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1、自动化技术与应用2 0 0 9年第 2 8卷第 2期46|Techniques of Automation&Applications基于无线传感器网络的机房温度监控系统郑明智,孙丽萍(东北林业大学 机电工程学院,黑龙江 哈尔滨 1 5 0 0 4 0)摘 要:传统的有线监控系统不仅布线困难、麻烦,而且维护成本很高。针对这一情况,本文设计基于无线传感器网络的机房温度监控系统。根据实际情况,从低成本、低功耗的角度出发,对该系统软硬件进行设计。网络节点的设计采用A T 8 9 C 5 1 芯片,终端节点采用电池供电,具有良好的低功耗特性及自组网和自愈功能,具有一定的实用价值。关键词:无线传感器网络;
2、软硬件平台;温度监控中图分类号:T P 2 1 2.9 文献标识码:B 文章编号:1 0 0 3-7 2 4 1(2 0 0 9)0 2-0 0 4 6-0 4A Temperature Monitoring System Based on the WSNZHENG Ming-zhi,SUN Li-ping(Northeast Forest University Mechanical and Electrical Engineering Institute,Harbin 150040 China)Abstract:This paper presents a temperature monito
3、ring system of the computer room based on the wireless sensor networks.Thedesign of the network node is based on the AT89C51 chip.The terminal node is battery-powered and self-forming.Thesoftware of the system is also outlined.Key words:wireless sensor networks;software and hardware platform;tempera
4、ture monitoring1 引言目前,国外的一些发达国家虽然有一部分先进的无线传感器网络监控系统,由于环境成本等原因,并不适合我国的实际情况。为此,设计无线传感器网络的机房温度监控系统系统。从实际情况,本着低成本、低功耗的原则,对该系统软硬件进行设计,并解决了传统的有线监控系统的诸多问题,具有简单、灵活和易开发等优点。无线传感器网络(W i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k)是由大量低成本、能耗低的微小传感器节点(S e n s o r n o d e)构成的无线网络测控系统 1。采用多跳对等的通信方式,将具有传感器、数据处理单元及通信模块的大量
5、智能节点散布在感知区域,节点以自组方式形成网络,能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象信息并处理、传送到需要的用户,具有自治、自适应等智能属性。由于体积、成本和功耗等原因,实际资源的使用受到限制。此外,通常传感器节点需要连续工作很长一段时间,在人力修复无法实现的情况下,一旦有节点收稿日期:2 0 0 8-1 0-0 6 通信与信息处理Communication and Information Processing损坏或是电源失效等情况,就不能及时获得准确的监测数据。为此,无线传感器网络的设计在考虑硬件资源非常有限的条件下,选用 Z I G B E E 4 8 5 无线数据传输设备,该
6、设备实现能耗低、成本小的无线网络硬件系统。根据无线传感器网络的自身特点,采用 T i n y O S 操作系统,对无线传感器网络监控系统的硬件和软件作出了较详细的设计方案。2 传感器网络传感器网络是由一组传感器以 A d H o c方式 2 构成的有线或无线网络,其目的是协作地感知、采集和处理网络区域中感知对象的信息,并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者是传感器网络的 3个基本要素;传感器之间、传感器与观察者之间通过有线或无线网络的方式通信,在传感器与观察者之间建立通信路径;协作地感知、采集、处理、发送感知信息是传感器网络的基本功能。由一组功能有限的传感器协作完成大的感知任务是传感器网络的
7、重要特点。传感器网络中的部分或全部节点可以移动。传感器网络的拓扑结构也会自动化技术与应用2 0 0 9年第 2 8卷第 2期Techniques of Automation&Applications|47 通信与信息处理Communication and Information Processing随着节点的移动而不断地动态变化。节点间以 A d H o c方式进行通信,每个节点都可以充当路由器的角色,并目每个节点都具备动态搜索、定位和恢复连接的能力。下面是一个比较典型的传感器网络结构框图,如图 1所示。3 硬件设计无线传感器节点的功能是采集、存储、处理和传输数据。通过无线网路,节点之间可以进
