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化工生产过程中无线传感网络节点的应用与设计
岳耀宾 孟祥忠
青岛科技大学自动化学院 山东青岛
266042
摘要：介绍了无线传感器网络及其在工业领域中的具体应用；针对化工生产过程，介绍了温度及压力参数的无线传感器网络采集系统；采用80C51BH单片机及无线收发器CC1000设计了网络节点的硬件部分，并完成了相关的软件设计。
关键词：无线传感网络；网关节点；微处理器；CC1000
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引 言
无线传感器网络是指在环境中布置的传感器节点以无线通信方式组织成网络，传感器节点完成一些数据采集工作，节点通过传感器网络将数据发送到网络中，并最终由特定的应用接收。无线传感器网络把信息提取、信息传输、信息处理的工作都集成到一个芯片或单板上来完成[1]。传感器节点集成传感器件、数据处理单元和通信模块，并通过自组织的方式构成网络。借助于传感器节点中内置的形式多样的传感器件，可以测量所在周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号等信号，它是一种全新的信息获取和信息处理模式。
温度及压力是化工生产中既普遍而又重要的工艺参数。本文运用无线通信技术设计了基于无线传感器网络的参数采集系统，并对其关键技术作了必要的说明。
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无线传感网络的结构组成及其功能
无线传感器网络的体系构建（图1所示）一般包括分布式传感器节点(群)、Sink节点、互联网和监控中心等。
在无线传感器网络中，节点可以大量部署在感知对象内部或者附近，这些节点通过自组织方式构成无线网络，以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域中特定的信息，可以实现对任意地点信息在任意时间的采集，处理和分析。这种以自组织形式构成的网络，通过多跳中继方式将数据传回SINK节点(接收发送器)，最后借助SINK链路将整个区域内的数据传送到远程控制中心进行集中处理。在无线传感器网络中绝大多数的节点只有很小的发射范围，而SINK节点的发射能力较强，具有较高的电能，可以把数据发回远程控制节点。
无线传感器网络与传统网络相比有一些独有的特点，其基本特点包括以下几个方面:
（1）由于无线传感器网络节点的微型化，每个节点的通信和传感半径很有限，所以往往通过铺设大量的传感器节点来保证网络的质量。
（2）由于无线传感器网络可能工作在恶劣的外界环境之中，网络中的节点可能会由于各种不可预料的原因而失效，为了保证网络的正常工作，要求无线传感器网络必须设计成具有一定的容错能力，允许传感器节点具有一定的故障率。
（3）由于传感器节微型化，节点的电池能量有限，所以传感器节点的能量限制是整个无线传感器网络设计最关键的技术之一。
（4）同时网络节点的计算能力非常有限，所以不可能实现复杂的网络协议；而且节点之间的带宽也是非常珍贵的资源。
因此，研究者们的重点是在网络系统的各个层提供新的基于能量优化的解决方法，包括:物理层(如收发器设计)，数据链路层(打包和封装)，媒体访问层(多用户通信)，网络/传输层(路由和聚合方法)，会话/表示层(实时的分布式OS)，以及应用层。
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传感器网络节点模块的硬件设计
无线传感网络节点可以充当数据采集者、数据中转站的角色。作为数据采集者，数据采集模块收集周围环境的数据(温度、压力)，通过通信路由协议直接或间接将数据传输给网关节点；作为数据中转站，节点除了完成采集任务外，还要接收邻居节点的数据，将其转发给距离Sink更近的邻居节点。
2.1
节点硬件结构
本文节点模块设计包括传感器、微控制器和无线收发器等三部分，硬件电路主要由主机模块、电源模块、存储单元、通信模块和传感单元组成，如图2
所示。
