（通信与信息系统专业论文）基于网络的温度传感器系统的研究与设计.pdf

摘要 本文在分析了目前国内外温度传感器技术和网络通信技术的基础上，采用无线传 感器网络技术，设计了基于网络的温度传感器系统。 课题研究了无线传感器网络的相关内容，提出了分层的传感器网络通信方案，并 进行了相关硬件平台和软件系统的设计第一层为温度无线传感器网络，负责现场温 度数据的采集和无线传输，设计了基于m s p 4 3 0 系列低功耗单片机和c c 2 4 2 0 无线通 信模块的温度传感器节点硬件平台，并在此基础上构建了基于z i g b e e 协议的无线传感 器网络，实现了无线传感器节点低功耗、低成本的目标；第二层为现场总线层，采用 m o d b u s 协议实现无线传感器网络和现场总线问的连接；第三层负责温度数据的远程传 输，在基于s t r 7 1 0 f z 2 的硬件平台上，移植了f c o s i i 嵌入式实时操作系统和1 w i p 协议栈，设计了连接现场总线和公共互联网络的网关设备，完成温度数据的汇聚和转 发，并采用j a v a a p p l e t 技术实现了温度数据的w e b 发布功能。 课题综合运用无线传感器网络技术、现场总线技术和以太网技术，用网络化思想 构建了温度传感器系统。该系统成本低、覆盖范围广、容量大、易扩展、便于安装和 维护经测试各项性能指标均达到设计要求课题的相关技术可以推广到其它传感器 监测系统。 关键词：温度采集；无线传感器网络；z i g b e c ；m o d b u s ；w e b 发布 a b s t r a c t t e m p e r a t u r es c l i s o rs y s t e m sa r ee m p l o y e d 、i d e l yi nm o d e mi n d u s l r i a lm o n i t o r i n g s y s t e m s t h i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e s 孤a r c h i t e c t u r et oe x t e n dt h et r a d i t i o n a lt e m p e r a t u r e i i e i i s o i s y s t e m st ow i r e l e s sd o m a i n ai l c wt e m p e r a t u r es e i i s o i s y s t e mf o rs u c h 趾e x t e n s i o n m e c h a n i s mi s p r o p o s e dw h i c hi n c l u d e st e m p e r a t u r ew i r e l e s ss c t l s o rn e t w o r k s ( w s n ) ， m o d b mf i e l d b u sa n de t h e r n e tg a t e w a y t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e dt h et e m p e r a t u r es e l l s o i t e c h n o l o g ya n dn e t w o r k c o m m u n i c a t i o nt e e l m o l o g i e s ，i m p l e m e n t e dt h er e l a t e dh a r d w a r ep l a t f o r ma n ds o t t w a r e s y s t e m s t h ep r o p o s e da r c h i t e c t u r ei sb a s eo i lal a y e r e dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o ns c h e m e t e m p e r a t u r ew s nb e l o n g st ot h ef i r s tl a y e r i nt h i sl a y e ral o w - p o w e r , l o w e o s th a l d w a l e p l a t f o r mi sd e s i g n e df o rt e m p e r a t u r es e n s o rn o d e su s i n gm s l 4 3 0m c u s e r i e sa n dc c 2 4 2 0 r ft r a n s i v e r t h e s es e n s o l n o d e sa 托i n s t a l l e da ti n d u s t r i a lf i e l dt oc o l l e c tt e m p e r a t u r e d a t a , a n dt o g e t h e rf o r maw