基于 WSN 的壓力監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于 WSN 的壓力監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)    摘 要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一項(xiàng)新興的技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過無線通信的方式構(gòu)成的自組織網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集量化、處理融合和傳輸應(yīng)用。本文針對(duì)移動(dòng)壓力監(jiān)測系統(tǒng)中有線數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋锥?，提出了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壓力監(jiān)測系統(tǒng)，以ZigBee 模塊CC2430 為核心，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行全面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壓力監(jiān)測系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；壓力監(jiān)測；ZigBee； CC2430中圖分類號(hào)：TP212.91. 引言無線傳感器網(wǎng)絡(luò)2(Wirele

2、ss Sensor Network，WSN)就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作和感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。目前基于有線傳輸?shù)膲毫ΡO(jiān)測系統(tǒng)比較常見，考慮到有線裝置的可移動(dòng)性較差，本文提出了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壓力監(jiān)測系統(tǒng)，利用無線組網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸。本系統(tǒng)得益于集高效8051內(nèi)核和高性能射頻收發(fā)器核心于一體的CC2430 芯片，使所設(shè)計(jì)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)具有良好通信性能。2. 基于ZigBee 技術(shù)的射頻芯片CC2430 的介紹功耗的無線通信技術(shù)。它是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)

3、牙之間的技術(shù)提案，其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡而言之，ZigBee 就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)。ZigBee采用的是自組織網(wǎng)通信方式，當(dāng)節(jié)點(diǎn)位置移動(dòng)時(shí)，模塊還可以通過重新尋找通信對(duì)象，確定彼此間的聯(lián)絡(luò)，對(duì)原有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行刷新，這樣的特點(diǎn)使ZigBee 技術(shù)的應(yīng)用更加廣泛。2.1 CC2430 簡介CC24301是一顆真正的系統(tǒng)芯片(SOC)CMOS 解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee 為基礎(chǔ)的2.4GHz ISM 波段應(yīng)用于低成本，低功耗的要求。它結(jié)合一個(gè)高性能2.4GHz D

4、SSS(直接序列擴(kuò)頻)射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級(jí)小巧高效的8051 控制器。CC2430 的設(shè)計(jì)結(jié)合了8Kbyte 的RAM 及強(qiáng)大的外圍模塊，并且有3 種不同的版本，他們是根據(jù)不同的閃存空間32，64 和128kByte 來優(yōu)化復(fù)雜度與成本的組合，本節(jié)點(diǎn)用的是CC2430-F128。CC2430 芯片的主要特點(diǎn)如下：于0.6A 的流耗，外部的中斷能喚醒系統(tǒng)；計(jì)時(shí)器，1 個(gè)常規(guī)的16 位計(jì)時(shí)器和2 個(gè)8 位計(jì)時(shí)器；2.2 CC2430 的最小系統(tǒng)CC2430 也只需要極少的外部電路1就能實(shí)現(xiàn)通信功能，主要電路有電源電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路和天線。1、時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)：芯片工作電壓是2.1V3.6V

5、，典型取值是3.3V。片內(nèi)CPU 和各種轉(zhuǎn)換電路工作電壓1.8V，外部數(shù)字引腳工作電壓3.3V，外部只需提供3.3V 的工作電壓即可，因?yàn)樾酒旧砑闪?1.8V 穩(wěn)壓器。2、復(fù)位電路設(shè)計(jì)：低電平復(fù)位，即外接帶下拉電阻的輸入端。3、電源電路設(shè)計(jì)：CC2430 外接兩種晶振電路，一種振蕩電路產(chǎn)生32768Hz 振蕩頻率，是利用管腳P2.3/XOSC_Q1 和P2.4/XOSC_Q2 外接產(chǎn)生的；另一種為32MHz 振蕩頻率的振蕩電路，則是由管腳XOSC_Q1 和XOSC_Q2 外接產(chǎn)生。結(jié)合上面的電路和天線，就可以形成CC2430 的最小系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無線通信，其最小系統(tǒng)電路如圖1 所示。圖 1 C

