摘 要：设计了基于无线传感器" title="无线传感器">无线传感器网络技术的室温监测系统" title="监测系统">监测系统。该系统完成对各室内温度数据的采集、传输、存储、分析，具有低功耗" title="低功耗">低功耗、自组织特点。管理节点利用GSM网络，根据管理中心的要求发送无线传感器网络各节点温度数据及报警信息。该系统可满足供热、供冷系统对楼宇室温的监测需求。
    关键词：无线传感器网络  室温监测  自组织  低功耗

    供热、供冷系统已成为各国节能的关注重点。在以往的系统中，缺少有效、方便的温度监测系统，供应公司很难及时了解住户的室温情况，无法及时根据室温的变化进行调整，常会使供热效果不平衡，能耗明显升高；另外，如果将众多的传感器都采用电缆连接，系统的布设、维护不方便，对于远距离传输来说电缆铺设成本较高。因此，采用无线传输网络对楼宇室内温度进行监测是十分必要的。
    本文提供了一种由远程管理中心" title="远程管理中心">远程管理中心、无线传感器网络节点构成的无线室温检测系统。通过设计有效的协议和采取电源管理策略实现了低功耗设计，同时在硬件电路及软件协议等多方面保障其系统可靠性，同传统的温度监测系统相比，更具有灵活性、易操作性，同时还降低了成本。
1 系统组成
    该系统由远程管理中心和多个无线传感器节点" title="传感器节点">传感器节点组成，系统网络组成结构如图1。

             
    放置在楼宇中的无线传感器节点以自组织的方式形成网络，采集的数据经多跳传输方式传送到带有GSM模块的管理节点，数据最终由GSM模块以SMS短消息的方式传送到远程管理中心。远程管理中心以图表、曲线等多种形式统计分析数据。
2 传感器节点设计
2.1 节点硬件设计
    无线传感器节点的硬件结构框图如图2所示，其中单片机采用NEC公司的低功耗单片机μPD78F0547，该芯片具有管脚驱动能力强、睡眠电流小等特点，为系统的低功耗设计提供了条件^[4]；无线收发模块采用了Nordic公司的单片无线收发芯片nRF905，内部集成MAC层的简单协议，能够在开放频段433MHz、868MHz、915MHz中多频点切换和通信^[3]。

                        
    节点通过数字温度传感器DS18B20定期采集室内温度，实时时钟X1226能够定时唤醒处于睡眠状态的单片机，可以完成无线传感器网络的时钟同步。管理节点所带的GSM模块采用TC35i。
2.2 电磁兼容设计
    无线收发模块很容易受到数字信号的影响，电磁干扰处理不当，将会导致nRF905模块不能正常工作、传输距离短、数据错误、单片机死机等问题，因此电磁兼容性设计在射频PCB电路设计中显得尤其重要。在本系统中的节点PCB设计中，元件的布局、布线具有明显的特殊性。采取的主要措施有：布线时，为nRF905部分单独提供电源，使得传感器节点在数据收发过程中不再出现死机现象；RF铺地时，将不规则排列的过孔调整为规则排列，这使抗干扰性能得到了明显改善；将射频部分的“模拟地”与单片机部分的“数字地”单点连接，从而尽可能地减少了数字部分对射频电路的干扰。
3 系统软件设计
    低功耗无线室温监测系统的软件包括无线传感器节点软件和远程管理中心端上位机软件，系统按照所设计的网络通信协议协作完成监测功能。
3.1 网络通信协议的设计
    无线传感器节点采用软件编址方式，根据自动地址匹配功能对接收性能影响的实验测试结果，采用了统一物理地址0xAAAAAAAA以使通信误码率最低。节点的软件ID具体分配方案如表1所示。

                
    在传输中，将温度数据进行打包处理，数据帧格式如表2所示。其中，帧的类型包括传输控制帧、命令帧、数据帧等。数据帧由单片机发给nRF905之后，nRF905还自动加入字头和CRC校验码^[3]。

                
    网络协议决定了无线信道的使用方式，在功能较弱的传感器节点之间，分配有限的无线通信资源，构建传感器网络系统的基础结构^[2]。在设计无线传感器网络协议时，重点考虑了以下几方面：节省能量、网络自组织以及可扩展性的提高。
3.2 节点程序设计
    节点程序分为管理节点程序和传感器节点程序。
    管理节点程序的主要功能有：一方面，定时读取远程管理中心发来的GSM短信，解析短信的内容而提取其中的命令、报警阈值等信息，并下发给其他无线传感器节点；另一方面，管理节点按照短信中的设置，定期查询各传感器节点的温度，将收集来的指定周期时间内的温度数据和达到报警条件的温度数据打包成短信，发送给远程管理中心。
    传感器节点的程序主要由主程序、无线通信子程序、温度采集子程序、时钟控制子程序、人机交互子程序等部分组成。主程序执行完各个模块的初始化后，进入主循环等待产生中断，主程序流程图如图3所示。传感器节点主要处理睡眠定时、唤醒定时、接收到数据等中断，其中睡眠定时中断由单片机的定时器产生，唤醒中断由实时时钟X1226 产生。此外，节点还处理USB、按键等中断，通过PC联机设置节点的软件地址，或者读取节点中存储的温度数据。