8、行信息交换,也可以把信息传送到远程终端。传感器节点主要由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块四部分组成。3.1 传感器模块传感器模块负责信息的采集和数据转换,本系统所用的是 D S 1 8 B 2 0 温度传感器,它是图 1 中传感模块的传感器部分,如图 2所示:D S 1 8 B 2 0是美国 D A L L A S公司生产的一线式数字温度传感器,独特的一线接口,简化了分布式温度传感应用。可用数据总线供电,电压范围为 3.0 V 至 5.5 V,无需备用电源?,?测量温度范围为-5 5 至+1 2 5 。内精度为 0.5。温度传感器可编程的分辨率为 9 1 2位,温度转换为 1 2
9、位,数字格式最大值为 7 5 0毫秒。图 1 传感器体系结构图 2 DS18B20 无线温度传感器D S 1 8 B 2 0可实现组网多点测温,可编程的分辨率为9 1 2 位,对应的可分辨温度分别为 0.5、0.2 5、0.1 2 5 和 0.0 6 2 5,可实现高精度测温。在 9 位分辨率时最多在 9 3.7 5 m s 内把温度转换为数字,1 2 位分辨率时最多在 7 5 0 m s内把温度值转换为数字,速度更快。现场温度直接以 一线总线 的数字方式传输,大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量,如:环境控制、设备或过程控制等。体积更小,更便宜,系统设计更灵活、方便。3.2
10、 处理器模块处理器模块负责对采集的数据处理和存储以及控制无线通信模块的工作,本文采用美国 A T M E L 公司生产的 A T 8 9 C 5 1,高性能 C M O S 8位单片机。兼容标准M C S-5 1 指令系统,片内含 4 k b y t e s 的可反复擦写的F l a s h 只读程序存储器和 1 2 8 b y t e s 的随机存取数据存储器（R A M ),器件采用 A T M E L 公司的高密度、非易失性存储技术生产,片内置通用 8 位中央处理器（C P U）和 F l a s h 存储单元,三级加密程序存储器,1 2 8 8 字节内部 R A M,3 2个可编程 I
11、/O 口线,2个 1 6位定时/计数器,6个中断源,可编程串行 U A R T 通道,低功耗空闲和掉电模式。一个 5 向量两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟电路。同时,A T 8 9 C 5 1可降 0 H z 的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式。D S 1 8 B 2 0 与 A T 8 9 C 5 1 结合形成温度监控系统,该系统结构简单,抗干扰能力强,适合于恶劣环境下进行现场温度测量,有广泛的应用前景。3.3 无线通信模块和电源模块无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信、交换控制信息和收发采集数据;通信模块采用 S Z 0 2-R S 4 8 5,即
12、 Z I G B E E 4 8 5 无线数传设备,如图 3 所示:Z I G B E E 无线通信模块是加强型的 Z I G B E E 模块,图3 SZ02-RS485自动化技术与应用2 0 0 9年第 2 8卷第 2期48|Techniques of Automation&Applications 通信与信息处理Communication and Information Processing集成了符合 Z I G B E E 协议标准的射频收发器和微处理器,可实现一点对多点及多点对多点之间的设备间数据的透明传输;Z i g b e e技术采用了多种节电的工作模式,Z i g b e e
13、采用了 C S M A C A 的碰撞避免机制,避免了发送数据时的竞争和冲突;M A C 层采用了完全确认的数据传输机制,每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息,无需人工干预;网络节点能够感知其他节点的存在,组成结构化的网络;节点具有自我修复功能,并对网络拓扑结构进行相应地调整,保证整个系统仍然能正常工作。网络具有自组织、自愈能力。设备的复杂程度低,可以有效地降低设备成本 3。S Z 0 2-4 8 5 系列 Z I G B E E 无线 R S 4 8 5 串口通信设备,采用了加强型的 Z I G B E E 无线技术,最大传输距离 2 0 0 0米,抗干扰能力强,2.4 G D S S
14、 S 扩频技术,无需申请频点;R S 4 8 5 透明传输,最高波特率 1 1 5 2 0 0;广播发送或目标地址发送模式可选;中心节点、路由节点、终端节点可任意设置;组网能力强;1 6 信道可指定或自动选择,2 5 5 个网络 I D 任意设置;最大数据包 2 5 6 字节。它具有通讯距离远、抗干扰能力强、组网灵活等优点和特性。电源模块为传感器节点提供所需的能量,一般采用电池。该系统使用两节 P a n a s o n i c 公司生产的 C R 2 0 5 4干电池为节点供电 4,C R 2 0 5 4储存了 5 6 0 m A h的电能,体积小。节点使用寿命大约三年左右,既使得系统硬件设
15、计简单灵活,又达到了节能目的,并且使用更方便。4 软件设计节点的软件由传感器节点软件和网关节点软件组成,它基于 T i n y O S 操作系统,由 n e s C语言编程实现。4.1 TinyOS操作系统简介T i n y O S是美国加州大学伯克利分校专门为无线传感器网络开发的一种微型操作系统。是一个小型、开源、节能的软件操作系统。该操作系统支持大规模、自配置的无线传感器网络,安装比较简单,与普通应用软件安装过程类似 5。T i n y O S与传统意义上的操作系统不同,它采用面向组件的结构,确保快速响应和执行,同时克服传感器存储资源少的限制。T i n y O S提供一系列通用组件和一些
