無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

康瑤 王群

摘 要：本設(shè)計(jì)介紹了由多種傳感器節(jié)點(diǎn)組成的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)采集數(shù)據(jù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)以CC2530芯片為主要結(jié)構(gòu)，不同的傳感器節(jié)點(diǎn)以組成網(wǎng)絡(luò)的方式連接在一起，傳感器將采集的信息存儲(chǔ)到CC2530芯片的閃存中，由CC2530芯片通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，逐級(jí)傳輸給匯聚節(jié)點(diǎn)。通過(guò)本設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境中煙霧濃度、光線(xiàn)亮度以及土壤濕度等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：傳感器；節(jié)點(diǎn)；無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)；CC2530；

一、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

在本設(shè)計(jì)中，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)是在采用IEEE 802.15.4協(xié)議基礎(chǔ)上形成的Zigbee無(wú)線(xiàn)短距離傳輸協(xié)議，通過(guò)兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)和一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。這些設(shè)備分別搭載著功能各異的傳感器，分別是煙霧、光敏以及土壤濕度傳感器。這些傳感器所處的終端節(jié)點(diǎn)會(huì)收集它們所能感知的數(shù)據(jù)，并且可以通過(guò)LCD液晶顯示器顯示出來(lái)。在本設(shè)計(jì)中由于終端個(gè)數(shù)有限，暫時(shí)展示三個(gè)節(jié)點(diǎn)上的信息。在傳感器的選擇上，此次系統(tǒng)將選擇土壤濕度傳感器，煙霧傳感器和光敏傳感器來(lái)使用。主要為室內(nèi)農(nóng)作物的培育提供一定的科學(xué)依據(jù)，土壤濕度傳感器檢測(cè)農(nóng)作物生存的土壤環(huán)境，煙霧傳感器檢測(cè)農(nóng)作物生長(zhǎng)的氣體環(huán)境，光敏傳感器檢測(cè)農(nóng)作物生長(zhǎng)的光強(qiáng)環(huán)境，以保證農(nóng)作物可以正常養(yǎng)成。

二、硬件設(shè)計(jì)

（一）CC2530芯片

CC2530芯片可以使用廉價(jià)的制作材料來(lái)創(chuàng)立一個(gè)功能十分優(yōu)越的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。在此次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用256K版本的CC2530芯片，原因有：低功耗，可以切換主動(dòng)、供電模式和電壓限制；微控制器，具有非常優(yōu)良的性能，可以完好無(wú)損的保存數(shù)據(jù)、預(yù)取代碼、調(diào)試硬件；RF/布局，具有極強(qiáng)的抗干擾能力，接收數(shù)據(jù)非常準(zhǔn)確而且靈敏，靈敏度非常高；支持多種外設(shè)。

（二）MQ-2煙霧傳感器

MQ-2煙霧傳感器所使用的氣敏材料是在我們平常清潔空氣時(shí)電導(dǎo)率相對(duì)來(lái)說(shuō)很低的二氧化錫。選擇MQ-2的原因有很多，其一是因?yàn)樗鼘?duì)諸如氫氣、甲烷、液化氣之類(lèi)的可燃性氣體的檢測(cè)效果都比較好，適用范圍廣且靈敏度較高；其二是因?yàn)樵谔囟ǖ墓ぷ鳝h(huán)境中（比如二百到三百的高溫）下能檢測(cè)到煙霧的存在；其三是因?yàn)樗O(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，制作方便，在成本方面的控制比較好。

（三）光敏傳感器

光敏傳感器是利用光敏元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。它能感應(yīng)到多種可見(jiàn)的和不可見(jiàn)的光信號(hào)，在適用場(chǎng)合，靈敏度和造價(jià)方面效果都比較好。本設(shè)計(jì)中光敏傳感器與CC2530芯片連接在一起，作為一個(gè)終端傳感器節(jié)點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光的強(qiáng)度信息，并將這些信息發(fā)送給上一級(jí)節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)器。

（四）土壤濕度傳感器

土壤濕度傳感器是利用對(duì)濕度敏感元器件將濕度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的傳感器。特點(diǎn)是在元器件的主要探測(cè)部位用一層對(duì)濕度敏感的材料所作成的一種膜狀物進(jìn)行全部涂抹。這樣當(dāng)土壤濕度傳感器在監(jiān)測(cè)地工作時(shí)，其探測(cè)部位的電阻或電容就會(huì)隨著空氣或土壤中的水汽碰到感濕膜而發(fā)生變化，通過(guò)一定的轉(zhuǎn)化變成數(shù)據(jù)被采集到。

三、 軟件設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本次系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成中有一個(gè)協(xié)調(diào)器設(shè)備、一個(gè)路由設(shè)備和兩個(gè)終端設(shè)備。終端設(shè)備只能給協(xié)調(diào)器發(fā)送信息，它們之間不能相互發(fā)送信息。協(xié)調(diào)器在終端設(shè)備申請(qǐng)加入系統(tǒng)時(shí)給它生成準(zhǔn)確代表它身份的標(biāo)識(shí)，以便能準(zhǔn)確高效地管理這個(gè)終端設(shè)備的工作。路由設(shè)備既可以收集信息，又能夠?qū)崿F(xiàn)終端設(shè)備信息的相互傳輸。當(dāng)終端設(shè)備在協(xié)調(diào)器輻射不到的范圍外，終端設(shè)備先把信息傳輸給路由設(shè)備，然后路由設(shè)備再把信息傳輸給協(xié)調(diào)器。終端設(shè)備與路由設(shè)備成功進(jìn)入系統(tǒng)后，協(xié)調(diào)器設(shè)備會(huì)不停地獲得由收集設(shè)備采集的信息，同時(shí)協(xié)調(diào)器也可以將信息傳送到計(jì)算機(jī)。