s nu t i l i z i n gz i g b e ep r o t o c 0 1 m o d b u sf i e l d b u sb e l o n g st ot h e s e c o n dl a y e r , i tc o n n e c t st h ew s na n dt h ef i e l d b u sb ym o d b u sp r o t o c 0 1 e t h e r n e tg a t e w a y i sae o n v d s i o r lm o d u l ev , k i e he o i l , v 髓e t sa m e s s a g et r a n s f e r r e dt h r o u g ht h em o d b u sf i e l d b u s i n t o 蚰e t h e m e td a t a 矗砌e t h eg a t e w a yi si m p l e m e n t e db a s e do n t h et r a n s p l a n t i n go f 1 l c 0 $ 一i i r t o $ a n dl w i pp r o t o c o ls t a c kt ot h es t r 7 1 0 f z 2h a r d w a r ep l a t f o r m i ti s 砒t h e t h i r dl a y e ro ft h ec o m m u n i c a t i o na r c h i t e c t u r e a n di ti sr e s p o n s i b l ef o rt h eg a t h e r i n ga n d l o n g - d i s t a n c et r a n s m i s s i o no ft e m p e r a t u r ed a t a i na d d i t i o nt ot h ec o n v e r s i o nf u n c t i o n , t h e m o d u l ei m p l e m e n t e dw e bp u b l i s h i n gf t m e t i o no ft h et e m p e r a t u r ed a t au t i l i z i n gj a v aa p p l e t t e e l m o l o g y t h ep r o p o s e da n di m p l e m e n t e ds y s t e mn l a k c su s eo fw s nt e c h n o l o g y , f i e l d b u sa n d e t h e r n c tt e c h n o l o g y i ti sl o wc o s t , 诵d er a n g ea n de a s yt 0i n s t a l l , e x p a n d a n dm a i n t a i n t e s t i n gr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h es y s t e mp c r f o m m e em e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s t h e p r o p o s e dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o ns c h e m e c a l lb eu s e di no t h e rs e n s o rm o n i t o r i n gs y s t e m s k e yw o r d s ：t e m p e r a t u r ea c q u i s i t i o n ；w s n ；z i g b e e ；m o d b u s ；w e bp u b l i s h i n g - - 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不 实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：查i 剜加擗 3 , q z t e i 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。 论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：勤剑? - 0 4 年3 月 2 - 7n 河海大学硕士论文 基于两络的温度传感器系统的研究与设计 1 1 课题研究的意义 第一章绪论 在工农业生产以及科学研究中，温度传感器系统为分析决策系统提供准确、实时 的现场温度数据，是许多监控系统中不可缺少的一部分，广泛应用在电力、化工、冶 金、石油、环境、机械制造、农业生产、粮食存储、酒类生产等领域随着生产规模 的不断扩大，生产车间等在地域上分布越来越广，温度监测的范围随之扩大。