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本文作者：李琦1張坤1李旭東2作者單位：1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院2.天津航天機(jī)電設(shè)備研究所

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)監(jiān)控中心和若干個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)組成。傳感器節(jié)點(diǎn)安裝在需要采集數(shù)據(jù)的小區(qū)建筑物屋頂，匯聚節(jié)點(diǎn)安裝在熱力站，它們共同組成傳感局域網(wǎng)，每個(gè)傳感局域網(wǎng)內(nèi)部都由一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)和多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成，傳感器節(jié)點(diǎn)開機(jī)后自動(dòng)組成以匯聚節(jié)點(diǎn)為根節(jié)點(diǎn)的樹狀分級(jí)網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)采集的小區(qū)客戶端工況數(shù)據(jù)通過無線方式匯聚到數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器匯聚節(jié)點(diǎn)，熱力站傳感器采集熱力站內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)工況數(shù)據(jù)由現(xiàn)場(chǎng)總線匯聚到數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)借助GPRS網(wǎng)絡(luò)將兩種網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)最終發(fā)送至Internet網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)控中心服務(wù)器通過訪問Internet獲得數(shù)據(jù)。監(jiān)控中心服務(wù)器通過防火墻接入Internet，借助GPRS網(wǎng)絡(luò)與數(shù)個(gè)傳感局域網(wǎng)相連。監(jiān)控中心以遠(yuǎn)程采集到的各熱力站用戶端溫度及壓力等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行熱網(wǎng)的工況調(diào)度，使整個(gè)熱網(wǎng)熱負(fù)荷趨于平衡。此協(xié)議棧采用8位短地址，理論上最大網(wǎng)絡(luò)規(guī)模為256n個(gè)節(jié)點(diǎn)(n為傳感局域網(wǎng)的個(gè)數(shù))。上述遠(yuǎn)程熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)涉及現(xiàn)場(chǎng)總線通信技術(shù)、GPRS技術(shù)和因特網(wǎng)技術(shù)，筆者將詳細(xì)討論熱網(wǎng)監(jiān)控中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與其硬件支持。

1無線通信模塊選型

1．1nRF905無線通信模塊①

由于城市小區(qū)客戶端具有分布范圍廣，遮擋密集，客戶端逐年增加的特點(diǎn)，十分適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。2．4GHz頻段雖然具有帶寬的優(yōu)勢(shì)，但其通信距離和繞射能力達(dá)不到應(yīng)用的要求，而實(shí)驗(yàn)證明433MHzISM免費(fèi)頻段具有良好的繞射性，采用普通的天線類型和高度就可以達(dá)到本應(yīng)用需要的傳輸距離，而且不需要很大的發(fā)射功率。無線通信模塊nRF905可以工作于433MHz、868MHz和915MHz3個(gè)頻段，它不兼容IEEE802．51．4標(biāo)準(zhǔn)。具有GFSK抗干擾調(diào)制方式，500m開闊傳輸距離和50kb/s的傳輸速率。同時(shí)，可設(shè)軟件和硬件地址、內(nèi)置硬件CRC校驗(yàn)，并具有4種工作模式:兩種活動(dòng)模式(RX/TX)和兩種節(jié)電模式［1，2］，這些特點(diǎn)大大方便了用戶的使用。

