一种无线烟雾传感器节点的设计与实现-图文..doc

技术探讨 TECHNICAL EXPLORATION
一种无线烟雾传感器爷点的
设计与雾现
The Design and Implementation of Wireless Smoke Sensor 王进贤王泉王平戴剑波
重庆邮电大学重庆市网络控制与智能仪器仪表重点实验室(重庆400065
摘 要:无线传感器网络是当前信息领域中研究的热点之一,可用于特殊环境实现信号的采集、处理和发送； 介绍无线烟雾传感器节点的设计与实现,以CC2430芯片为核心，利用烟雾传感器设计硬件电路，并 通过无线收发模块与网络协调器和上位机通信迭到实时监控；讨论和提出烟雾传感器节点的低功耗 设计并描述系统的软件架构及实现方法。系统具有较高的实用性和可靠性，成本低,功耗低,具有良 好的应用前景。
关键词：工业无线烟雾传感器低功耗可靠性
Abstract:Wireless sensors network is a new research field.It call be used in some special situation for signal eollec— tion，processing and transmitting。In this paper，design and implementation
of a wireless smoke sensor nodes on the basis of CC2430and using of smoke senso璐Hardware circuit，wireless transceiver modules through coordination with the network and host computer communication to achieve real-time monitoring，and discuss the low—power of smoke sensor nodes and design description of the system software architecture and implementation,the system has more high utility and reliability,low cost，low power consumption,has a good prospect。
Key words:Wireless industry Smoke sensor Low-power Reliable communication
随着我国经济建设的发展，一些在国民经济和社 会生活中至关重要作用的特殊场所（如图文档案信息 中心、邮电通讯枢纽、集成电路生产车间、大型电站 越来越多。由于其内部各种电气设备高度集中且长期 运行工作，从而存在较多的火险隐患,一旦发生火灾, 将会给国家造成极大的经济损失，给社会带来重大影 响。因此如何及时、准确无误地预测火灾险情成为社 会关注的一个焦点。本文介绍了基于IEEE 802。15。4通信技术的无线烟雾传感器节点的设计与实现,结合 智能传感器（Smart Sensor的设计思想,提出一种基于 IEEE 802.15.4标准的无线烟雾数字式智能传感器的 概念,给出了传感器节点的功能模型，详细阐述其工
132。w眺cnI 作原理、设计和实现.
1系统结构
本无线烟雾传感器节点主要由两部分组成:烟雾 传感器采集部分、无线传输部分。传感器采集部分主 要负责将外界环境中的烟雾浓度采集进来，采集部分 所得到的信号会随着外界烟雾浓度变化而变化,烟雾 传感器所测量的模拟量,经过调理电路送至无线传输 部分进行处理。无线传输部分负责将传感器采集到的 实时数据发送到无线网络协调器，然后转发给上位机 实现对数据的显示与监控。系统功能模型如图1所 示.
2008年增刊中阅俄嚣坂表
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传感器 采集部分 :I烟雾I。 .I电源管l
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图1系统功能模型
输部分
天线
监测f台
2系统硬件设计
无线烟雾传感器节点硬件电路主要由数据采集单 元、数据处理和传输单元、电源管理单元3部分组成. 2.1数据采集单元
从低成本、高性能等角度出发，本方案选用一种 半导体气体烟雾传感器一MS5100。MS5100有着体积 小、感应灵敏度高、稳定性良好、反应时间快速，对烟 雾、碳氢化合物和氧化物有很强的灵敏度等诸多优 点。烟雾传感器采集电路如图2所示.
