1、技術探討 TECHNICAL EXPLORATION一種無線煙霧傳感器爺點的設計與霧現The Design and Implementation of Wireless Smoke Sensor 王進賢王泉王平戴劍波重慶郵電大學重慶市網絡控制與智能儀器儀表重點實驗室(重慶400065摘 要:無線傳感器網絡是當前信息領域中研究的熱點之一,可用于特殊環境實現信號的采集、處理和發送; 介紹無線煙霧傳感器節點的設計與實現,以CC2430芯片為核心,利用煙霧傳感器設計硬件電路,并 通過無線收發模塊與網絡協調器和上位機通信迭到實時監控;討論和提出煙霧傳感器節點的低功耗 設計并描述系統的軟件架構及實現方法。

2、系統具有較高的實用性和可靠性,成本低,功耗低,具有良 好的應用前景。關鍵詞:工業無線煙霧傳感器低功耗可靠性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 implementationof a wireless smoke sensor nodes on the basis of CC2430an

3、d using of smoke senso璐Hardware circuit,wireless transceiver modules through coordination with the network and host computer communication to achieve realtime monitoring,and discuss the lowpower of smoke sensor nodes and design description of the system software architecture and implementation,the s

4、ystem has more high utility and reliability,low cost,low power consumption,has a good prospect.Key words:Wireless industry Smoke sensor Lowpower Reliable communication1系統結構本無線煙霧傳感器節點主要由兩部分組成:煙霧 傳感器采集部分、無線傳輸部分。傳感器采集部分主 要負責將外界環境中的煙霧濃度采集進來,采集部分 所得到的信號會隨著外界煙霧濃度變化而變化,煙霧 傳感器所測量的模擬量,經過調理電路送至無線傳輸 部分進行處理。無線傳

5、輸部分負責將傳感器采集到的 實時數據發送到無線網絡協調器,然后轉發給上位機 實現對數據的顯示與監控。系統功能模型如圖1所 示。2008年增刊中閱俄囂坂表TECHNICAL EXPLORATION傳感器 采集部分 :I煙霧I. .I電源管l;I傳感器r l理部分I:l 1Li l蠢I 無線I通信芯片l:l tl 土 土!甌夜習 爵:I選魚墮廣圖1系統功能模型輸部分天線監測f臺2系統硬件設計無線煙霧傳感器節點硬件電路主要由數據采集單 元、數據處理和傳輸單元、電源管理單元3部分組成。 2.1數據采集單元從低成本、高性能等角度出發,本方案選用一種 半導體氣體煙霧傳感器一MS5100。MS5100有著體

6、積 小、感應靈敏度高、穩定性良好、反應時間快速,對煙 霧、碳氫化合物和氧化物有很強的靈敏度等諸多優 點。煙霧傳感器采集電路如圖2所示。出信號圖2煙霧傳感器采集信號電路圖中:Vcc為外部電源,V。為加熱電源,Rs為傳 感器電阻,R。為上拉電阻,Vout為輸出電壓。本系統 應用時Vcc和VH取5V的電源,Rs的取值范圍是85k 一3255kll,其阻值會隨外部的煙霧濃度的變化而變 化,所以傳感器測量原理如下:當測到外部的煙霧時, 傳感器的電阻如會發生變化,此時的電阻Rgas和在 空氣中的電阻lair的比值和外部煙霧濃度的關系曲 線圖如圖3所示,改變R?？梢哉{節輸出電壓,以便更 好地測出煙霧濃度值。

7、2.2數據處理和傳輸單元處理器芯片是整個傳感器節點的核心,它的選擇 中閱懨鴛彳承喪2008年增干U技術探討圖3傳感器阻值比與煙霧濃度關系曲線圖在節點設計中直接關系到整個系統的性能和使用壽 命,綜合考慮低功耗、高發射功率、接收靈敏度、收發 芯片所需的外圍元件數量、芯片成本、集成度等各種 性能指標。本設計采用,I'I公司生產的CC2430射頻 芯,它在單個全面芯片上整合了ZigBee射頻RF前 端、內存和微控制器。它使用了1個8位的高性能和 低功耗的8051微控制器核,具有128kb可編程閃存 和8kb的RAM,還包含一個模擬數字轉換器(ADC、 看門狗定時器(Watchdog timer

