一种无线烟雾传感器节点的设计与实现图文.docx
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一种无线烟雾传感器节点的设计与实现图文
技术探讨TECHNICALEXPLORATION
一种无线烟雾传感器爷点的
设计与雾现
TheDesignandImplementationofWirelessSmokeSensor王进贤王泉王平戴剑波
重庆邮电大学重庆市网络控制与智能仪器仪表重点实验室(重庆400065
摘要:
无线传感器网络是当前信息领域中研究的热点之一,可用于特殊环境实现信号的采集、处理和发送;介绍无线烟雾传感器节点的设计与实现,以CC2430芯片为核心,利用烟雾传感器设计硬件电路,并通过无线收发模块与网络协调器和上位机通信迭到实时监控;讨论和提出烟雾传感器节点的低功耗设计并描述系统的软件架构与实现方法。
系统具有较高的实用性和可靠性,成本低,功耗低,具有良好的应用前景。
关键词:
工业无线烟雾传感器低功耗可靠性
Abstract:
Wirelesssensorsnetworkisanewresearchfield.Itcallbeusedinsomespecialsituationforsignaleollec—tion,processingandtransmitting.Inthispaper,designandimplementation
ofawirelesssmokesensornodesonthebasisofCC2430andusingofsmokesenso璐Hardwarecircuit,wirelesstransceivermodulesthroughcoordinationwiththenetworkandhostcomputercommunicationtoachievereal—timemonitoring,anddiscussthelow—powerofsmokesensornodesanddesigndescriptionofthesystemsoftwarearchitectureandimplementation,thesystemhasmorehighutilityandreliability,lowcost,lowpowerconsumption,hasagoodprospect.
Keywords:
WirelessindustrySmokesensorLow—powerReliablecommunication
随着我国经济建设的发展,一些在国民经济和社会生活中至关重要作用的特殊场所(如图文档案信息中心、邮电通讯枢纽、集成电路生产车间、大型电站越来越多。
由于其内部各种电气设备高度集中且长期运行工作,从而存在较多的火险隐患,一旦发生火灾,将会给国家造成极大的经济损失,给社会带来重大影响。
因此如何与时、准确无误地预测火灾险情成为社会关注的一个焦点。
本文介绍了基于IEEE802.15.4通信技术的无线烟雾传感器节点的设计与实现,结合智能传感器(SmartSensor的设计思想,提出一种基于IEEE802.15.4标准的无线烟雾数字式智能传感器的概念,给出了传感器节点的功能模型,详细阐述其工
132.w眺cnI作原理、设计和实现。
1系统结构
本无线烟雾传感器节点主要由两部分组成:
烟雾传感器采集部分、无线传输部分。
传感器采集部分主要负责将外界环境中的烟雾浓度采集进来,采集部分所得到的信号会随着外界烟雾浓度变化而变化,烟雾传感器所测量的模拟量,经过调理电路送至无线传输部分进行处理。
无线传输部分负责将传感器采集到的实时数据发送到无线网络协调器,然后转发给上位机实现对数据的显示与监控。
系统功能模型如图1所示。
2008年增刊中阅俄嚣坂表
TECHNICALEXPLORATION
传感器采集部分:
I烟雾I..I电源管l
;I传感器rl理部分I
:
l1L
il蠢I无线I
通信芯片l
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图1系统功能模型
输部分
天线
监测f台
2系统硬件设计
无线烟雾传感器节点硬件电路主要由数据采集单元、数据处理和传输单元、电源管理单元3部分组成。
2.1数据采集单元
从低成本、高性能等角度出发,本方案选用一种半导体气体烟雾传感器一MS5100。
MS5100有着体积小、感应灵敏度高、稳定性良好、反应时间快速,对烟雾、碳氢化合物和氧化物有很强的灵敏度等诸多优点。
烟雾传感器采集电路如图2所示。
出信号
图2烟雾传感器采集信号电路
图中:
Vcc为外部电源,V。
为加热电源,Rs为传感器电阻,R。
为上拉电阻,Vout为输出电压。
本系统应用时Vcc和VH取5V的电源,Rs的取值范围是85k一3255kll,其阻值会随外部的烟雾浓度的变化而变化,所以传感器测量原理如下:
当测到外部的烟雾时,传感器的电阻如会发生变化,此时的电阻Rgas和在空气中的电阻]lair的比值和外部烟雾浓度的关系曲线图如图3所示,改变R。
可以调节输出电压,以便更好地测出烟雾浓度值。
2.2数据处理和传输单元