6、C2430 最小系統(tǒng)2.3 無線核心部分(CC2430 射頻收發(fā)器)CC2430 的無線接收器是一個(gè)低中頻的接收器。低中頻(10w-IF)接收是CC2430 的特性之一，CC2430 收到的RF 信號(hào)被低噪聲放大器(LNA)放大，并且將收到的同相信號(hào)和正交相位信號(hào)(1/Q)降頻轉(zhuǎn)換為中頻(IF)信號(hào)。過濾掉殘余在中頻(2MHz)信號(hào)中的1/Q 信號(hào)后，放大中頻信號(hào)。然后通過ADC 數(shù)字化、自動(dòng)增益控制，以及信道的過濾、解擴(kuò)頻、符號(hào)相關(guān)和字節(jié)同步等，所有這些都通過數(shù)字邏輯完成的。檢測出幀開始定界符，就產(chǎn)生中斷。CC2430將收到的數(shù)據(jù)緩沖存入128 字節(jié)的先進(jìn)先出(FIFO)接收(RX)隊(duì)列。用

7、戶可以通過特殊功能寄存器來讀這個(gè)RXFIFO 隊(duì)列。建議采用存儲(chǔ)器直接存取(DMA)來傳送存儲(chǔ)器和FIFO 之間的數(shù)據(jù)。CC2430 通過硬件校驗(yàn)CRC，將接收信號(hào)強(qiáng)度指示器(RSSI)的相關(guān)數(shù)值附加到數(shù)據(jù)幀之中，在接收模式下，通過中斷提供空閑信道評(píng)估(CCA)。CC2430 的發(fā)送基于直接升頻轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)存放在128 字節(jié)的TXFIFO 之中(與RXFIFO彼此分隔)，要發(fā)送的幀引導(dǎo)序列和幀開始定界符由硬件產(chǎn)生。每個(gè)符號(hào)(4 位)使用通過模擬低通濾波器送到90°I/Q 相移升頻轉(zhuǎn)換混頻器口無線射頻(RF)信號(hào)通過功率放大器(PA)饋送到天線。3. 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)一個(gè)典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

8、2至少要由無線傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和中央控制點(diǎn)組成。大量傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部或附近，能夠通過自組織方式形成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳地進(jìn)行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過多跳后路由到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，最后到達(dá)中央控制點(diǎn)。在這個(gè)過程中，傳感器節(jié)點(diǎn)既充當(dāng)感知節(jié)點(diǎn)，又充當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的路由器，用戶通過中央控制點(diǎn)對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。以上是典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，而這里我們要設(shè)計(jì)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)比較簡單，主要包括終端節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)即無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壓力監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，主要用來監(jiān)測壓力，并將監(jiān)測的數(shù)據(jù)傳給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)

9、，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)收集各終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，上傳到上位機(jī)進(jìn)行顯示?；窘Y(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖4. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)由上一小節(jié)知道，本無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)3比較簡單，主要包括網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)，下面就具體介紹兩節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。4.1 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)終端節(jié)點(diǎn)主要包括壓力模塊、CC2430 模塊和電源模塊，其組成圖如圖3 所示。其中，壓力模塊包括壓力傳感器單元和信號(hào)放大單元，其中壓力傳感器模塊用于感應(yīng)外部壓力，并將壓力轉(zhuǎn)換成差分電壓值，信號(hào)放大單元主要用于放大輸入的電壓信號(hào)，并由差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單路電壓信號(hào)；CC2430 模塊的核心集高效8051 內(nèi)核和高性能射頻收發(fā)器核心于一體的

10、CC2430 芯片，其中精簡51 內(nèi)核作為本系統(tǒng)的微處理器，射頻收發(fā)器即為系統(tǒng)的射頻模塊；電源模塊則直接采用24V 鋰電池供電，根據(jù)傳感器模塊和CC2430 模塊的電壓不同需求，經(jīng)WRB2405CS_1WDC-DC 模塊（+24V 轉(zhuǎn)+5V）和電壓轉(zhuǎn)換芯片ICL7660（+5V 轉(zhuǎn)-5V）、TPS76033（+5V 轉(zhuǎn)3.3V）得到。圖3 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主要包括CC2430 模塊和電源模塊，其組成圖如圖4 所示，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過串口5與上位機(jī)通信。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的兩個(gè)模塊的硬件設(shè)計(jì)基本和終端節(jié)點(diǎn)的相應(yīng)模塊相同，只是電源模塊只需要提供3.3V給CC2430，即將24V經(jīng)WRB2405CS_1WDC-