温度传 感器系统逐渐由单点、集中式向多点、分布式演变由于温度采样点数量不断增加， 与监控中心的距离越来越远，它们之间的数据交换必须通过传输网络当前国内广泛 应用的温度变送器大多采用两线制，两线制虽然解决了电源线和信号线的复用问题， 很大程度上减少了布线成本，但没有彻底摆脱导线的束缚。很多情况下，布线成本很 高，或者根本无法布线，导致温度传感器系统的监测范围受到限制。此外，采用两线 制温度变送器的温度传感器系统的容量比较小，且不易扩展。因此，设计一种成本低、 覆盖面积广、容量大、易扩展、便于安装和维护的温度传感器系统将很有意义 基于网络的温度传感器系统采用新兴的无线传感器网络技术，实现现场温度数据 的分布式采集，解决了传统温度传感器系统受布线限制、系统容量小、不易扩展的问 题，拓展了温度监测的地域范围另外，系统采用成熟的m o d b u s 总线技术和以太网 等技术构建了完整的数据传输网络，实现数据的汇聚和远传等功能 本课题综合运用无线传感器网络技术、现场总线技术和以太网技术，用网络化思 想构建了温度传感器系统，具有成本低、覆盖面积广、容量大、易扩展、便于安装和 维护的优点本课题的关键技术可以推广到其它传感器监测系统。 1 2 国内外相关研究的现状及分析 1 2 1 温度传感器系统 传统的温度传感器系统可分为现场温度采集、温度数据传输和数据管理三部分 温度采集部分大多采用两线制温度变送器。两线制解决了电源线和信号线的复用问题， 使变送器只通过两根导线就可以实现与数据采集模块的连接，应用非常广泛国内生 产的温度变送器大多采用两线制。如西安仪表厂的4 4 4 h 系列、余姚市环工自动化仪 表厂的s b w z r 系列、北京九纯健科技发展有限公司的j c j l 0 0 系列、沈阳半岛电器 表业有限公司的d t r 系列温度变送器随着总线技术应用的不断普及，总线型温度变 河海大学硕士论文基于网络的温度传感器系统酌研究与设计 送器逐渐走进国内市场n 】，同时国内也开始了相关产品的研发【2 】，目前应用比较广泛的 是研华a d a m 4 1 1 8 和泓格1 - 7 0 1 8 ，它们支持m o d b u s 协议 国外总线型变送器应用比较早，在国内比较知名的有美国罗斯蒙特温度变送器 3 1 4 4 6 4 4 2 4 8 和a b b 的t h 0 2 、t h 2 0 2 、t f l 2 、t f 2 1 2 ，它们在支持两线制( 标准电 流信号和h a r t 协议) 的基础上，同时具备总线通信能力。罗斯蒙特温度变送器支持 f o u n d a t i o n 现场总线；a b b 的几种温度变送器支持p r o f i b u s 现场总线。数据传输部分 通过现场总线、以太网等手段将数据发送到集控中心。 对于两线制温度变送器，需要具有总线通信能力的数据采集模块将标准电流信号 转换成数字信号，再通过现场总线网络传输给数据管理系统；而总线型温度变送器就 可以直接将数据通过现场总线发送到数据管理系统。很多情况下，数据管理系统距温 度采集现场的距离比较远，需要通过以太网或者g p r s 无线网络实现数据的远程传输。 克尔斯博( c r o s s b o w ) 、研华、泓格等公司都提供上述完整的数据传输方案。 无论是两线制温度变送器，还是总线型温度变送器，它们都需要现场布线。布线 就要增加成本，就会限制传感器的使用范围；另外，线缆还有老化、意外损坏的危险 1 2 2 无线传感器网络技术 无线传感器网络 3 4 1 ( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k , w s n ) 是一种自组织的无线网络系 统，它由被部署在监测区域内的大量廉价微型传感器节点组成。这些传感器节点具有 通信、感测和计算能力，可以感知、采集和处理网络覆盖区域中被测对象的信息，并 通过无线网络发送给监测者。无线传感器网络扩展了人们的信息获取能力，将客观世 界的物理信息同传输网络连接在一起，在军事、工业、农业、医疗卫生、城市管理、 环境监测、抢险救灾、危险区域远程监控等诸多领域有着广阔的应用前景和巨大的应 用价值。 目前，国内外众多研究机构都己开展了无线传感器网络技术及其应用的相关研究 美国在2 0 世纪9 0 年代就开始了传感器网络的研究工作，并首先在军方应用和推广。 无线传感器网络的研究最初在美国的加州大学伯克利分校、加州大学洛杉矶分校和康 奈尔大学等几所大学开始。现已蔓延到众多大学，如：美国的麻省理工学院、斯坦福 大学、南加州大学、新加坡国立大学等，这些学校都已经成立了专门的无线传感器网 络实验室。此外，美国英特尔公司、微软公司、克尔斯博科技公司( c r o s s b o w t e c h n o l o g y ) 等企业也开始了无线传感器网络方面的研究工作日本、德国、英国、瑞典等科技发 达国家也对无线传感器网络表现出了极大的兴趣，纷纷展开了该领域的研究工作。 国内无线传感器网络及其应用的研究几乎与发达国家同步启动，首次正式出现于 1 9 9 9 年中国科学院知识创新工程试点领域方向研究的“信息与自动化领域研究报 告”中，作为该领域提出的五个重大项目之一。