1．2EM310GSM模塊

華為公司生產(chǎn)的GSM模塊EM310支持M900MHz/DCS1800MHz雙頻，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧。與西門子MC55模塊功能相近、管腳兼容。相對(duì)MC55，EM310擁有－30～75℃的極限工作溫度、軟件休眠及高性價(jià)比等優(yōu)勢(shì)。EM310支持標(biāo)準(zhǔn)AT命令、華為自有的功能強(qiáng)大的AT命令和華為專有的數(shù)據(jù)透?jìng)鰽T命令，筆者用于設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)匯聚節(jié)點(diǎn)的GPRSDTU部分。華為EM310模塊采用TERM_ON單腳控制模塊開關(guān)機(jī)，在EM310模塊正常供電的情況下，TERM_ON信號(hào)為低電平，維持50ms左右，3s后EM310模塊正常開機(jī)工作，相反的電平維持50ms為關(guān)機(jī)，這不同于MC55的雙引腳開關(guān)機(jī)。此外，華為EM310的RESET引腳非常靈敏，在PCB布板的時(shí)候走線要限制在2cm之內(nèi)。值得注意的是VDD-I/O引腳的使用，它是EM310模塊內(nèi)部串口輸入輸出信號(hào)電平轉(zhuǎn)換電路的供電電壓，應(yīng)該與DTE接口電平保持一致，并且要與TXD上所接電阻匹配，圖1所示為EM310串口原理示意圖，調(diào)好EM310的串口對(duì)完成GPRSDTU的數(shù)據(jù)透?jìng)鞴δ芊浅Ｖ匾?。EM310應(yīng)用除串口以外就是SIM卡的外圍電路，圖2所示為本設(shè)計(jì)的SIM卡接口。這里需要增加SIM-VCC與GND之間的預(yù)留電阻焊盤位置，并與0．1μF的電容并聯(lián)，用來防止偶爾有SIM質(zhì)量或者工藝的原因造成的SIM卡不識(shí)別，此電阻可以解決此類問題。此外，SIM卡口速率典型值在3．25MHz左右，因此要求SIM卡座應(yīng)放置在距離模塊接口較近的位置，走線一般不要超過10cm，過長(zhǎng)的走線，使波形嚴(yán)重變形，會(huì)影響信號(hào)的通信。另外IM-CLK和SIM-IO信號(hào)走線需要地線包絡(luò)。

2匯聚節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

2．1微處理器的接口設(shè)計(jì)

匯聚節(jié)點(diǎn)以ST公司基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32RBT6單片機(jī)為主控制器。圖3所示的硬件設(shè)計(jì)電路中匯聚節(jié)點(diǎn)采用8～40V直流電源供電，設(shè)計(jì)了USB、RS-232、RS-485、E2PROM及JTAG等接口電路。E2PROM用于存儲(chǔ)參數(shù)配置信息等需要掉電存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。控制器的串口1與GSM模塊EM310相連，與其進(jìn)行數(shù)據(jù)通信與交互;串口2可以與PC機(jī)相連，用于顯示EM310模塊參數(shù)配置菜單和用戶對(duì)EM310模塊的參數(shù)配置，同時(shí)也方便了協(xié)議棧組網(wǎng)調(diào)試工作。USB接口的設(shè)置是另外一種更加簡(jiǎn)便的協(xié)議棧組網(wǎng)調(diào)試接口。RS-485總線作為熱力站現(xiàn)場(chǎng)總線的有線數(shù)據(jù)接入接口，顯然采用這種數(shù)據(jù)匯聚的方式的網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上采用GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)匯聚方式。人機(jī)界面選用256×64像素的LCD，用于顯示配置信息和數(shù)據(jù)信息。

2．2匯聚節(jié)點(diǎn)電源模塊

由圖4可知，匯聚節(jié)點(diǎn)電源模塊供電范圍為8～40V;輸出電壓為4．2～3．2V，分別采用電源轉(zhuǎn)換芯片LM2576ADJ和LM1117。其中為EM310模塊提供4．2V供電電壓，為主控芯片STM32、無線通信模塊nRF905、TTL電平以及RS-232電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232、E2PROM(AT24C04)和MAX485芯片提供3．2V供電電壓。

2．3GPRS數(shù)據(jù)透?jìng)鲉卧?GPRSDTU)

