基于单片机的无线传感器网络节点制作及组网设计方案

　　1． 引言

　　早在上世纪70年代，就出现了采用点对点传输、连接传感控制器而构成的传感器网络雏形，我们把它归之为第一代传感器网络。随着相关学科的不断发展和进步，传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力，并通过与传感器控制器的相联，组成了有信息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。到了20世纪90年代后期，随着传感器技术的发展，智能传感器采用现场总线连接传感控制器构成局域网，这就是第三代传感器网络。现在，传感器网络以无线传感器网络为标志，它正处于研究和发展的阶段，我们称之为第四代传感器网络。无线传感器网络是新一代的传感器网络，可以应用在军事：环保，医疗以及空间探索等许多领域，可以说它具有非常广泛的应用前景。

　　2． 无线传感器网络硬件设计

　　2.1 无线传感器网络模型　　　　　　　

　　无线传感器网络节点以自组织形式构成多跳级中继的分级结构网络，这不同于基于传统无线网络的无基础设施网,通过在监测区域内设置多个传感器节点（简称节点）,由各节点自行协调并迅速组建通信网络,按照一定原则进行工作任务划分以获取监测区域物理信息。我们所说的网络的自组织特性是指当节点失效或新节点加入时网络能够自适应重新组建,个别节点即使出现问题也不会影响全局，即网络中的各节点除具备数据采集功能外兼有数据转发实现多跳的路由功能。

　　2.2 无线传感器网络节点的构成

　　典型的无线传感器网络节点由电源，数据获取单元DAU，数据处理单元DPU，数据发送和接受单元DRSU组成。数据获取单元由传感器进行监测区域内待测对象的信息采集; 数据处理单元实现数据的分析、处理和存储等功能; 数据发送和接受单元负责低功耗短距离节点间通信; 电源单元选取小型化、高容量的电池,以确保节点的长寿命和微型化。具体节点设计如下图所示

　　2.2.1 数据发送和接收单元

　　数据发送和接收单元采用国内生产的STR系列微功率无线射频通信模,其主要特点是: (1)最大发射功率10mW。(2)高抗干扰能力和低误码率。(3)传输距离远。在视距情况下，天线高度>2米,可靠传输距离可达300-400m(BER=1200bps)。(4)双串口，3种接口方式。STR系列提供2个串口3种接口方式，COM1为TTL电平UART接口。COM2由用户自定义为标准的RS-232/RS-485口。

　　2.2.2 数据处理单元

　　数据处理单元采用集成度高、功能丰富、超低功耗的8位单片机－AT89S系列单片机。丰富的片内外设、节能、多种工作模式和对C语言程序设计的支持,使得Atmel89S系列单片机非常适合于应用在嵌入式系统中。Atmel89S系列单片内部集成看门狗、两个16位定时器/计数器、一个串行通信接口，32条输入输出线，带有4KB Flash和128B内存。其作用是实现对数据处理，包括以下功能：

　　（1） 控制无线传输模块，为其提供两条单向传输线（串行口）进行数据传输；

　　（2） 实现了对传感器的数据采集，把传感器传入的数据作为输入进行处理后输出相应的控制信号；

　　（3） 对传输数据的处理，如检错校验，使得传输的效率和可靠性大大提高；

　　（4） 与上位机进行通信，执行相应的命令并且具有对数据和命令转发的功能；

　　（5） 自动监测的功能，在没有相应命令执行期间，能自动执行监测并向上位机发送信号，告知上位机检测区域的状况。

　　2.2.3 数据获取单元

　　数据获取单元采用国内厂家生产的MQ系列的CO浓度传感器－采用高低温循环检测方式低温检测一氧化碳，传感器的电导率随空气中一氧化碳气体浓度的增加而增大，高温清洗低温时吸附的杂散气体。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。此传感器对一氧化碳的灵敏度高，这种传感器可检测多种含一氧化碳的气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。它不但对一氧化碳具有很高的灵敏度和良好的选择性，而且具有使用寿命长和高稳定性的优点。

　　2.2.4 电源

　　电源部分我们采用5V供电，控制器部分我们集成电压转换电路，直接可以接入220V居民用电网络当中，这样增强了此网络传感器系统的便捷性。

　　2.3 数据汇集点

　　我们所设计的传感器网络要想把内部信息与外部网络进行交换,必须通过数据汇集点,它接收下位机传输的数据并进行校验以验证数据的正确性,再增加特定的数据帧,以使外部网络能够识别我们所传送的数据,然后把数据发送给我们要进行数据交换的网络,同时它也接收可识别的外部网络所传入的信息,并对信息进行解析,把它变成本网络可识别的命令和数据。我们所设计的数据汇集点可由上位PC机与无线通信适配单元组成,也可以单独增加汇集点,在网络传输数据不是很复杂的情况下我们选择前者。

　　3．无线传感器网络软件设计　　　　　　

　　由于我们采用的微处理器支持C语言,这就大提高了软件设计开发的工作效率。传感器节点的工作流程图(我们采用中断接收,查询发送,增加传输效率)如图3所示。上位机作为控制中心必须具备网络唤醒、数据处理、网络维护等功能。上位机的软件程序流程图(采用查询方式进行数据传输)如图4所示。

　　4．网络通信协议的设计

　　在无线传感器网络设计当中,通信协议的设计很大程度上决定了我们设计的成败,第一步我们要考虑如何设计切实可用的帧结构;第二步为了增强网络传输的可靠性，我们要采用纠错的措施,并且还要有握手信号以便使上位机和所有节点能相互通信,下位机可以主动呼叫上位机,告知其监测区域的情况任何,上位机能根据监测数据发命令告诉下位机采取什么样的动作。

　　4.1 帧结构设计　　　

　　无线通信中,由于外部环境干扰,通信误码率很高,因此通信协议的设计对保证通信的可靠性十分重要。对于通信协议而言,最重要的就是帧结构的设计,可以复杂可以简单,但要与我们所设计系统要达到的目标相符合,这里我们采用了6字节作为一帧数据,包括：起始字节，地址字节，命令字节，校验字节和结束字节。

　　4.2 纠错和握手信号设计

　　对于无线通信而言,提高通信可靠性的另一方面就是对传输数据进行检错。为了高效无差错传输数据，

　　必须对数据进行检错，当传输距离较远或采用无线传输时，这就更为重要了。我们这里综合考虑采用按位计算CRC码的方法进行纠错, 从性能和开销上考虑，采用CRC校验算法远优于奇偶校验和算术和校验等方法。

　　5．总结

　　本文作者创新点: 第一，最大的创新点在于软件设计的中继功能，这在工程实际应用领域意义重大，因为中继的功能是使我们所设计的系统能够在不利于通信的环境下进行安全可靠的通信，当监测中心因为环境或距离的原因不能够和某些节点通信时，可以采用中继功能，使一些通信良好的节点作为中继节点进行信息转发，从而保证整个网络可靠的进行通信。第二，是把无线传感器网络应用于工业监控系统，以前的监控节点一般都是独立工作的，不能组网。现在利用无线传感器网络使监控系统组网，大大加强了监控效果；第三，为了保证通信的安全可靠性我们采用了较为复杂的校验算法CRC；第四，充分利用了单片机的多机通信的功能，很好的完成了组网，监控的功能，成本很低，可以说性价比很高。

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