2 0 0 1 年中国科学院依托上海微系统所 成立微系统研究与发展中心，在无线传感器网络方向上陆续部署了若干重大研究项目， 初步建立了传感器网络系统的研究平台，在无线智能传感器网络通信技术、微型传感 河海大学硕士论文基于网络的温度传感器系统的研究与设计 器、传感器终端机、移动基站和应用系统等方面取得很大进展。中国科学院沈阳自动 化所、中国科学院计算技术研究所、山东省科学院以及浙江大学、哈尔滨工业大学等 高校相继做了大量工作。 目前无线传感器网络已经在军事应用、环境监测、建筑结构监测等诸多领域得到 了广泛应用，国外成功应用的例子有： 1 美国军方采用c r o s s b o w 公司的节点构建了枪声定位系统唧。 2 2 0 0 2 年i n t e l 实验室和加州大学伯克利分校以及巴港大西洋大学联合进行的大鸭 岛环境监测项目i l o 。 3 加州大学在南加利福尼亚s a a j a e i n t o 山建立了可扩展的无线传感器网络系统 1 1 1 4 在印度西部多山区域监测泥石流部署的无线传感器网络系统【1 2 】 5 南加州大学的一种监测建筑物的无线传感器网络系统n e t s h m ”1 我国也已经开始积极地在实际中应用无线传感器网络系统； 1 部署在我国南部某沿海城市用于对山体滑坡进行监测和预警的无线传感网络系 统【1 4 1 2 中科院沈阳自动化所提出的基于无线传感器网络的高速公路交通监控系统i 睁l q 3 北京邮电大学和中国科学院计算技术研究所的研究人员将无线传感器网络系统 应用到煤矿监控系统a o t l 7 1 从总体上看，国内在网线传感器网络的研究上投入了大量的科研力量，但是研究 水平较发达国家还有一定差距在应用方面，国内外都处于起步阶段，还受到很多因 素的制约，如成本、功耗、定位性能、移动性能以及安全性能等。本课题将其应用到 温度传感器系统中，设计开发了低功耗、低成本、支持z i g b e e 协议的温度传感器节点， 采用多种网络互补的方法，扬长避短，达到了很好的效果 1 3 课题研究的内容、研究目标以及解决的关键问题 1 3 1 课题研究的内容 本课题用网络化的思想构建温度传感器系统，综合运用无线传感器网络技术、总 线技术和以太网技术实现温度数据的采集、汇聚和传输，包括以下内容： 采用无线传感器网络技术实现现场温度的采集和预处理，设计低成本、低功耗的温 度传感器节点。研究无线传感器网络通信协议，实现传感器节点之间数据的无线传 输。 采用成熟的m o d b i i s 【l 引技术实现无线传感器网络和现场总线间的通信，设计具有 m o d b u s 通信能力的无线传感器网络汇聚节点。 设计连接现场总线和以太网的网关设备，实现数据的远程传输。同时，在网关内嵌 入w e b 服务器【1 9 2 ”，使用户可以利用w e b 浏览器远程查看温度数据。 河海大学磺士论文 基于网络的温度传巷器系统的研究与设计 1 3 2 课题研究目标 本课题旨在实现一个覆盖面积广、易扩展、便于安装和维护的低成本温度传感器 系统具体需要实现以下目标： 建立体积小、成本低、适应性强且功耗低的无线传感器网络硬件平台。 选择和开发功耗低、可靠性高、适应低速率、小数据量传输的无线传感器网络通 信协议，实现无线传感器网络的组网和数据传输。 实现无线传感器网络和现场总线之间的连接。 设计网关，实现现场总线和以太网间的连接。同时，提供温度数据的w e b 发布功 能。 1 3 3 课题解决的关键问题 设计成本低、体积小、适应性强的传感器节点。 研究和实现适合温度采集的无线传感器网络通信协议。 研究和选择可靠性高的嵌入式实时操作系统以及适合的嵌入式t c p i p 协议栈嘲。 在嵌入式系统上嵌入w e b 服务器，并实现温度数据在网页上的实时刷新 1 4 论文的组织 本文内容共分七章：第一章是绪论，简要介绍了课题的研究意义、现状以及主要 研究内容等；第二章介绍基于网络的温度传感器系统的总体设计：第三章详细介绍温 度无线传感器网络节点的硬件设计；第四章介绍了温度无线传感器网络中终端节点的 软件设计和协调器节点的软件设计；第五章详细阐述了通信系统的设计；第六章介绍 连接现场总线和以太网的网关设备的设计；第七章对本课题的研究进行了总结并展望 了下一步的研究工作。 本章小结 本章介绍了基于网络的温度监控系统的研究意义：详细介绍了温度采集系统和无 线传感器网络的研究现状：最后，介绍了本课题研究的主要内容、目标以及解决的关 键问题。 河海大学硕士论文基于两络的温度传感器系统的研究与设计 第二章基于网络的温度传感器系统的总体设计 2 1 系统设计原则 在温度传感器系统的设计过程中遵循如下原则： 低功耗：无线传感器网络的一个重要优势是摆脱了传统网络的连线限制和成本问 题【”1 但是，如果没有合适的无线电源，这一优势就无法体现出来此外，对传 感器节点来说，通常采用a 从电池或者钮扣式电池供电，电池电量不可能很高， 因此传感器节点的功耗是设计考虑的关键因素，因为如果必须时常更换电池( 例如 每周或每月) ，那么相关的劳动力成本便会远远超过它相对有线网络节省的成本。 