8、、32kHz晶振的休眠 模式定時器、上電復位電路(Power on Reset、掉電檢 測電路等。傳感器將采集到的信號通過調理電路后直接傳人 CC2430內置的A/D轉換器接口。該A./D轉換器可軟 件編程轉換精度,其精度814位,將模擬信號轉換 成數字量后,經過軟件協議棧中的物理層、MAC層、 數據鏈路層、網絡層、傳輸層、應用層依次加載,完成 一次信號采集處理。數據傳輸部分主要利用2.4G單端天線,配合 CC2430的TX/RX開關引腳來控制選擇發送信道或者 接收信道。CC2430內部T/R交換電路完成LNA和PA 之間的交換。信號輸出經過個非平衡變壓器,這樣連 接非平衡變壓器可使天線性能更

9、好,如圖4所示。 電路中的非平衡變壓器由電容c:。和電感LJ、k、 L2以及一個PCB微波傳輸線組成,整個結構滿足RF 輸入/輸出匹配電阻(501的要求。這樣使得信號傳 輸中間理論上沒有信號反射發生,可以到達天線的信 號功率最強。133技術探討 TECHNICAL EXPLORATION 圖4無線通信模塊原理圖CC2430無線接收器是一個低中頻的接收器,從 天線接收到的射頻信號,首先經過低噪聲放大器,然 后正交下變頻到2MHz的中頻上,形成中頻信號的同 相分量和正交分量。兩路信號經過濾波和放大后,直 接通過模數轉換器轉換成數字信號,再以數字信號的 形式進行后續的處理,如自動增益控制、最終信道選

10、 擇、解擴以及字節同步等,最終恢復出傳輸的正確數 據。要發送的數據先被送人CC2430芯片中的128字 節的發送緩存器,頭幀和起始幀是通過硬件自動產生 的,所要發送的數據流的每4位被32碼片的擴頻序 列擴頻后送到DA變換器。然后,經過低通濾波和上 變頻的混頻后的射頻信號最終被調制到2.4GHz的設 定信道上,并經放大后送到天線發射出去。同時為了有效地降低節點功耗,可使傳感器節點 在空閑時進入超低功耗睡眠模式,在接收和發射模式 下,電流損耗分別低于27mA和25mA。而在休眠模 式時僅0.9¨A的損耗,外部的中斷或RTC能喚醒系 統,使節點周期性地在工作模式和睡眠模式間切換, 可以很大

11、程度上降低功耗。本系統中同時采用32MHz 和32.768kHz的雙石英諧振器模式,32MHz用于 CC2430無線芯片高速運行時,32.768kHz在系統休 眠時啟用。 2.3電源管理單元電源管理是工業無線通訊應用中的一個關鍵問 題,電源處理得好壞直接影響到整個系統的工作和使 用。要解決這個問題,硬件上就應該從工作芯片的低 功耗的選型和電池體積和容量兩方面綜合來考慮。圖 5是整個系統的電源管理電路框圖。圖5電源霄理電路框圖由于鋰電池具有電壓高、體積小、能量密度高、 放電曲線平緩、可循環使用等優點,因此設計方案選 取電池為1040mA鋰充電電池,并設計了相應充電電 路,從而本傳感器節點可以頻繁

12、、持續的使用。MAXl555芯片作為充電芯片,提供較靈活的電源 輸人口。腳為USB輸人口,電壓范圍是3.76V,可以 直接從USB接口接人對電池充電;腳為DC電源輸入端,可以外接電源適配器對 2008年增刊中閱俄霹懨喪TECHNICAL EXPLORATION電池進行充電,而且腳、腳的電壓可以自動切換。 腳為充電狀態指示,在充電期間為低電平,可 以連接一個LED指示其工作狀態。MAXl555最終的 充電電壓為4.1V,上下浮動0.5%,快速充電的時候 可以達到最大300mA的電流。MAX8881是一種微功耗穩壓芯片,將電池提供的 電壓穩定成CC2430模塊工作所需的標準的3.3V直 流電壓。其