16、基础服务组件,应用程序可以通过连接配置文件将各种组件连接起来,以完成它所要求的功能。该系统采用了事件驱动的结构体系,既便于开发者选择所需要的组件,也有利于程序的快速执行。传感器节点软件是起到定时采集感知对象数据的作用,根据 T i n y O S中特定的路由协议,发送至网关节点。软件流程图如图 4所示:软件控制使传感器节点的大部分时间处于休眠状态,每隔一段时间苏醒一次,采集新的数据,发送本节点数据,节点间相互交换信息,随后再次进入休眠状态。节点在休眠状态时会关闭无线通信模块、传感模块和M C U部分电路,只保留 M C U内部定时器和中断,休眠状态时启动定时器。定时器定时唤醒节点,进行新的数据
17、采集。即传感器节点的数据是定时发送的。广播是传感器网络采用的通信方式,如果想在两个节点之间建立点对点的通信关系,每一个节点都要有一个事先分配好的唯一 I D号,当节点接收到一个数据包时,先将该数据包包头的 I D 号与自己的 I D 号比较,一致则接收,否则丢弃。图 4 传感器节点软件流程图自动化技术与应用2 0 0 9年第 2 8卷第 2期Techniques of Automation&Applications|49 通信与信息处理Communication and Information Processing传感器节点程序主要包括 4个模块:应用模块、过程调度模块、通信模块和硬件抽象模块
18、组成,如图 5 所示 3:(1)过程调度模块完成操作系统的控制流程,它主要负责整个无线传感器的初始化以及系统运行状态的维护。其中能耗管理单元支持处理器、射频收发器、传感器以及其它部件的能耗状态控制。能量管理由 T i n y O S的 H P L P o w e r M a n a g e m e n t M 组件实现,它确保节点在合适的时候唤醒,合适的时候进入休眠状态,以使能量达到最大化利用程度。(2)硬件抽象模块完成无线传感器硬件平台的抽象及 T i n y O S组件库调用执行。(3)通信模块完成无线数据的收发。数据传输的路由协议采用的是 M u l t i h o p L Q I路由协
19、议,它使用 L Q I(L i n k Q u a l i t y I n d i c a t i o n)和跳数来决定父节点的度量条件,路由协议是由调用 T i n y O S 提供的L Q I M u l t i H o p R o u t e r 模块实现。(4)应用模块把操作系统提供的组件组合在一起,根据实际情祝,完成不同的功能。下面是一段 A T 8 9 C 5 1发送数据给 P C机子程序 6:O U T P U T:C L R C M O V T X,C L C A L L D E L A Y M O V R 2,#8 O T:R R C A M O V T X,C L C A
20、L L D E L A Y D J N E R 2,O T S E T B C M O V T X,C图 5 传感器程序节点功能模块 L C A L L D E L A Y R E T此外,T i n y O S 的调度机制比较简单,以 F I F O 的方式调度,线程之间不允许强占。当有硬件中断到来时,可以打断用户的轻量级线程,对硬件中断进行响应快 7。任务可以调用下层命令,也可向上层发信号通知事件发生,还可以在组件内部调度其他任务。任务的原子性,使得在资源极其有限的传感器节点中十分有效。T i n y O S 是事件驱动型的操作系统。C P U 只有在有事件触发时才唤醒处理,其余时间都处于
21、休眠状态,可大大降低系统的能耗。5 结束语无线传感器网络的机房温度监控系统基于 T i n y O S操作系统,采用了超低功耗的并且与 M C S-5 1系列完全兼容的 A T 8 9 C 5 1单片机设计了一个低成本、低功耗的无线传感器网络机房温度监控系统,具备功耗低,易开发的特点,弥补了传统有线温度监控系统的不足,达到了自组网和自愈功能及低功耗特性。使得该系统在环境监测、工程安全、空间探索等领域都具有一定的实用价值。参考文献:1 孙利民,李建中等.无线传感器网络 M .北京:清华大学出版社,2 0 0 5.2 于海斌,曾鹏等.智能无线传感器网络系统 M .北京:科学出版社.2 0 0 6,
22、1.3 Z i g B e e A l l i a n c e.Z i g B e e S p e c i f i c a t i o n v 1.0,C o m-p u t e r N e t w o r k s(E I s e v i e r)J .j o u r n a l 2 0 0 4,D e c 1 4 3 8(3):3 9 3-3 9 6.4 李露曦,鄢楚平.基于T i n y O S 的无线传感器网络平台的实现 J ,微计算机信息,2 0 0 8,8(3):1 9 6-1 9 9.5 李婧,赵保华,张英堂.无线传感器网络实验平台的实现 J .微型机与应用,2 0 0 5,9(3):3 2-3 7.6 杨扬,朱善安.基于无线传感网络的环境监控系统的设计和实现 J ,工业控制计算机,2 0 0 7,(9):7.作者简介:郑明智(1 9 6 8),男,硕士研究生,主要从事智能化检测与监控系统研究。