如果携带较多的电池，虽然可以解决电源问题，但必然会增大体积，提高成本， 更加积极的方法是降低无线传感器节点的功耗 可靠性与安全性：系统在应用中必须保证能够可靠的运行，在特定条件下对数据 的安全性也有较高的要求系统应具有较高的可靠性，能确保数据的准确性、完 整性和一致性，在系统故障或事故造成中断后，具备迅速恢复的功能，同时系统 应具有一整套完整的管理策略，可以保证系统的运行安全系统设计中从硬件到 软件都必须考虑可靠性要求在设计过程中。硬件选用先进、成熟、可靠的产品， 软件也尽可能采用成熟的算法，并根据系统特点添加可靠性机制 可扩充性：随着技术的不断发展和需求的不断变化，系统应具备可更新、可扩充 和可升级的能力本系统方案在设计时留有冗余，并采用部件化、模块化和层次 化的设计方法，满足今后功能扩展的要求，同时为正常使用以及故障检测带来极 大的方便。 2 2 系统的总体结构设计 本课题在综合考虑系统的可实现性、可靠性、可操作性、可拓展性和性价比的前 提下，利用网络化思想构建了温度传感器系统，综合运用无线传感器网络技术、总线 技术和以太网技术，实现温度数据的采集、汇聚和远程传输，其整体架构如图2 1 所 示 在设计时，系统采用分层网络的架构温度无线传感器网络布置在目标范围内， 负责现场温度的采集。协调器节点将温度数据通过m o d b s 现场总线传输给本地监控 终端为实现数据的远程传输，设计了网关设备，它提供现场总线和公共网络之间的 通信接口，负责将温度数据通过互联9 5 l 络发送到控制中心服务器。 柯海大学硕士论文基于同络韵温度传巷器系统的研究与设计 图2 1 网络化温度传感器系统总体结构图 温度无线传感器网络处在整个温度传感器系统的最前端，负责现场温度数据的采 集，采用z i g b 田】协议实现设备之间的无线通信。为了简化开发和维护的难度，本系 统采用z i g b e e 网络拓扑中的星形拓扑结构。 无线温度传感器终端节点负责现场温度数据的采集。提供各种温度传感器( 如： 热电偶、热电阻) 的连接接口，是整个温度传感器系统中数目最多的设备，对成本和 功耗都有很高的要求，它通过z i g b e e 协议将所得数据发送给协调器节点。协调器节点 是温度无线传感器网络的核心节点，负责温度无线传感器网络的组网，以及各终端节 点温度数据的暂存。此外，协调器节点还负责通过m o d b t m 协议将各终端节点的温度 数据发送给监控中心或提交给网关转发。 网关在整个温度传感器系统中处于中间级，其作用是连接现场串行总线和公共网 络，实现温度数据的汇聚和远程传输。 以太网技术的开放性、互连性与网络带宽等优势和自动化领域中日益增长的需求， 使得以太网在工业控制领域得以推广应用【2 + 2 5 1 随着以太网技术的飞速发展，工业以 太网渐渐成为自动化控制系统里主流的高速率的通信方式通过工业以太网和相关软 件平台，不仅可以使工业现场设备( 如现场控制器、交送器、执行机构等) 实现基于 以太网的可靠通信，同时，通过以太网现场设备层到控制层、管理层等所有层次网络 河海大学硕士论文基于网络的温度传感器系统的研究与设计 的“e 网到底”，实现工业企业综合自动化的信息无缝集成。 系统中以太网网关主要实现r s 4 8 5 串行网络到以太网的转换，它通过m o d b u s - r t u 协议读取协调节点上的温度和控制信息，并将这些信息封装成u d p 数据包，通过以太 网发送给集控中心服务器。同时，它还嵌入了w 曲服务器功能，用户通过浏览器可以 远程查看各温度传感器终端节点的温度数据。 本文着重介绍温度无线传感器网络、以太网网关以及它们之间m o d b u s 通信的设计 和实现。 本章小结 本章分析了系统开发过程中需要遵循的原则，介绍了基于网络的温度传感器系统 的总体架构 河海大学硕士论文 基于网络的温度传感器系统的研究与设计 第三章温度传感器节点的硬件设计 3 1 温度传感器节点硬件方案研究设计 3 1 1 硬件设计要解决的问题 根据温度传感器节点的功能及应用场合，硬件设计需解决的问题有： 尽可能降低功耗。低功耗是设计传感器节点的首要原则，硬件电路在自身低功耗 的基础上要能够配合软件实现低功耗模式。 硬件电路尽可能采用标准化、模块化设计温度传感器节点应用场合多变，标准 化、模块化的设计可以增强其兼容性，并方便调试 硬件结构和软件方案应统筹考虑。这两部分的设计是相互关联，密不可分的，硬 件的处理能力、存储容量和功能模块要能满足软件运行的需要。 系统要有可扩展性，并且当前设计的输入输出口要适当留有余地，便于二次开发。 3 1 2 温度传感器节点硬件方案设计 针对以上闯题以及系统功能要求设计了温度传感器节点硬件，本章将介绍以 m s p 4 3 0 单片机为核心的电路设计，分为温度传感器终端节点和协调器节点两大部分， 结构如图3 1 所示，主要包括电源模块、存储器模块、无线传输模块、液晶显示模块、 传感器接口、串行通信接口和输入输出接口等模块 图3 1 温度传感器节点硬件总体结构图 阿海大学硕士论文基于网络的温度传感器系统的研究与设计 3 2 传感器节点主电路设计 3 2 1 控制器电路设计 当前比较流行的几种用于无线传感器节点的m c u 有1 r i 的m s p 4 3 0 ，m i e r o e h i p 的 p i c l 8 和a t m e l 的a t m e g a l 2 8 。