13、帶負載能力可以達到200mA,完全可以滿 足CC2430的工作要求。MAX684是一種DC/DC升壓轉換芯片,將電池提 供的電壓轉換成煙霧傳感器工作所需的5V直流電壓。 其帶負載能力完全可以滿足傳感器的工作要求。3軟件設計系統的軟件設計主要由3部分組成:無線協議棧 主程序,A/D轉換程序,定時器中斷程序。無線協議 棧主程序主要包括無線協議棧的相關部分初始化處理 與節點相關信息處理。定時器中斷服務程序主要是控 制無線傳感器采集外界數據的時間,根據實際需求來 設置定時器的計數初值,從而達到對數據采集的時間 間隔進行控制,每間隔一段時間進行一次數據采集。 A/D轉換程序主要是通過無線傳感器采集得到的

14、模擬 數據進行數據轉換處理。A/D轉換精度可根據實際需 要設置,本設計考慮實際需要,精度選擇為14位精 度。軟件部分實現的主要功能是CC2430無線芯片通 過設定定時器的計數初值時間,定時產生中斷,對采 集而來的數據進行A/D轉換,并對A/D轉換后的數 據進行判斷處理(如錯誤數據和正常采集數據后,通 過RF將數據發送到上位機。軟件部分主要流程如圖 6所示。整個系統的運行過程:首先進行初始化操作,具 體為端口配置初始化,定時器與無線協議棧初始化, 時間觸發到時進人數據采集程序,A/D轉換結束,對 得到值進行判斷,進入相應的數據服務類型處理;數 據的發送處理考慮到節點節能處理,對數據進行緩存 處理

15、,如數據變化不大,則只發送一個數據標識,并 不發送整個數據,通過減少字節傳輸來降低能耗。設中閱俄囂俄喪2008年增刊技術探討圖6主程序流程圖計時考慮到應用場合的安全性,系統軟件采取周期性 采集的工作模式,當無線接收模塊接收到采集數據后 將會處理為實際物理意義數據,然后進行發送。最 后,數據采集完畢后自動返回檢查自身網絡狀態。4結束語本文介紹了基于無線網絡的煙霧傳感器節點的設 計。該無線煙霧傳感器網絡節點能夠通過無線網絡實 現對現場煙霧參數的實時檢測。經過近2個月的實驗 以及現場測試與分析,可以證明,本系統已經取得了 較好的監測效果,測量基本符合實際的結果。該系統 結合了無線傳感器網絡具有的低功

16、耗、低成本等獨特 優勢,在煙霧預測領域具有很好的應用前景。參考文獻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 1451ProtocolJ.IEEE Sensors Applications Sympo sium,79February 2006.(下

17、轉第125頁 、135TECHNICAL EXPLORATlON圖4系統軟件流程圖查和研究工作,充分考慮到了系統運行的每個環節和 各種惡劣應用現場環境。在低功耗、遠距離傳輸方面 作了特別處理,經測試功耗和射頻增益均符合理論值 要求。在實際測試過程中,系統運行比較穩定,測量符 合實際的結果,完全達到了對瓦斯氣體濃度的無線監 測。隨著無線技術在工業應用中低功耗、遠傳輸距 離、高可靠性等一系列關鍵問題的解決,其應用路線 將會越來越明晰。技術探討參考文獻l Darold Wobschall.A Wireless Gas Monitor with IEEE 1451ProtocolJ.IEEE Sens

18、ors Applications Sympo-sium.79February 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 Wireless4楊德斌,伍俊,陽建宏.無線數字傳感器網絡節點 J.儀表技術與傳感器,2007,(9.5趙巧娥著.自動檢測與傳感器技術M.北京:中國 電力出版社,2005.6王平,王泉等著.測量與控制用無線通信技術M. 電子工業出版社,2008.3(11:9698.作者簡介:戴劍波,碩士研究生,研究方向為工業無線