基于无线传感器网络的监测与报警系统设计

摘要：文中给出了一种基于无线传感器网络的监测与报警系统的设计。该系统利用无线通信模块进行数据传输，以实现组网的灵活性；采用CRC校验法保证传输的可靠性；采用查询驱动的智能化模块管理方式来降低能耗。实际应用表明，该系统特别适合于大面积、复杂环境下的数据采集与监测。
关键词：无线传感器网络；低功耗；智能化管理；nRF401

    在工业、医疗、交通、军事等应用领域，环境(尤其是大面积、复杂、危险环境中)温度、湿度等指标是工作现场的重要参数。传统的有线监测方法，需要连接大量的电缆，具有组网复杂、成本高的缺点，不利于远距离监测，尤其难以满足需要根据测试现场实际情况改变测试点位置、增减测试点数目的要求。针对这一缺陷，设计了一种基于无线传感器网络的监测与报警系统。该系统具有布网简单灵活、可靠性高、能耗低的优点，特别适合于远距离、复杂环境下的数据采集与监测。

1 系统描述
    基于无线传感器网络的监测与报警系统由若干无线传感器节点和控制中心组成。无线传感器节点由若干同一或不同类型的传感器和无线收发模块组成，分布于监测现场，进行相关参数的采集与无线传送。控制中心通过无线收发模块与无线传感器节点进行通信，并对接收到的相关参数进行数据处理。基于无线传感器网络的监测与报警系统框图如图1所示。

    当控制中心通过无线收发模块发送某一无线传感器节点的地址编码后，所有的传感器节点将接收到的地址编码和自身的地址编码进行比对，比对成功的传感器节点通过传感器对监控对象进行数据采集(其它的传感器节点不进行数据采集)，再通过节点内的无线收发模块发送到控制中心，控制中心对接收到数据进行相关处理。

2 系统硬件设计
    无线传感器网络节点通常由多个传感器、微处理器(CPU)、无线收发模块3部分组成。主站系统由无线收发模块、微处理器(CPU)、显示与报警电路、控制键盘(如需进行数据分析则可通过串口模块连接计算机实现)4部分组成。系统硬件框图如图2所示。

    传感器类型可根据监测对象的不同进行合理选择。考虑到监测现场环境的复杂性和可能的危险性，应尽可能降低能耗，减少更换传感器节点电池的频率，故微处理器采用MSP430系列超低功耗单片机，无线收发模块采用nRF401低功耗射频芯片。

2．1 基于nRF401无线收发系统设计
    无线射频模块采用nRF401无线收发芯片。该芯片使用433MHz频段，芯片中集成了高频发射与接收、PLL频率合成、FSK调制与解调、多频道切换等功能，具有抗干扰能力强、频率稳定性高的特点。尤其重要的是还具有能耗小、外围电路简单的优点。无线射频模块电路结构如图3所示。

    nRF401与单片机MSP430F149通过I／O线连接。DIN与DOUT为数据输入、输出端，直接与单片机串口的TXD和RXD相连接。CS为频道选择端，当CS=0时，选择433．92 MHz频道，CS=1时，选择434．33 MHz频道。TXEN为发射／接收状态切换端，当TXEN=0时，nRF401工作于接收状态；当TXEN=0时，工作于发射状态。PWR_UP为节能控制端，PWR_UP=0时，nRF401工作于休眠状态，待机电流仅为8μA；PWR_UP=1时，nRF401处于正常工作状态。
2．2 微处理器控制系统设计
    硬件系统中的微处理器采用MSP430系列单片机。MSP430系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，可在低电压下超低功耗工作嘲。同时，MSP430系列单片机集成了丰富的片内外设，可以极大限度降低系统电路的复杂度，减少了节点的功耗和体积。另外，MSP430F149的运行环境温度范围为-40～85℃，可以适应各种恶劣的环境。
    单片机与串口模块、无线收发模块的连接方式如图4所示。无线收发模块的CS、TXEN、PWR_UP分别连接单片机的I／O口，数据端DIN与DOUT直接与单片机串口的TXD和RXD相连接。单片机与PC机通过串口模块MAX232进行电平转换后连接(MAX232具有驱动能力，无需外加驱动电路)。需要注意的是：单片机与PC机、无线收发模块的数据交换均通过TXD、RXD端进行。此时，单片机作为主机，PC机、无线收发模块为从机。主机与从机之间可以进行双向通信，通过地址码对从机加以区分。从机与从机之间不能直接通信，必须通过主机转发。

2．3 节能设计
    考虑到监测现场环境的复杂性、可能存在的危险性以及维护成本的降低，应尽可能降低无线传感器节点能耗，延长使用寿命，减小更换节点电池的频率。因此，节能是设计中应需要优先考虑的问题。
    为了降低能耗，主站采用多工作模式，可通过各模块的智能化管理以避免闲置模块能源的浪费。无线传感器网络采用查询驱动方式。仅当主机主动查询数据某一传感器节点数据时，主站才通过无线收发模块唤醒相应的无线传感器节点响应指令并传回数据，其他时间传感器节点处于休眠状态。
    由于微处理器的振荡频率越低，其能量消耗越低。因此，可以适当降低微处理器的振荡频率，以便保证微处理器既有足够高的运算速度来满足计算和控制的需要，又能降低能耗。
    另外，由于在相同时钟频率的条件下，供电电压越低，能耗越低，因此在电路设计过程中应尽可能选用低电压的CMOS系列集成电路芯片。

3 系统软件设计
3．1 通信协议
    在无线传输过程中，由于现场环境、天气状况、干扰与噪声等因素的影响，无线传感器节点和主站之间的无线通信常常会造成传输帧的丢失或数据传输出错(误码)。为了保证系统传输的可靠性，需要制定通信协议，以便据此判断接收到的数据是否有效、是否出错。
    本系统采用的无线收发数据帧结构由帧头、地址编码部分、数据部分、CRC校验部分组成。无线收发系统数据帧结构如图5所示。

    在实际应用中，噪声产生的数据为1111111100000000的概率很低，因此发送数据帧以0xFF和0x00为帧头。用一个字节地址编码来区别不同的传感器节点或主机。数据检错采用CRC校验方式。接收端检测到0xFF和0x00字节后，表示收到的数据帧有效。如果该帧CRC校验正确，则说明接收正确，否则表示该帧传输出错，丢弃该帧。

3．2 程序流程
    无线传感器网络监测系统程序流程如图6、7所示。

    主站需要检测某一节点数据时，通过无线收发模块发送该传感器节点地址码。无线传感器节点收到地址码后与自己的地址码比对。比对成功则进行相应测量并将测试数据回传给主站。

4 结束语
    文中给出了一种基于无线传感器网络的监测与报警系统的设计。该系统利用无线通信模块进行数据传输，数据帧采用含地址编码和CRC校验的短帧结构和查询驱动的智能化模块管理方式。实际应用表明，该系统具有组网方便灵活、能耗低、可靠性高、可实现无线数据双向传输的特点，特别适合于大面积、复杂环境下的数据采集与监控。