t i 的m s p 4 3 0 系列为1 6 位工业级单片机，性能稳定可靠。 后两者都为8 位单片机，处理性能不如前者并且，本研究室已经将m s p 4 3 0 单片机成 功应用到多个项目中，有较多积累，因此选择它作为温度传感器节点的m c u m s p 4 3 0 1 2 6 ) 系列单片机是1 6 位超低功耗微控制器，工作电压范围宽，为1 8 v 3 6 v ， 工作温度- - 4 0 8 5 ，r a m 数据保持方式下耗电仅0 1 “a ，活动模式耗电2 5 0 p a m i p s ， i o 输入端口的最大漏电流仅5 0 h a 。商效的1 6 位r i s cc p u 可以确保任务的快速执行， 缩短了工作时间从睡眠模式到活动模式的6 p s 转换时间可以延长待机时间，降低了电 池的功耗。 m s p 4 3 0 系列单片机片上集成了丰富的功能模块。温度传感器终端节点负责温度数 据的采集，同时实现温度数据的显示和无线发送。针对这种需求，选择m s p 4 3 0 f 4 2 7 1 2 r l 作为控制器。m s p 4 3 0 f 4 2 7 片上集成了三个独立的带有差分放大输入端的1 6 位e - f i d d 转换器，同时提供片上参考电压和温度传感器，可以方便地和热电阻、热电偶连接。 实现温度采集功能；它还集成了段式液晶驱动器，支持多达1 2 8 段的液晶显示器。它的 串行口支持s p l 模式，可以方便的和c c 2 4 2 0 无线收发模块连接。另外，m s p 4 3 0 f 4 2 7 提 供掉电检测、电源监视功能。 协调器节点的设计主要考虑存储器和系统开发阶段的调试和后期功能的扩展，因 此选用m s p 4 3 0 f 1 6 1 1 1 2 6 1 作为控制器。m s p 4 3 0 f 1 6 1 1 具有4 8 k b y t e 的f l a s h 存储器和 1 0 k b y t e 的r a m 存储器，可以满足程序的需要此外，它具有两个串行1 ：2 1 ，可以实现 数据在无线连接和有线连接之间的转换。m s p 4 3 0 f 1 6 1 1 有 4 8 个输入输出端口，给二次 开发留有余地。此外，在开发阶段，可以选择多款与m s p 4 3 0 f 1 6 l l 引脚兼容，r a m 资 源各异的m s p 4 3 0 单片机进行替换。m s p 4 3 0 单片机支持基于j t a g 接口的调试方案，开 发简单，仿真器价格低廉，不需昂贵的编程器。 为了满足低功耗的需求。m s p 4 3 0 单片机有3 种系统时钟可供选择，分别为片内 d c o ，外接低速时钟x t i 和高速时钟x t 2 为了适应软件开发的需要，协调器节点上 单片机的r o s e 脚外接了1 0 0 k i ) 电阻，以提高片内d c o 的稳定性，同时在x t i 和x t 2 分 别连接3 2 7 6 8 k h z 低速晶体振荡器和8 m h z 的高速晶体振荡器。此外，为了能为事件记 录提供准确的时间，配置了实时时钟功能，芯片选用d s l 3 0 2 ，连接到单片机的p 4 o p 4 2 脚。d s l 3 0 2 内部的3 1 个非易失性存储器可以保存系统的关键数据在终端节点上， 只需要一个3 2 7 6 8 k h z 的低速晶振，m s p 4 3 0 f 4 2 7 时钟模块应用了增强型锁相环技术 f u 可以根据需要产生需要的高速时钟 为了适应不同应用对外扩存储器的需要，协调器节点上设计了2 种扩展存储器方 河海大学硕士论文基于网络的温度传感器系统的研究与设计 案，分别为1 2 c 接口的e e p r o m 2 4 l c 2 5 6 和s p i 接1 3 的f l a s h 存储器m 2 5 p 8 0 ，还可以根 据需要选用引脚兼容的不同容量芯片替换。节点上2 4 l c 2 5 6 的地址为0 ，在其1 2 c 总线 上配置了3 个1 0 k q 的上拉电阻。为了增加设计的灵活性，m 2 5 p 8 0 没有和c c 2 4 2 0 共用 一个s p i 接口，而是连接到单片机的通用i o 弓l 脚p 6 2 p 6 7 ，由软件实现s p i 接口。 3 2 2 输入输出模块设计 温度传感器终端节点的输入输出模块提供节点配置所需的开关和按键功能，电路 如图3 2 所示图中s 2 为拨动开关，单片机在上电时。通过p 1 2 - p 1 4 的状态选择工 作模式，i n c 和d e c 为按键。 图3 2 终端节点开关按键接口图 协调器节点上，m c u 有较多的输入输出接口，为方便连接各种扩展模块，完成不 同的输入输出功能，协调器节点上提供2 路模拟量的输入和2 路开关量的输出。2 路 模拟量、a l 通过分压后连接到m s p 4 3 0 单片机的1 2 位a d 转换器，可以是4 2 0 m a 的电流信号，也可以是o 5 v 的电压信号。2 路开关量输出p o t 、p 0 2 通过光偶隔离 后驱动外部设备，如图3 3 所示。