出信号
图2烟雾传感器采集信号电路
图中:Vcc为外部电源，V。为加热电源，Rs为传 感器电阻，R。为上拉电阻,Vout为输出电压。本系统 应用时Vcc和VH取5V的电源,Rs的取值范围是85k 一3255kll，其阻值会随外部的烟雾浓度的变化而变 化，所以传感器测量原理如下：当测到外部的烟雾时， 传感器的电阻如会发生变化，此时的电阻Rgas和在 空气中的电阻]lair的比值和外部烟雾浓度的关系曲 线图如图3所示，改变R。可以调节输出电压,以便更 好地测出烟雾浓度值。
2。2数据处理和传输单元
处理器芯片是整个传感器节点的核心，它的选择 中阅恹鸳彳承丧2008年增干U
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图3传感器阻值比与烟雾浓度关系曲线图
在节点设计中直接关系到整个系统的性能和使用寿 命，综合考虑低功耗、高发射功率、接收灵敏度、收发 芯片所需的外围元件数量、芯片成本、集成度等各种 性能指标.本设计采用，I'I公司生产的CC2430射频 芯，它在单个全面芯片上整合了ZigBee射频RF前 端、内存和微控制器。它使用了1个8位的高性能和 低功耗的8051微控制器核，具有128kb可编程闪存 和8kb的RAM,还包含一个模拟数字转换器（ADC、 看门狗定时器(Watchdog timer、32kHz晶振的休眠 模式定时器、上电复位电路（Power on Reset、掉电检 测电路等。
2。2。1数据处理单元
传感器将采集到的信号通过调理电路后直接传人 CC2430内置的A/D转换器接口。该A./D转换器可软 件编程转换精度,其精度8～14位，将模拟信号转换 成数字量后,经过软件协议栈中的物理层、MAC层、 数据链路层、网络层、传输层、应用层依次加载,完成 一次信号采集处理。
2。2。2数据传输单元
数据传输部分主要利用2。4G单端天线，配合 CC2430的TX/RX开关引脚来控制选择发送信道或者 接收信道。CC2430内部T/R交换电路完成LNA和PA 之间的交换。信号输出经过-个非平衡变压器，这样连 接非平衡变压器可使天线性能更好，如图4所示. 电路中的非平衡变压器由电容c：。和电感LJ、k、 L2以及一个PCB微波传输线组成,整个结构满足RF 输入/输出匹配电阻（501的要求。这样使得信号传 输中间理论上没有信号反射发生，可以到达天线的信 号功率最强。
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技术探讨 TECHNICAL EXPLORATION 图4无线通信模块原理图
CC2430无线接收器是一个低中频的接收器，从 天线接收到的射频信号，首先经过低噪声放大器,然 后正交下变频到2MHz的中频上，形成中频信号的同 相分量和正交分量.两路信号经过滤波和放大后，直 接通过模数转换器转换成数字信号，再以数字信号的 形式进行后续的处理,如自动增益控制、最终信道选 择、解扩以及字节同步等，最终恢复出传输的正确数 据.要发送的数据先被送人CC2430芯片中的128字 节的发送缓存器,头帧和起始帧是通过硬件自动产生 的,所要发送的数据流的每4位被32码片的扩频序 列扩频后送到DA变换器。然后，经过低通滤波和上 变频的混频后的射频信号最终被调制到2.4GHz的设 定信道上,并经放大后送到天线发射出去.