GPRSDTU模塊硬件包括個(gè)5部分:CPU控制部分;無線通信模塊部分;電源部分;存儲(chǔ)器件部分和SIM卡;天線部分。CPU芯片選擇的是48腳的STM32F103CBT6。主控芯片與EM310無線通信模塊的控制主要包括:開機(jī)引腳TERM_ON、復(fù)位引腳RST和EM310需要外接電源指示燈來指示供電狀態(tài);EM310模塊工作狀態(tài)指示燈來指示EM310模塊的工作狀態(tài)。初次使用EM310模塊時(shí)，為了便于單獨(dú)對(duì)EM310串口通信進(jìn)行調(diào)試，外接EM310模塊與STM32主控芯片串口是非常好的選擇。EM310模塊開機(jī)成功，此串口顯示:“AT-CommandInterpreterready”或者“插入SIM卡”，撥打號(hào)碼可聽到呼叫等待音，證明EM310工作正常。EM310模塊外圍電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3普通傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

3．1微處理器的接口設(shè)計(jì)與元器件選擇

傳感器節(jié)點(diǎn)有6路模擬量采集通道，其中4路電流信號(hào)輸入，兩路電壓信號(hào)輸入。傳感器節(jié)點(diǎn)的元器件選擇需要依照成本低、體積小和功耗低的原則，電源管理芯片選擇高效率開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器LM2596，其轉(zhuǎn)換效率高達(dá)73%。

3．2太陽能供電模塊與安裝

一天的24h內(nèi)有日照的時(shí)間傳感器節(jié)點(diǎn)有太陽能板的持續(xù)充電，所以鋰電池的容量選擇需要滿足無日照時(shí)間獨(dú)立供電的需求。筆者設(shè)計(jì)的無線自組織網(wǎng)絡(luò)為了節(jié)省能量傳感器節(jié)點(diǎn)，采用定時(shí)采集發(fā)送數(shù)據(jù)、空閑時(shí)間休眠的工作方法。匯聚節(jié)點(diǎn)為市電供電并不需要這么做，它可以長(zhǎng)時(shí)間處于工作的狀態(tài)，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中起到協(xié)調(diào)作用。根據(jù)表1傳感器節(jié)點(diǎn)的工作特點(diǎn)和主要元器件的功耗粗略地計(jì)算沒有日照的耗電量:在這里假設(shè)沒有日照的時(shí)間為12h，并設(shè)定5min發(fā)送一次數(shù)據(jù)，估算每次網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間為1min，單個(gè)節(jié)點(diǎn)需要消耗的能量為:144(0．5+30)×1/60+(0．016+0．0025)×(12－2．4)=73．5mA/h，這里并沒有考慮傳感器的耗電和電路板上其他元器件的耗電。供電模塊采用3A•h的3．7V雙節(jié)AA鋰電池串聯(lián)供電，足夠保證日照不充足和計(jì)算外的耗電的情況下傳感器節(jié)點(diǎn)正常工作。選用9V，120mA太陽能板8．4V充電，太陽能板大小為120mm×120mm。供電芯片選用雙節(jié)鋰電池充電芯片BQ2057的W系列。BQ2057的充電分為3個(gè)階段:預(yù)充狀態(tài)、恒流充電和恒壓充電。充電電路如圖6所示［3］。為了更好地將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，太陽能板安放角度很重要，但傳感器節(jié)點(diǎn)并不能做到自動(dòng)調(diào)節(jié)方位角和傾角。方位角固定選擇正南，傾角綜合緯度和角度選擇40°。

4結(jié)束語

筆者提出一種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合和多種通信方式共存的遠(yuǎn)程熱網(wǎng)監(jiān)控的理論，并詳細(xì)敘述了小區(qū)熱網(wǎng)客戶端無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)計(jì)部分。硬件支持嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II的移植，基于433MHz通信頻段使節(jié)點(diǎn)在城市和山地的環(huán)境下仍然具有良好的通信距離，初步測(cè)試無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件的設(shè)計(jì)可以滿足應(yīng)用的需求，并與其他熱網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)部分正常通信。