另外，提供了4 路按键输入和4 路l e d 显示。分别 连接单片机的中断引脚p i 4 p 1 7 和通用i o 引脚p 5 4 p 5 7 图3 3 协调器节点输入输出接口图 河海大学硕士论文 基于罔络的温度传辔嚣系统的研究与设计 3 3 传感器节点电源设计 温度传感器节点上共设计了两种电源，一种为电池供电，应用在终端节点上；另 一种为1 0 3 0 v 直流电源供电，用在协调器节点上 3 3 1 终端节点的可控电源设计 温度传感器终端节点采用2 节a a a 碱性电池供电。采用t p s 6 0 2 1 0 作为电源管理芯 片，为节点供电。t p s 6 0 2 1 0 是一款低功耗的电源管理芯片，当输入电压降至1 6 v 时仍 可以输出稳定的3 3 v 电压，具有电池欠压报警、供电模式可控等功能，可延长电池使 用寿命。电路如图3 4 所示，单片机通过s n o o z e 引脚控制电源的工作模式，当系统进 入低功耗模式时，只要将该引脚置为低电平，即可使电源进入低功耗模式。当电池欠 压时，l b o 引脚会被拉低，单片机检测到以后可以通过网络通知管理人员更换电池。 图3 4 终端节点电源电路 3 3 2 协调器节点的开关电源设计 由于协调器节点功耗比较大，不适合用电池供电，所以它采用工业现场常用的l o 3 0 v 直流电源。由于协调器节点最终的供电电压要保持在3 v 左右，为了适应1 0 3 0 v 的宽电压输入范围，采用开关电源加线性稳压的方式实现i ) c d c 转换。开关电源选用 比较成熟的i d 4 0 6 3 作为电源转换芯片，然后选用b m i l l 7 完成3 3 v 稳压，其电路如 图3 5 所示1 0 3 0 v 直流电源由p o w e r 输入，通过开关电源转换后得到v 蚋，开 关电源的输出电压的计算公式为：v 5 + = 1 2 5 ( i + r 2 0 r 1 9 ) ，这里r 2 0 和r 1 9 分别选用 3 k 和l k ，输出电压为5 v ，然后通过b m i l l 7 稳压后。在v 33 端得到3 3 v 电源。 在电源的输入端接入了二极管i n 4 0 0 7 ，防止电源极性接错，还串联了一个自恢复保险 丝f 1 保证本系统负载异常变大时不会给整个供电系统造成影响另外，为提高电源抗 干扰能力，输入端并联了一个t v s 管p 6 k f a 7 a ，有效降低了浪涌电压的影响 河海大学硕士论文基于网络的温度传癌器系统的研究与设计 图3 5 协调器节点电源电路 3 4 传感器节点通信模块设计 3 4 1 无线通信模块设计 无线通信模块主要完成温度传感器终端节点和协调器节点之间的数据交换。在 皿e 8 0 2 1 5 4 标准发布后，各大无线芯片制造商陆续推出了支持该标准的芯片，其中 比较典型的有：f r e e s c a l e 的m c l 3 1 9 2 ，c h i p c o n 的c c 2 4 2 0 ，a t m e l 的a t 8 6 r f 2 3 0 。这 些芯片都具有很高的集成度，外部只需要天线、晶振、去偶电容就可以工作。以上三 种芯片的性能相当，鉴于c h i p c o n 现归t i 旗下，c c 2 4 2 0 在国内应用较广，且供货充足， 本设计采用它作为无线收发模块的r f 芯片。 c c 2 4 2 0 脚】是c i l i 口c 公司在2 0 0 3 年底推出的一款兼容2 4 g h z i e e e s 0 2 1 5 4 的无线 收发芯片，3 年多的市场考验证明了其可靠性。c c 2 4 2 0 基于s r n a r t r f 0 3 技术，使用 o 1 8 耻m c m o s t 艺生产，具有很高的集成度，只需天线等少量外接分立元件就能工作。 该芯片体积小功率低，非常合适于家庭及楼字自动化、工业监控等应用系统。c c 2 4 2 0 的主要性能参数如下： 工作频带范围：2 4 0 0 2 4 8 3 5 g h z ； 采用i e e e s 0 2 。1 5 4 规范要求的直接序列扩频方式： 数据速率达2 5 0 k b p s 码片速率达2 m c h i p s ； 采用o - q p s k 调制方式： 超低电流消耗( r x ：1 8 8 m 气t x ：1 7 4 m a ) 高接收灵敏度( - 9 5 d b m ) ； 相邻频道抗干扰能力强( 3 9 d b ) ； 内部集成有v c o 、l n a 、p a ，采用低电压供电( 2 1 3 6 v ) ； 输出功率编程可控； 髓e 8 0 2 1 5 4m a c 层硬件可支持自动帧格式生成、同步插入与检测、1 6 b i tc r c 校验、电源检测、完全自动的m a c 层安全保护( c t r , c b c - - m a c ，c c m ) ； 河海大学硕士论文基于同络的温度传感嚣系统的研究与设计 与控制微处理器的接口配置容易( 4 总线s p i 接口) ； 夺采用q l p - 4 8 封装，外形尺寸只有7 7 m m 。 c c 2 4 2 0 通过四线制s p i 接口和6 条信号线与控制器连接，完成设置和收发数据两方 面的工作，如图3 6 所示。