同时为了有效地降低节点功耗,可使传感器节点 在空闲时进入超低功耗睡眠模式，在接收和发射模式 下，电流损耗分别低于27mA和25mA。而在休眠模 式时仅0.9¨A的损耗,外部的中断或RTC能唤醒系 统，使节点周期性地在工作模式和睡眠模式间切换, 可以很大程度上降低功耗。本系统中同时采用32MHz 和32.768kHz的双石英谐振器模式，32MHz用于 CC2430无线芯片高速运行时,32。768kHz在系统休 眠时启用。 2。3电源管理单元
电源管理是工业无线通讯应用中的一个关键问 题,电源处理得好坏直接影响到整个系统的工作和使 用。要解决这个问题，硬件上就应该从工作芯片的低 功耗的选型和电池体积和容量两方面综合来考虑。图 5是整个系统的电源管理电路框图。
图5电源霄理电路框图
由于锂电池具有电压高、体积小、能量密度高、 放电曲线平缓、可循环使用等优点,因此设计方案选 取电池为1040mA锂充电电池，并设计了相应充电电 路，从而本传感器节点可以频繁、持续的使用。
MAXl555芯片作为充电芯片，提供较灵活的电源 输人口。
①脚为USB输人口，电压范围是3.7～6V,可以 直接从USB接口接人对电池充电；
④脚为DC电源输入端，可以外接电源适配器对 2008年增刊中阅俄霹恹丧
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电池进行充电,而且①脚、④脚的电压可以自动切换. ③脚为充电状态指示,在充电期间为低电平，可 以连接一个LED指示其工作状态。MAXl555最终的 充电电压为4。1V，上下浮动0。5％，快速充电的时候 可以达到最大300mA的电流。
MAX8881是一种微功耗稳压芯片，将电池提供的 电压稳定成CC2430模块工作所需的标准的3。3V直 流电压.其带负载能力可以达到200mA，完全可以满 足CC2430的工作要求。
MAX684是一种DC/DC升压转换芯片,将电池提 供的电压转换成烟雾传感器工作所需的5V直流电压。 其带负载能力完全可以满足传感器的工作要求。
3软件设计
系统的软件设计主要由3部分组成:无线协议栈 主程序,A/D转换程序,定时器中断程序。无线协议 栈主程序主要包括无线协议栈的相关部分初始化处理 与节点相关信息处理.定时器中断服务程序主要是控 制无线传感器采集外界数据的时间，根据实际需求来 设置定时器的计数初值，从而达到对数据采集的时间 间隔进行控制，每间隔一段时间进行一次数据采集。 A/D转换程序主要是通过无线传感器采集得到的模拟 数据进行数据转换处理.A/D转换精度可根据实际需 要设置,本设计考虑实际需要，精度选择为14位精 度.
软件部分实现的主要功能是CC2430无线芯片通 过设定定时器的计数初值时间，定时产生中断，对采 集而来的数据进行A/D转换并对A/D转换后的数 据进行判断处理（如错误数据和正常采集数据后,通 过RF将数据发送到上位机。软件部分主要流程如图 6所示。
整个系统的运行过程：首先进行初始化操作，具 体为端口配置初始化,定时器与无线协议栈初始化， 时间触发到时进人数据采集程序，A/D转换结束，对 得到值进行判断，进入相应的数据服务类型处理;数 据的发送处理考虑到节点节能处理,对数据进行缓存 处理，如数据变化不大,则只发送一个数据标识,并 不发送整个数据，通过减少字节传输来降低能耗。设
中阅俄嚣俄丧2008年增刊
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图6主程序流程图
计时考虑到应用场合的安全性,系统软件采取周期性 采集的工作模式，当无线接收模块接收到采集数据后 将会处理为实际物理意义数据，然后进行发送.最 后，数据采集完毕后自动返回检查自身网络状态。
4结束语
本文介绍了基于无线网络的烟雾传感器节点的设 计。该无线烟雾传感器网络节点能够通过无线网络实 现对现场烟雾参数的实时检测。经过近2个月的实验 以及现场测试与分析，可以证明,本系统已经取得了 较好的监测效果，测量基本符合实际的结果.该系统 结合了无线传感器网络具有的低功耗、低成本等独特 优势，在烟雾预测领域具有很好的应用前景。
参考文献
1Andreas Willig,Kirsten Matheus，Adam Wolisz。Wire—less Technology in Industrial Networks.Proceedings of the IEEE，V01.93（2005，No。6（June，PP。1130 ～1151.