11、DC 模塊（+24V 轉(zhuǎn)+5V）和電壓轉(zhuǎn)換芯片TPS76033（+5V 轉(zhuǎn)3.3V）得到。圖4 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)4.2 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)也分為終端節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。這點(diǎn)在寫程序時(shí)注明，如果定義的是網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)（#ifdef Coordinator），則下面執(zhí)行的動(dòng)作將是針對(duì)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的；如果定義的是終端節(jié)點(diǎn)（#else，應(yīng)為只有兩種情況，所以這里直接用else），則下面代碼將執(zhí)行的動(dòng)作是針對(duì)終端節(jié)點(diǎn)的。雖然 CC2430 有8 路得ADC 通道，但只有一個(gè)ADC 轉(zhuǎn)換器。所以要設(shè)計(jì)多路AD 轉(zhuǎn)換需要輪流使用這個(gè)ADC 轉(zhuǎn)換器。系統(tǒng)中終端節(jié)點(diǎn)的功能是讀入壓力信號(hào)，通過無線方式傳給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。編程時(shí)首

12、先對(duì)ADC 初始化，包括ADC 三個(gè)控制寄存器ADCCON1、ADCCON2、ADCCON3 的設(shè)置，用于配置ADC；ADC 輸入配置寄存器ADCCFG。接著是ADC 數(shù)據(jù)的讀入，啟動(dòng)ADC 轉(zhuǎn)換，等待轉(zhuǎn)換結(jié)束后清結(jié)束標(biāo)志位，讀出ADCH 和ADCL 中數(shù)據(jù)放入temp 數(shù)組中，根據(jù)所選擇的分辨率（這里選擇12 位）調(diào)整數(shù)組中的數(shù)據(jù)值。然后是ADC數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換， 將ADC 讀出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可讀的壓力值， 轉(zhuǎn)換公式是data=(temp0*256+temp1 ) / 2047 * 參考?jí)毫χ?。終端節(jié)點(diǎn)完成對(duì)壓力值的讀取后，將壓力值放入發(fā)送函數(shù)中即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線發(fā)送。其工作過程如圖5 所示。圖5

13、終端節(jié)點(diǎn)軟件流程圖對(duì)于網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，其所要完成的工作是接收各終端節(jié)點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)。首先要初始化一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)建立成功以后，就使節(jié)點(diǎn)始終處于接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)，當(dāng)檢測到終端節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)傳來時(shí)，接收數(shù)據(jù)并通過串口發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行顯示。這里我們選擇UART0，對(duì)于串口的初始化包括對(duì)控制和狀態(tài)寄存器U0CSR 、U0UCR，波特率控制器U0BAUD 等的設(shè)置。在數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)的函數(shù)中，我們可以直接將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入收發(fā)數(shù)據(jù)緩存U0BUF 中，即能實(shí)現(xiàn)串口的數(shù)據(jù)發(fā)送功能。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的工作過程如圖6 所示。圖6 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟件流程圖       &

14、#160;5. 總結(jié)本文系統(tǒng)地介紹了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壓力監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程，包括網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，由終端節(jié)點(diǎn)采集壓力數(shù)據(jù)，通過AD 轉(zhuǎn)換無線發(fā)送，在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)（即接收節(jié)點(diǎn)）通過串口調(diào)試助手顯示接收的壓力數(shù)據(jù)。最終證明了系統(tǒng)的可行性。參考文獻(xiàn)2 孫利民,李建中,陳渝.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)M.北京:清華大學(xué)出版社,20053 吳光榮,章劍雄.基于CC2430 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)J.現(xiàn)代電子技術(shù)J,2008 年第12 期:121-1244 高守瑋,吳燦陽.ZigBee 技術(shù)實(shí)踐教程基于CC2430/31 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)解決方案M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,20095 劉江沙,雷偉,尹酉

15、.基于CC2430 的串口無線模塊的設(shè)計(jì).國外電子元器件J，2007 年第4 期:47-50Design of the pressure monitoring system based on WSNLi Xiao, Meng Xiang, Huang HeSchool of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology,Xuzhou (221008)AbstractWireless sensor network is a kind of new technology, can

16、be applied in a lot of fields. It is a kind ofself-organization network formed through wireless communication, which is composed with a plenty ofsmall network nodes, and it can implement the data collection, data processing and the application oftransmission. Aiming at the disadvantages of wire transmission in mobile pressure monitoring system,this paper proposed a WSN-based pressure monitoring system. It revo