外文翻译译文-一种基于无线传感器网络的低功耗温湿度监测系统

一种基于无线传感器网络的低功耗温湿度监测系统关键字：无线传感器网络；单片机；nRF905；跳频摘要：现在，一种基于无线传感器网络(WSN)的低功耗温度和湿度监测系统的新方案被提出用于克服这些弱点。在本文中，在基站和从站中，星型拓扑结构作为网络结构，微控制单元（MCU）作为主控器件。从站采用SHT11数字温湿度传感器完成数据采集，并通过nRF905收发芯片的低功耗多通道基站交换数据。本文介绍了基站的硬件和软件，使用通信协议和跳频（FH）的机制来保证数据传输的可靠性，提高系统的鲁棒性。结果表明，该系统具有轻便，安排灵活，覆盖范围大，功耗低和小扰动等优势，本设计值得推广应用。一、介绍人们的日常生活环境与温度和湿度密切相关；如石油，化工，航空航天，医药，档案储存，储存食物等领域，也对温度和湿度有较高要求。因此，监测和控制温度和湿度已经成为生产过程中一个非常重要的技术1,2，低成本的发展，温湿度监测设备和系统的高可靠性是非常重要的。大多数传统的温湿度监控系统是有线传输系统；你需要放大量的电线或电缆在测量现场。其安装和拆卸都非常复杂，而且成本高、灵活性较差3。随着射频技术和集成电路技术的发展，无线传感器网络的实现更加容易，数据传输速率越来越快，逐渐可以媲美有线网络4,5。本文介绍了一种无线温湿度监测系统的设计方法，采用单片机作为控制核心，nRF905作为无线收发器，外围设备如液晶触摸屏等。本文主要讨论了软件和网络中的基站的硬件设计与实现。该系统能够在测量现场环境温度和湿度的连续实时监测，具有成本低的优点，易于维护，无线，易于增加或减少从站，特别适合低功耗，小数据量的无线传感器网络监测系统。二、系统构架图1显示的无线传感器网络系统结构图。采用星型拓扑结构，包含多个从站的网络中的基站。从站位于测量部位，做温湿度测量，数据预处理和发送工作，数据格式遵循通信协议。在一个预先确定的时间或顺序直接给触摸屏机，基站读取数据通过从站发送，分析，存储数据，并实时显示曲线在液晶触摸屏。图1无线传感器网络的系统结构图采用星型拓扑结构简单，有便于网络，简单控制等优势6。基站，整个网络的核心，负责启动连接，从站只与基站进行通信；当一个从站失败，其他从站仍然正常。这就要求基站必须足够强大，并由基站的硬件、软件的设计作主要保证。图2显示了基站的方框图。使用飞思卡尔半导体公司的32位微控制器MCF52235为主要控制芯片，Nordic公司的nRF905无线收发芯片为射频收发器，和3.2英寸液晶触摸屏作为人机界面。该系统还提供了RS-232接口和快速以太网接口来连接PC或连接到互联网。图2基站的框图三主芯片介绍3.1单片机模块单片机模块是控制系统的主要组成部分，主要完成的功能是读取和处理数据的接收射频模块，配置系统参数，处理通信协议。存储空间，处理速度快，外围接口，功能，和功率消耗，必须在控制芯片的选择考虑7。MCF52235是一个ColdFireV2内核的32位单片机，60MHz的最大频率，32KB的SRAM，256KB的闪存芯片，内部还集成了以太网，FlexCan，AD转换器，UART，SPI接口，I2C，32kHz实时时钟，以及56个通用IO端口等。在本文中使用很合适的。3.2无线通信模块无线通信模块采用来自挪威的Nordic公司的多通道单片无线收发芯片nRF905作为主芯片。它采用GFSK调制和解调技术，工作在1.9-3.6v电压，433868915MHz的ISM通道8；通过主芯片的硬件自动完成添加preamble和CRC以及曼彻斯特编码和解码的工作。Ad的射频芯片，低功耗是非常突出。nRF905有两个工作模式和两个节能模式，即ShockBurstTX和ShockBurstRX运行模式，以及待机，省电节能模式。当发射在-10dB的输出功率，电流为11mA，12.5mA在接收模式中，2.5A在待机或停机模式。采用射频芯片实现低功耗无线跳频收发模块是很方便的。nRF905与单片机通过SPI接口配置内部寄存器和发送或接收数据。SPI接口包括4个引脚：CSN（片选），SCK（SPI时钟），MISO（主机输入、从机输出信号），和MOSI（主机输出、从机输入信号），分别连接到单片机的SPI接口对应的引脚。nRF905的控制引脚（PWR_UP低功率控件，TX_EN控件正常工作和TRX_CE控件，如果芯片是在发送模式或接收模式）连接单片机的GPIO。nRF905有3个引脚的状态在接收模式：CD（载波检测），AM（地址匹配），和DR（数据准备好），他们是高电平有效。在接收模式中，当接收频率的载波被检测时CD是高电平；然后在数据中检测载波的地址字节，如果它是用配置的地址相同，设定AM为高电平；如果所接收的数据的CRC校验是正确的，存储数据字节，并设置DR为高电平。