)人或動(dòng)物發(fā)射的紅外線，從而輸出電信號(hào)。使用RE200B必須配合傳感信號(hào)處理塊BISS0001，對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行放大，一起構(gòu)成紅外熱釋電傳感器模塊。在電子防盜、人體探測(cè)領(lǐng)域中應(yīng)用非常廣泛。為了更好的獲得紅外探測(cè)的靈敏度，還需要在紅外熱釋電傳感器上加上菲涅爾透鏡。該設(shè)計(jì)中，當(dāng)有生物入侵時(shí)，可以發(fā)出報(bào)警，其程序設(shè)計(jì)與氣敏傳感器類似，在此不再贅述。

3.2 路由節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)

路由節(jié)點(diǎn)的功能時(shí)控制數(shù)據(jù)和命令的轉(zhuǎn)發(fā)，其程序設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。網(wǎng)關(guān)與上位機(jī)以串口方式連接，其程序設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。

圖6 路由節(jié)點(diǎn)程序流程圖

圖7 網(wǎng)關(guān)程序流程圖

3.3 上位機(jī)界面的設(shè)計(jì)

通過(guò)串口將網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)收集到的數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)，上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)記錄串口接收到的數(shù)據(jù)[9]，并顯示在界面上，同時(shí)將溫度和相對(duì)濕度繪制成相應(yīng)的變化曲線，上位機(jī)軟件界面是采用HTML應(yīng)用程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，生成的HTA腳本文件只要將后綴改成.htm，就可以在網(wǎng)頁(yè)中打開(kāi)，從而也可以實(shí)現(xiàn)服務(wù)器遠(yuǎn)程監(jiān)控。實(shí)驗(yàn)及監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖8所示。

該界面主要有五部分組成，即實(shí)時(shí)顯示溫度值并繪制變化曲線；實(shí)時(shí)顯示相對(duì)濕度值并繪制變化曲線；可燃性氣體的最低爆炸極限（%LEL），即報(bào)警點(diǎn)的設(shè)定，檢測(cè)當(dāng)前環(huán)境的可燃性氣體含量，當(dāng)超過(guò)該值時(shí)發(fā)出報(bào)警；生物入侵檢測(cè)，當(dāng)有入侵時(shí)可以發(fā)出警報(bào)，從而通知用戶；可以選擇“自動(dòng)測(cè)試”或“手動(dòng)測(cè)試”，還可以選擇不同的曲線樣式。

4 結(jié)束語(yǔ)

圖8 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面

本系統(tǒng)綜合采用傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)、分布式處理技術(shù)和通信技術(shù)的相關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)的對(duì)多點(diǎn)，多種監(jiān)測(cè)對(duì)象信息參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、傳輸、顯示和保存[10,11]。除此之外，系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)需要自由配置，在路由節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍內(nèi)增減傳感器節(jié)點(diǎn)，還可以通過(guò)增加路由節(jié)點(diǎn)的數(shù)目擴(kuò)大無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，該系統(tǒng)具有通用性高、擴(kuò)展靈活、構(gòu)建快速、布局方便、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)。RF網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)信號(hào)傳輸可達(dá)兩百米以上，增加路由設(shè)備后，傳輸距離可達(dá)千米范圍，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)控傳輸距離可達(dá)千米范圍，不易受到目標(biāo)環(huán)境和地域性的限制，加上CC430超低功耗的特點(diǎn)，可用于環(huán)境的監(jiān)測(cè)、醫(yī)療監(jiān)護(hù)、城市交通管理、倉(cāng)庫(kù)管理、橋梁等重點(diǎn)設(shè)施的狀態(tài)監(jiān)控等領(lǐng)域，

[1] CC430F6137 MSP430 SoC with RF Core. http：//www.chipcon.com. www.TI.com

[2] SimpliciTI Specification. http：//www.chipcon.com; www.TI.com

[3] 姚傳安,鄒彩虹. 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)： 自然科學(xué)版,2008,23(1)：l04-107.

[4] 徐太忠. 便攜式電子系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2001(8)： 11-13.

[5] 王樹(shù)斌. 無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)概述[J]. 中國(guó)科技信息,2006,23(4)： 224.

[6] 高凌云,等. 基于89C52的煤氣泄露監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)[J].中國(guó)儀器儀表,2010(11)： 70-72.

[7] 施云波,周磊,修德斌. 基于 GSM的溫濕度環(huán)境參數(shù)遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J]. 傳感器與微系統(tǒng),2009(29)： 97-98.

[8] 徐興福,等. ADS2008射頻電路設(shè)計(jì)與仿真實(shí)例[M]. 北京： 電子工業(yè)出版社,2009.

[9] 馮子濤,等. 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)管理GUI編程及實(shí)現(xiàn)[J]. 電子科技,2007(6)： 59-62.

[10] 張方奎. 短距離無(wú)線技術(shù)及其融合發(fā)展研究[J]. 電測(cè)與儀表,2007(10)： 48-50.

[11] 鄭寶玉,等譯. 現(xiàn)代無(wú)線通信[M]. 北京： 電子工業(yè)出版社,2006.