处理器芯片是整个传感器节点的核心,它的选择中阅恹鸳彳承丧2008年增干U
技术探讨
图3传感器阻值比与烟雾浓度关系曲线图
在节点设计中直接关系到整个系统的性能和使用寿命,综合考虑低功耗、高发射功率、接收灵敏度、收发芯片所需的外围元件数量、芯片成本、集成度等各种性能指标。
本设计采用,I'I公司生产的CC2430射频芯,它在单个全面芯片上整合了ZigBee射频RF前端、内存和微控制器。
它使用了1个8位的高性能和低功耗的8051微控制器核,具有128kb可编程闪存和8kb的RAM,还包含一个模拟数字转换器(ADC、看门狗定时器(Watchdogtimer、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(PoweronReset、掉电检测电路等。
2.2.1数据处理单元
传感器将采集到的信号通过调理电路后直接传人CC2430内置的A/D转换器接口。
该A./D转换器可软件编程转换精度,其精度8~14位,将模拟信号转换成数字量后,经过软件协议栈中的物理层、MAC层、数据链路层、网络层、传输层、应用层依次加载,完成一次信号采集处理。
2.2.2数据传输单元
数据传输部分主要利用2.4G单端天线,配合CC2430的TX/RX开关引脚来控制选择发送信道或者接收信道。
CC2430内部T/R交换电路完成LNA和PA之间的交换。
信号输出经过—个非平衡变压器,这样连接非平衡变压器可使天线性能更好,如图4所示。
电路中的非平衡变压器由电容c:
。
和电感LJ、k、L2以与一个PCB微波传输线组成,整个结构满足RF输入/输出匹配电阻(501的要求。
这样使得信号传输中间理论上没有信号反射发生,可以到达天线的信号功率最强。
133
技术探讨TECHNICALEXPLORATION图4无线通信模块原理图
CC2430无线接收器是一个低中频的接收器,从天线接收到的射频信号,首先经过低噪声放大器,然后正交下变频到2MHz的中频上,形成中频信号的同相分量和正交分量。
两路信号经过滤波和放大后,直接通过模数转换器转换成数字信号,再以数字信号的形式进行后续的处理,如自动增益控制、最终信道选择、解扩以与字节同步等,最终恢复出传输的正确数据。
要发送的数据先被送人CC2430芯片中的128字节的发送缓存器,头帧和起始帧是通过硬件自动产生的,所要发送的数据流的每4位被32码片的扩频序列扩频后送到DA变换器。
然后,经过低通滤波和上变频的混频后的射频信号最终被调制到2.4GHz的设定信道上,并经放大后送到天线发射出去。
同时为了有效地降低节点功耗,可使传感器节点在空闲时进入超低功耗睡眠模式,在接收和发射模式下,电流损耗分别低于27mA和25mA。
而在休眠模式时仅0.9¨A的损耗,外部的中断或RTC能唤醒系统,使节点周期性地在工作模式和睡眠模式间切换,可以很大程度上降低功耗。
本系统中同时采用32MHz和32.768kHz的双石英谐振器模式,32MHz用于CC2430无线芯片高速运行时,32.768kHz在系统休眠时启用。
2.3电源管理单元
电源管理是工业无线通讯应用中的一个关键问题,电源处理得好坏直接影响到整个系统的工作和使用。
要解决这个问题,硬件上就应该从工作芯片的低功耗的选型和电池体积和容量两方面综合来考虑。
图5是整个系统的电源管理电路框图。
图5电源霄理电路框图
由于锂电池具有电压高、体积小、能量密度高、放电曲线平缓、可循环使用等优点,因此设计方案选取电池为1040mA锂充电电池,并设计了相应充电电路,从而本传感器节点可以频繁、持续的使用。
MAXl555芯片作为充电芯片,提供较灵活的电源输人口。
①脚为USB输人口,电压范围是3.7~6V,可以直接从USB接口接人对电池充电;
④脚为DC电源输入端,可以外接电源适配器对2008年增刊中阅俄霹恹丧
TECHNICALEXPLORATION
电池进行充电,而且①脚、④脚的电压可以自动切换。
③脚为充电状态指示,在充电期间为低电平,可以连接一个LED指示其工作状态。
MAXl555最终的充电电压为4.1V,上下浮动0.5%,快速充电的时候可以达到最大300mA的电流。
MAX8881是一种微功耗稳压芯片,将电池提供的电压稳定成CC2430模块工作所需的标准的3.3V直流电压。
其带负载能力可以达到200mA,完全可以满足CC2430的工作要求。
MAX684是一种DC/DC升压转换芯片,将电池提供的电压转换成烟雾传感器工作所需的5V直流电压。
其带负载能力完全可以满足传感器的工作要求。
3软件设计
系统的软件设计主要由3部分组成:
无线协议栈主程序,A/D转换程序,定时器中断程序。
无线协议栈主程序主要包括无线协议栈的相关部分初始化处理与节点相关信息处理。
定时器中断服务程序主要是控制无线传感器采集外界数据的时间,根据实际需求来设置定时器的计数初值,从而达到对数据采集的时间间隔进行控制,每间隔一段时间进行一次数据采集。
A/D转换程序主要是通过无线传感器采集得到的模拟数据进行数据转换处理。
A/D转换精度可根据实际需要设置,本设计考虑实际需要,精度选择为14位精度。