                     
    nRF905无线数据通信子程序采用查询发送和中断接收的方式。无线传感器节点接收到数据帧后进行如图4所示的处理。

                    
3.3 管理中心软件的设计
    利用Visual Basic 6.0设计实现了管理中心软件。中心软件通过MsComm串口通信控件与GSM进行通信，完成对无线传感器网络的通信控制、数据管理等功能^[2]；可以对无线传感器网络返回的路由信息进行分析，以图的形式查看各房间中传感器节点的相互连接情况。还可以通过USB接口完成对各个节点的软件地址的设置；最后将监测到的报警数据进行存储、汇总、分析，以图表的形式直观显示出来。
3.4 系统的自组网控制
    为提高灵活性，此系统采用自组织方式组成网络。自组网命令由管理中心发起，管理节点从GSM短信中解析到组网命令后向传感器网络中广播，被搜索节点作为子节点从属于它所收到的第一条组网命令的源节点，然后向网络中转发自组织命令，并转入接收状态等待它的子节点返回路由信息，如果超时没有返回，就认为它没有子节点，超时阈值随级数的增加而递减。返回路由表时，将不同级节点的软件地址存放在数据包中相应的位置，以表明节点间的从属关系。最终将路由表返回至管理中心，管理中心软件以图示的形式显示出来。
4 节点的低功耗策略及测试分析
    设计低功耗无线室温监测系统时，根据实际需求，充分利用各种低功耗资源模式，尽量缩短节点工作时间，从而降低功耗。通常使用的电池实际容量与放电电流有关，放电电流较小时，电池放出的总电量明显大于标称容量，放电电流越大，电池放出的总电量越小，甚至明显小于标称容量。因此采取如下策略来降低系统工作电流，延长节点寿命。
    在硬件方面，选用低功耗、低电压器件；对于工作电流小的器件如E²PROM、DS18B20等采用引脚供电，对于功耗大而又周期性工作的部件，使用选通器件管理其电源；此外，不使用的单片机引脚按照数据手册进行设置，这对减少系统STOP模式下的电流效果显著。
    在软件方面，对单片机执行速度要求不高的进程，选用较低工作频率；利用硬件提供的支持，关闭暂时不使用的部件的电源，如E²PROM、DS18B20等；按照协议工作周期，由软件控制nRF905的工作模式，进行周期性侦听和睡眠；节点空闲状态下将单片机置于STOP模式，关闭系统时钟。
    完成系统设计后，在电池电压3.6V、nRF905发射功率为-10dBm、接收灵敏度为-100dBm的情况下，对传感器节点的工作电流进行了实际测试，结果如表3所示。假设锂电池每年自放电1%，则平均自放电电流略小于2.3μA，而从表3中看出当节点工作于低功耗模式时，最大工作电流仅为12μA，可见，设计达到了低功耗的效果。

                    
    根据表3的工作模式及工作周期，计算节点的平均工作电流为：
   
    考虑到系统长时间运行中电池的自放电因素，并为系统留有余量，假设电池可用电量为60%，由公式(1)的结果以及表3得到：当系统以10分钟为周期对室温进行监测时,用一节AA型锂电池的电量2Ah可维持节点工作一年以上，达到了设计要求，其计算公式如公式(2)所示。
   
    本系统基于nRF905以自组网的方式设计实现了楼宇内室温监测系统，网络兼容3级，可容纳200多个节点。实验表明，各传感器节点在空旷地传输距离超过100m；在钢筋混凝土结构的楼房中，节点可在相邻楼层、相邻的房间之间进行可靠的通信，管理节点能够及时地将温度数据通过GSM模块发送至远程管理中心，远程管理中心将温度数据以数据库形式存储，并可供用户以图表的形式查询、分析。该系统达到了设计要求，还可应用于仓库储存等许多需要温度监测的场合。
参考文献
[1] 金保华,张勇，崔光照.基于nRF905的无线数据多点跳传的通信系统[J].仪表技术与传感器,2004，(9)：39-40. [2]  戴喜明,袁涛,吴定雪,等.基于GSM/GPS/GIS车辆状态监控系统的设计与实现[J].微计算机信息,2006,22(25):246-248.
[3] 孙利民,李建中，陈渝，等.无线传感器网络[M]. 北京:清华大学出版社,2005.
[4] Nordic公司单片无线收发器nRF905用户数据手册.2004.
[5] NEC公司单片单片机?滋PD78F0547用户手册.2006.