节点功能是把需要采集的温度和压力等参数通过传感器和采样保持电路送入A/D转换器，A/D转换器把数字信号送往微处理器，微处理器主要起控制作用，包括发送接受控制信号、提供系统的时序和数据的暂时存储作用。微处理器把接收到的数字信息送入无线收发器，无线收发器可以与其他的节点或是网关节点进行无线通讯。最后可以把节点的数据送入PC机进行集中的管理和监视。由于无线收发器的传输距离比较的近，因此每个节点不但承载这把本节点的数据通过无线通讯把节点数据送入PC机的功能，同时也承担了帮助临近节点把数据送入PC机的功能，因此无线通讯模块通常采用同时具有收发功能的芯片。这样的芯片很多，像Nordic公司研制的单片UHF无线收发芯片nRF401、Nordic公司的单片UHF多段无线收发芯片nRF903、以及本文采用的Chipcon公司推出的单片可编程RF收发芯片CC1000等，都可以作为无线传感网络节点的无线收发器。
2.2
无线通信模块的设计
无线传感器网络的节点之所以称无线是因为有无线通讯模块，可以把从现场采集的信号通过无线通讯的方式采集到指定的站点上。如果无线通讯的距离很远的话，每个节点的无线通讯模块只需要发送本节点的信息就可以了，但是节点的通讯模块的通讯距离很近，这样就决定了每个节点在发送本节点的数据之外还要承担着把临近节点的数据传到下一个临近节点的任务，因此，无线通讯模块应选择同时具有收发功能的无线收发器。本文选择由Chipcon公司生产的CC1000无线收发器。
CCl000是根据Chipcon公司的SmartRF技术，在0.35μmCMOS工艺下制造的一种理想的超高频单片收发通信芯片。它的工作频带在315、868及9l5MHz，但cc1000很容易通过编程使其工作在300-1000MHz范围内。它具有低电压(2.3-3.6V)，极低的功耗，可编程输出功率(-20-l0dBm)，高灵敏度(一般一109dBm)，小尺寸(TSSOP一28封装)，集成了位同步器等特点。其FSK数传可达72.SKbPs，具有25OHz步长可编程频率能力，适用于跳频协议；主要工作参数能通过串行总线接口编程改变，使用非常灵活。
下图给出了CC1000与微控制器的接口电路。
该微控制器使用3个输出端与CC1000
3线串行接口(PDATA , PALE,和PCLK)相连，一个双向口与CC1000的DIO端相连以进行数据的发送和接收。完成CC1000的一个完整的设置需要发送29个16位一帧的数据。对于每一个写周期，每帧16位数据都被发送在PDATA线上，第一个字节为地址和读/写控制(0-6是地址位，一个读/写位)，第二个字节为数据。当发送地址时，PALE有效。PDATA上的位数据是在PCLK的下降沿被装入的，当最后一位数据装入CC1000芯片内的控制器后，则可由控制器来完成CC1000的工作状态的设置。
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网络节点通信程序的编写
节点在执行完必要的任务以后就可以进入节能模式。在进入节能模式后，如果监控中心需要访问该节点，就可以通过射频模块再次唤醒该节点的单片机。系统一旦进入节能模式，通过电源管理电路，将除单片机、射频模块以外的电路全部断电，同时单片机的时钟也要冻结，这时只有单片机的串口中断逻辑和射频模块消耗电能，可以最大限度的节约电能。收发主控制流程图如下。
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结
语
无线传感网络集成了传感器技术、计算技术和通信技术，相互交叉渗透而成为现实，能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理，具有十分广阔的应用前景，尤其是在工业领域[3]。无线传感器网络的研究和设计，目前而言还是个比较前沿的科技发展方向，有着非常广阔的应用背景。
参考文献：
1.
陈涛,刘景泰,邴志刚.无线传感网络研究与运用综述[J].自动化与仪表,2007(5)
2.
盛超华,陈章龙.
无线传感器网络及应用[J].微型电脑应用,2005,21(6):10-13
3. 牟连佳.无线传感网络及其在工业领域应用研究[J].工业控制计算机,2005.18(1) |