软件部分实现的主要功能是CC2430无线芯片通过设定定时器的计数初值时间,定时产生中断,对采集而来的数据进行A/D转换,并对A/D转换后的数据进行判断处理(如错误数据和正常采集数据后,通过RF将数据发送到上位机。
软件部分主要流程如图6所示。
整个系统的运行过程:
首先进行初始化操作,具体为端口配置初始化,定时器与无线协议栈初始化,时间触发到时进人数据采集程序,A/D转换结束,对得到值进行判断,进入相应的数据服务类型处理;数据的发送处理考虑到节点节能处理,对数据进行缓存处理,如数据变化不大,则只发送一个数据标识,并不发送整个数据,通过减少字节传输来降低能耗。
设
中阅俄嚣俄丧2008年增刊
技术探讨
图6主程序流程图
计时考虑到应用场合的安全性,系统软件采取周期性采集的工作模式,当无线接收模块接收到采集数据后将会处理为实际物理意义数据,然后进行发送。
最后,数据采集完毕后自动返回检查自身网络状态。
4结束语
本文介绍了基于无线网络的烟雾传感器节点的设计。
该无线烟雾传感器网络节点能够通过无线网络实现对现场烟雾参数的实时检测。
经过近2个月的实验以与现场测试与分析,可以证明,本系统已经取得了较好的监测效果,测量基本符合实际的结果。
该系统结合了无线传感器网络具有的低功耗、低成本等独特优势,在烟雾预测领域具有很好的应用前景。
参考文献
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2DaroldWobschall.AWirelessGasMonitorwithIEEE1451Protocol[J].IEEESensorsApplicationsSympo—sium,7~9February2006.
(下转第125页、^^^^Ⅳ
135
TECHNICALEXPLORATlON
图4系统软件流程图
查和研究工作,充分考虑到了系统运行的每个环节和各种恶劣应用现场环境。
在低功耗、远距离传输方面作了特别处理,经测试功耗和射频增益均符合理论值要求。
在实际测试过程中,系统运行比较稳定,测量符合实际的结果,完全达到了对瓦斯气体浓度的无线监测。
随着无线技术在工业应用中低功耗、远传输距离、高可靠性等一系列关键问题的解决,其应用路线将会越来越明晰。
技术探讨
参考文献
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中国电力出版社,2005.
6王平,王泉等著.测量与控制用无线通信技术[M].电子工业出版社,2008.3(11:
96—98.
作者简介:
戴剑波,硕士研究生,研究方向为工业无线网络控制与其应用、无线传感器网络。
王泉,硕士,讲师,研究方向为网络控制技术、无线控制网络与其应用、无线传感器网络。
国际传感器网络ISO/IECJTCl工作组专家,美国仪器仪表协会工业无线委员会ISAl00的VotingMember。
王平,教授、博士生导师,研究方向为工业以太网与网络控制技术、无线传感器网络、工业无线通信技术、汽车电子控制系统的研究。
(上接第135页
3DickCaro,WirelessNetworksforIndustrialAutoma—tion,/SAPress,2004.
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作者简介:
王进贤,硕士研究生,研究方向为网络控制技术、无线控制网络与其应用、无线传感器网络。
甲阅俄甏便表2008年增刊
王泉,硕士,讲师,研究方向为网络控制技术、无线控制网络与其应用、无线传感器网络。
国际传感器网络ISO/IECJTCi工作组专家,美国仪器仪表协会工业无线委员会ISAl00的VotingMember。
王平,教授,博士生导师,主要从事工业以太网与网络控制技术、无线传感器网络、工业无线通信技术、汽车电子控制系统的研究。
戴剑波,硕士研究生,研究方向为工业无线网络控制与其应用、无线传感器网络。
w、MⅣ
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一种无线烟雾传感器节点的设计与实现作者:
作者单位:
王进贤,王泉,王平,戴剑波重庆邮电大学重庆市网络控制与智能仪器仪表重点实验室(重庆400065相似文献(1条1.期刊论文屠秋萍智能化家庭安全报警系统的设计-现代企业教育2010,""(14本文所设计的系统主要由单片杌和TC35i短信模块组成,借助现行最成熟可靠、最稳定的GSM无线网络,以最直观的中文短消息或电话形式,直接把报警地点的情况反映到您的手机屏幕上.它采用主动式红外传感器进行检测,变有形的传统防盗网防盗窗为无形,可以给火灾时的逃生提供方便.并配备烟雾传感器和燃气泄漏传感器,实现防火、防燃气泄漏的作用,是操作简便,实时性好的新型报警系统.本文链接:
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蔡福瑞(wfjxlgdx,授权号:
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2010年11月20日
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