在系统设计时，提供2 种天线方案，一种为偶极子天线，采用p c b 天线 嘲，如图3 7 所示另一种为单极子天线，如图3 8 所示。这套方案中提供了两种天线方式，一种为 p c b 天线，另外一种是外接的5 0 q 天线，可以根 据需要通过焊接c l s 或c 4 7 选择。另外，c c 2 4 2 0 在 硬件上集成了i 髓e 8 0 2 1 5 4 的m a c 层，简化了系 统的开发。在设计时，将无线收发模块和主板分 离，方便使用其他替换模块，增加了设计的灵活 性。 f i f o f i n t s f 3t i m e rc a p t u r e f i r cg l o o c c a g i o r e s 盯n g 1 0 2 v r e ge n g 1 0 3 s e l s e 丁 s i s i m o s os o m i s c l ks c l k c c 2 4 2 0m c u 图3 6 c c 2 4 2 0 与m c u 的连接 使用偶极子天线时，不需要偏置电路，只需要两个电感就可以完成天线电路。经 测试，采用偶极子p c b 天线时( 如图3 9 所示) ，在开阔地通信距离达到1 2 0 米。单极子 天线因为需要偏置电路，外围元件较多，只做了测试，并未实际应用。 图3 7 带偶极子天线的c c 2 4 2 0 发射电路 河海大学硕士论文 基于网络的温度传感器系统的研究与设计 e l i n 1 1 口m l 图3 8 单极子天线电路 图3 9 使用p c b 天线的无线通信模块 3 4 2 串行通信模块设计 协调器节点提供了r s 2 3 2 4 8 5 接口，可以方便地与上位机或者其它串口设备连接， 实现无线到有线的转换在调试期间连接上位机，可以监视调试过程，之后，负责协 调器节点和以太网网关之间的通信本设计采用低功耗的m a x 3 2 2 1 作为r s 2 3 2 接口 芯片，采用s p 3 4 8 1 作为r s 4 8 5 接口芯片，其电路如图3 1 0 所示。由于协调器节点同 河海大学硬士论文 基于网络的温度传感器系统的研究与设计 时只需要r s 2 3 2 和r s 4 8 5 中的一个接口，所以增加了一个跨接器j p 6 来选通r s 2 3 2 或者r s 4 8 5 通信。 叫 p 叫舻“ m x 越2 l 鐾磷 眦a d 吼3 x 2 珊 墼燮簪曼q懈h 广拦= 卜_ 盥醴_ i 蓝船5en3 ：蓦r ei 暮气亍蜊 图3 1 0 申行通信模块电路 3 5 温度传感器接口模块设计 传感器接口设计集中在温度传感器终端节点上，实现单片机的a d 转换器和外接 温度传感器之间的接口本系统在采集现场温度信号时使用两种类型的温度传感器， 分别为热电偶和热电阻。热电偶与热电阻均属于温度测量中的接触式测温，尽管其作 用相同都是测量物体的温度，但是他们的原理与特点却不尽相同。 热电偶是温度测量中应用最广泛的温度器件，他的主要特点就是测温范围宽，性 能比较稳定，同时结构简单，动态响应好，便于自动控制和集中控制。热电偶的测温原 理是基于熟电效应目前，国际上应用的热电偶具有一个标准规范，规定了b ，r ，s ， k 。n ，e ，j 和t 八个不同热电偶分度，其测量温度最低为一2 7 0 。最高可达1 8 0 0 。 查询分度表可知，热电偶测温时的输出电势在0 m v 8 0 m v 之间，接口电路需要完成 该电势到a d 转换器输入范围一0 6 v + 0 6 v 附近的转换。系统所选单片机a d 转 换器的输入通道本身带有可编程差分放大器，放大倍数最大为3 2 。满足需要，因此热 电偶的电势信号直接连接到a d 转换器的输入端子 热电阻在工业测温中应用也比较广泛，它的测温原理是基于导体或半导体的电阻 值随温度变化而变化的特性。常见的工业用热电阻有p t l 0 0 ，p t l o ，c u s o 和c u l 0 0 。铂热 电阻的测温范围一般为- - 2 0 0 8 0 0 ，铜热电阻为- 4 0 1 4 0 。查阅分度表可知， 热电阻测温时的阻值范围是5o 4 0 0o 热电阻测量时采用三线制连接，要求三根引线等长度、等线径，可以消除热电阻 1 5 河海大学硕士论文基于网络的温度传感嚣系统的研究与设计 引线对测量精度的影响热电阻需要激励电源才可以转化为可测量的电压信号，原理 如图3 1 1 所示图中r 为标准电阻，r x 为热电阻，r l l 和l 幽为引线电阻，根据三线 制要求，r l l - - r l 2 。当给电路加上电势u 时，电流由电源正极流出后，经a 通过引线 r l l 流过r x ，然后经r l 2 流到c 后返回电源负极。此时，a 、b 之间的电势为u l ，b 、 c 间电势为u 2 。u l 包括r l i 和r x 之上的电势和，u 2 为r k 上的电势，由于r l i 和r l 2 上的电势相等，所以r x 上的电势u x = u 1 u 2 设标准电阻r 上的电势为u r ，则r x 的计算方法为：r x = r x 【( u l j u 2 ，u r 】。 本设计