2Darold Wobschall。A Wireless Gas Monitor with IEEE 1451Protocol［J］。IEEE Sensors Applications Sympo- sium，7~9February 2006。
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图4系统软件流程图
查和研究工作,充分考虑到了系统运行的每个环节和 各种恶劣应用现场环境.在低功耗、远距离传输方面 作了特别处理，经测试功耗和射频增益均符合理论值 要求。
在实际测试过程中，系统运行比较稳定，测量符 合实际的结果，完全达到了对瓦斯气体浓度的无线监 测。随着无线技术在工业应用中低功耗、远传输距 离、高可靠性等一系列关键问题的解决,其应用路线 将会越来越明晰.
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参考文献
l Darold Wobschall。A Wireless Gas Monitor with IEEE 1451Protocol［J］.IEEE Sensors Applications Sympo—sium。7—9February 2006。
2Yah Shen and Bing Guo,“Dynamic Power Management based on Wavelet Neural Network in Wireless Sensor Networks”IEEE Computer Society，2007:431—436。 3Andrew Wheeler，Ember Corporation，“Commercial Applications of Wireless
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4杨德斌,伍俊，阳建宏。无线数字传感器网络节点 ［J］。仪表技术与传感器，2007,(9。
5赵巧娥著。自动检测与传感器技术[M］。北京:中国 电力出版社，2005。
6王平，王泉等著.测量与控制用无线通信技术［M］。 电子工业出版社，2008.3（11:96-98。
作者简介：
戴剑波，硕士研究生，研究方向为工业无线网络控制及 其应用、无线传感器网络。
王泉，硕士，讲师，研究方向为网络控制技术、无线控 制网络及其应用、无线传感器网络。国际传感器网络ISO/ IEC JTCl工作组专家，美国仪器仪表协会工业无线委员会 ISAl00的Voting Member.
王平，教授、博士生导师，研究方向为工业以太网及网 络控制技术、无线传感器网络、工业无线通信技术、汽车电 子控制系统的研究。
(上接第135页
3Dick Caro,Wireless Networks for Industrial Automa- tion,/SA Press，2004。
4杨德斌，伍俊，阳建宏.无线数字传感器网络节点 ［J］,仪表技术与传感器，2007，（9。
5王平,王泉等著.测量与控制用无线通信技术[M］. 电子工业出版社,2008.3。
作者简介：王进贤，硕士研究生，研究方向为网络控制技 术、无线控制网络及其应用、无线传感器网络。
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王泉,硕士，讲师，研究方向为网络控制技术、无线控 制网络及其应用、无线传感器网络。国际传感器网络ISO/ IEC JTCi工作组专家,美国仪器仪表协会工业无线委员会 ISAl00的Voting Member。
王平，教授,博士生导师，主要从事工业以太网及网络 控制技术、无线传感器网络、工业无线通信技术、汽车电子 控制系统的研究。
戴剑波，硕士研究生,研究方向为工业无线网络控制及 其应用、无线传感器网络。
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一种无线烟雾传感器节点的设计与实现 作者： 作者单位： 王进贤， 王泉， 王平， 戴剑波 重庆邮电大学重庆市网络控制与智能仪器仪表重点实验室(重庆 400065 相似文献(1条 1。期刊论文 屠秋萍 智能化家庭安全报警系统的设计 —现代企业教育2010，"”(14 本文所设计的系统主要由单片杌和TC35i短信模块组成，借助现行最成熟可靠、最稳定的GSM无线网络,以最直观的中文短消息或电话形式，直接把报警 地点的情况反映到您的手机屏幕上。它采用主动式红外传感器进行检测，变有形的传统防盗网防盗窗为无形,可以给火灾时的逃生提供方便.并配备烟雾传 感器和燃气泄漏传感器,实现防火、防燃气泄漏的作用，是操作简便,实时性好的新型报警系统. 本文链接：http：//。cn/Conference_6800699。aspx 授权使用：蔡福瑞（wfjxlgdx,授权号：29ebdfc7—f2f5—4795—a414—9e3400b78ad9 下载时间：2010年11月20日