这些工作是由nRF905本身做的。四、通信协议设计为了避免通信冲突的发生，我们设计了系统中的一个适当的协调机制。在通信媒体共享协议下，我们在网络中可以控制每个从站的多址接入。利用基于竞争的MAC协议CSMACA9，检测到通信通道是闲置后发送数据，避免二进制指数算法的随机时间延迟来解决数据冲突。对于数据冲突出现在基站，在IEEE802.11b协议的“隐藏节点”的解决方案图，使用RTS/CTS/DATA/ACK的通信进程中的握手机制。具体过程如下：（1）当从站有数据要发送到基站，它通过竞争的方式首先获得无线信道的使用权，然后发送RTS（请求发送）的控制帧的基站与基站的连接请求；（2）当基站从从站接收RTS请求，并通过竞争的手段获得使用权，它发送CTS（清除发送）的控制帧到从站；（3）从站接收CTS控制帧后，然后发送数据帧到基站（如果从站没有从基站收到CTS控制帧，它将重新发送RTS控制帧到基站）；（4）当基站接收的数据帧和确认数据是正确的，它发送ACK确认帧到从站；（5）从站从基站接收到ACK帧之后，当前的数据与基站的通信完成；（6）如果从站在超时时间间隔没有接收ACK帧，它将重新发送数据帧到基站。如果3次后，仍不能收到ACK帧，就放弃这个通信并且做下一个通信过程中的跳频。4.1帧格式在通信过程中的两种类型的帧：一种是控制帧：RTS，CTS，和ACK帧；另一种是数据帧：DATA帧。每一帧的头部是前导帧，尾部是CRC，通过nRF905硬件自动加载。（1）RTS帧：连接请求帧从从站发送到基站，共6字节。帧格式如下：其中“DestAddr是目的地的地址，同时是基站地址。“LocalAddr”是此从站的地址。“D_Len”是被发送到基站的该数据帧的字节数。“Chl”是在通道阵列，将用于从站与基站通信的信道指标；这是用于跳频。（2）CTS帧：连接确认帧从基站发送到从站，共5字节。帧格式如下：“时间”是当前通信的剩余时间，包括时间发送数据帧，确认帧，和通信延迟。时间是通过考虑RST帧中当前nRF905的通信速率和数据帧长度的条件下被基站估计，作为通信超时判断。（3）ACK帧：有效数据从基站发送到从站的确认帧，共4个字节。帧格式如下：（4）DATA帧：建立连接后收集的数据由从站发送到基站。帧格式如下：“长度”是在数据帧的数据字节数。前导码和CRC分别验证后，单片机通过SPI接口将数据从nRF905取出和处理数据。4.2跳频选定的无线射频芯片nRF905提供了广泛的可用通道，为跳频通信提供良好的支持。nRF905可以在433868915MHz频段进行通信，每个频段提供了多达29个通道，和相邻通道之间的差异0.2Mhz。这意味着一个天线支持多达29个的通信通道10。当一个通道的干扰，我们可以通过跳频继续通信。本文讨论的系统设置6个通信通道，与相邻通道之间的差异4MHz。6个通道分为两个部分：一个控制通道，对RST和CTS帧的传输；5个数据通道用于传DATA据和ACK帧。在一个数据信道发生干扰时，它就会跳到另一个通道通信。基站在控制通道中工作，从站在睡眠模式唤醒后工作再控制通道。当工作在控制通道的从站检测通道是空闲的，它将发送RTS请求帧，携带从站的当前数据通道标志。当基站接收到RTS帧，它将发送CTS帧到从站，然后从获得的RTS跳到数据通道，等待DATA帧的到来。当从站接收CTS帧，它也会跳到数据通道，然后发送DATA帧到基站。从站和基站的跳频过程如图3和图4所示。图3从站的跳频流程图图4主站的跳频流程图如果从站接收来自基站的ACK确认帧，这意味着通信是成功的，从站将进入睡眠模式，等待下一个通信周期。如果没有收到ACK，从站将重新发送数据帧。如果从站连续3次以上没有收到ACK，这将在下个通信周期改变数据通道在另一个通与基站道进行通信，完成数据通道跳频。基站跳到数据通道后，转换为接收模式，等待DATA帧的到来。如果基站接收到的有效数据，它将发送ACK确认帧到从站并通过SPI接口接收数据。通信结束，基站跳回到控制通道。如果基站在超时时间间隔未接收任何数据，它将放弃本次通信，并跳回到控制通道。在通信的距离上，室外距离可达200米，室内80米。五、实验及结果在本文中，无线传感器网络已与五个从站、一个基站建立连接。从站是由4节南孚LR03供电（AAA，碱性电池1.5V）。网络中的所有节点都采用一个采样间隔5秒的程序。通过实验，证实了该系统具有高精度、优秀测量效果。图5显示了基站的原型。图6显示了从站接收的温度和湿度数据显示在基站液晶上。图5主站图6从从站接收的数据当系统使用在环境的温度和湿度变化缓慢时，从站平均每15