（二）協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的整體設(shè)計(jì)中，協(xié)調(diào)器設(shè)備會(huì)發(fā)起組建一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)并且負(fù)責(zé)接受或否定其他設(shè)備的入網(wǎng)和退網(wǎng)的申請(qǐng)。此外它還有接收搭載傳感器的終端設(shè)備收集來(lái)的數(shù)據(jù)的功能經(jīng)過(guò)整合加工以后傳輸給上一級(jí)設(shè)備。協(xié)調(diào)器作為網(wǎng)絡(luò)的核心，需要具有把設(shè)備進(jìn)行初始化，然后組網(wǎng)，并且控制傳感器節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)出網(wǎng)，這些功能需要通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。協(xié)調(diào)器上電后會(huì)組建新網(wǎng)，然后自主掃描周?chē)欠翊嬖谟邢嚓P(guān)的終端設(shè)備發(fā)起入網(wǎng)的請(qǐng)求，如果存在這樣的請(qǐng)求，協(xié)調(diào)器會(huì)通過(guò)NWK給新終端設(shè)備分配可以唯一識(shí)別的標(biāo)識(shí)。當(dāng)協(xié)調(diào)器需要進(jìn)行查看信息的時(shí)候，會(huì)向收集信息的設(shè)備發(fā)出指令，要求其把感知到的信息收集并傳輸給協(xié)調(diào)器，進(jìn)行存儲(chǔ)和調(diào)用展示。

（三）路由節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在此次設(shè)計(jì)中由于是室內(nèi)短距離傳輸數(shù)據(jù)所以路由節(jié)點(diǎn)是作為終端節(jié)點(diǎn)使用的，它在實(shí)際應(yīng)用中的作用是搭建協(xié)調(diào)器與終端的通信路徑，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)通過(guò)路由設(shè)備可以無(wú)限的擴(kuò)大范圍，進(jìn)行大規(guī)模的數(shù)據(jù)采集。路由節(jié)點(diǎn)在WSN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的重要功能是發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，并在系統(tǒng)中搭建協(xié)調(diào)器與終端通信的路徑。當(dāng)兩個(gè)終端設(shè)備需要進(jìn)行傳輸信息但是又在它們不可及的范圍內(nèi)的時(shí)候，其中一個(gè)設(shè)備會(huì)將數(shù)據(jù)傳遞給距離目標(biāo)設(shè)備較近的路由節(jié)點(diǎn)，然后路由節(jié)點(diǎn)通過(guò)再次選擇合適的路線(xiàn)，將信息發(fā)送給目標(biāo)設(shè)備。

（四）終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在此系統(tǒng)中終端傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)備作為最基礎(chǔ)的設(shè)備進(jìn)行各種數(shù)據(jù)的采集，它在接上電源后會(huì)在自己的監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)搜尋可以連接的網(wǎng)絡(luò)。如果在范圍內(nèi)有可以連接網(wǎng)絡(luò)的情況下，它會(huì)向這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起者申請(qǐng)加入此網(wǎng)絡(luò)。發(fā)起者同意后會(huì)向傳感器設(shè)備分配一個(gè)唯一可識(shí)別的網(wǎng)絡(luò)地址，作為其入網(wǎng)的身份。終端傳感器設(shè)備成功進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)后可以將采集的信息不斷地傳送給網(wǎng)絡(luò)發(fā)起者，以供其使用。

四、軟件調(diào)試及總結(jié)

對(duì)程序進(jìn)行修改和優(yōu)化，使整個(gè)系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。在此次設(shè)計(jì)中我們是使用IAR集成編譯器進(jìn)行軟件調(diào)試，經(jīng)測(cè)試各個(gè)節(jié)點(diǎn)自身性能穩(wěn)定，采集信息準(zhǔn)確性高，整個(gè)系統(tǒng)不會(huì)因某個(gè)節(jié)點(diǎn)故障而出現(xiàn)問(wèn)題，系統(tǒng)信息采集準(zhǔn)確可靠，運(yùn)行穩(wěn)定。

【參考文獻(xiàn)】：

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【5】韓凱州.無(wú)線(xiàn)水位傳感器的研究[D]. 太原理工大學(xué)， 2015.

作者簡(jiǎn)介：

康瑤，1995 年03月14日，女，彝族，貴州省六盤(pán)水市人；職稱(chēng)：學(xué)生；單位：鄭州大學(xué)物理工程學(xué)院；專(zhuān)業(yè)：物理電子專(zhuān)業(yè)；研究方向：?jiǎn)纹瑱C(jī)

王群，1995 年09月27日，男，漢族，河北省唐山市人；職稱(chēng)：學(xué)生；單位：鄭州大學(xué)物理工程學(xué)院；專(zhuān)業(yè)：物理電子專(zhuān)業(yè)；研究方向：?jiǎn)纹瑱C(jī)