多总线控制的无线传感器网络

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                    ???? 自20世纪90年代开始，无线传感器网络技术逐渐发展，从GSM到Bluetooth，从无线ATM到无线局域网，以不同的方式、不同的数据速率、在不同的距离上实现网络连接和信息的及时传递，摆脱了电线的束缚，从而能够在移动中自由地实现信息的交换。尽管如此，仍然要为工业现场安装传感器或开关的布信号线而困惑。在实际应用中依然存在着一些现有的网络技术无法或者不能很好的工作的场合，需要一种短距离、低数据传输速率、低成本、低功耗的无线网络技术。ZigBee技术这种以低成本、低功耗、低数据传输速率、低复杂度为显著优点的短距离无线通信协议，满足了小型、低成本的固定、便携或移动设备无线联网的要求。文章从系统各总线设计的角度开始了对基于ZigBee技术的无线射频器件、时钟器件、温湿度传感器以及RS232总线接口电路展开研究，实现了多总线控制节点无线传输。
　　1 通信原理
　　无线传感器网络由一定数目的传感器节点组成，以无线自组的方式构成网络。通常包括处理器模块、传感器模块、无线通信模块和电源管理模块。传感器节点的异构性体现在节点的数据处理能力、传感数据种类、通信能力以及能源状况等方面。传感器节点之间必须采用相同的无线通信网络协议才能实现互联。在ZigBee网络协议栈中物理层负责数据的调制、发送与接收，解决编码调制技术、通信速率和通信频段等问题。物理层之上为支持物理信道共享和广播与多播的数据链路层协议和负责路由转发和设备寻址的网络层协议，在此之上为与具体应用紧密相关的应用层协议。在ZigBee协议栈中，每一层通过使用下层提供的服务完成自己的功能，同时对上层提供服务，网络里的通信在对等的层次上进行。
　　2 硬件架构
　　多点的无线传输系统对传输提出了双向通信的要求，即主机和从机都可以进行发射与接收，并且相互之间协调有序，不会产生冲突和干扰。因此系统分为发射子节点和接受主节点两部分，均采用单片机AT89C52做主控器件。发射子节点通过单总线对温度传感器DSl8820和湿度传感器DS2438进行控制，采集温、湿度；通过4个I／O口模拟SPI总线控制无线射频器件QRF0400进行数据的无线传输；通过2个I／O口模拟I2C总线对时钟器件PCF8563进行选时操作。接受主节点通过无线射频器件就行数据接收，然后经过MAX232电平转换接入串口，按照RS232标准与上位机进行信息交换。
　　2．1 发射子节点
　　每一个发射子节点的主控器件经过单总线接口控制温、湿度传感器，都必须严格的按照单总线命令序列进行操作。首先进行初始化，以温度传感器DSl8820为例，初始化过程由主机发出的复位脉冲和从机响应的应答脉冲组成。应答脉冲使主机知道总线上有从机设备且准备就绪。当主机检测到应答脉冲后，就可以发出ROM命令。这些命令与各个从机设备的唯一64位ROM序列码相关，当单总线上连接多个从机设备时，允许主机指定操作某个从机设备。这些命令还使得主机可以检测到总线上有多少个从机设备及其设备类型，或者有没有设备处于报警状态。最后发送操作命令，通过ROM操作命令使得总线主机与总线上某些或某一从机设备确定了通信关系之后，主机发出的功能命令便可以驱动从机设备进行相应的动作，当需要进行数据的传输时，从机设备会把主机要求的信息以串行传输的方式送到单总线上，如图l所示。




　　2．2 接收主节点
　　接收主节点接收各个发射子节点的数据，并进行提取分类，然后通过RS232接口与上位机实现信息的人机沟通。数字信号的传输随着距离的增加和传输速率的提高，在传输线上的反射、衰减、共地噪声等影响将引起信号畸变，从而影响通信距离。选用RS232串行通信标准接口，通过增加驱动以及增大信号的幅度，使通信距离增大到15m。由于单片机的串行发送总线和接收总线TXD和RXD是TTL电平，而PC机的COM1和COM2的RS232连接其实EIA电平，因此单片机需加接MAX232器件进行电平转换，如图3所示。




　　4 监控软件
　　主机用户监控软件是用Delphi7．0开发完成。由于Delphi的图形界面丰富美观、控件集成度好、数据库功能强大、开发周期短、效率高，因此比较适合于此管理软件的开发。操作界面加载SPCOMM组件后可以通过PC机上的串口与单片机保持数据通信。为了保证通信的可靠性，建立了一个通信协议。下位机向上位机发送一帧广播命令($FF)，上位机收到广播命令后向下位机回复一个应答帧(SEE)，只有在下位机收到应答帧后才开始一帧一帧的将温度数据传输到上位机，否则将报警并再次发送广播帧，如图5所示。




　　5 结束语
　　经过现场多次实验证明，多总线控制的无线传感器可以有效地组成无线星型传感器网络，将各个节点的采集温、湿度分时传输到主接收机上，显示到界面供人实时监测预警，从而避免了复杂环境下不能人为作业。
　　通过主控器件多种线控制，充分发挥了各个总线器件的优点，使得系统免受外界干扰。需要注意的是系统在电源供电方面还存在问题，如何降低功耗延长系统寿命是未来研究的方向。