基于无线通信的温度监测系统的设计

摘要:通过对单片机技术和无线传感器网络技术的研究，介绍了一种具有分层结构的无线通信的温度监测系统， 并设计了基于这种分层结构的通信协议，给出了系统的硬件结构和软件设计。应用结果表明，系统可以广泛应用在需要温度监测的领域。

1　引言

温度与人们的生产生活密切相关，需要对温度监测的场合非常多。传统的有线测温方式存在着布线复杂，线路容易老化等问题。无线测温技术与有线测温技术相比，有成本低、携带方便、搭建网络简单快捷等特点，特别是在有线网络不通畅或由于现场环境因素的限制不便架设线路的情况下，使用无线通信技术进行温度监测显得更加实用、快捷。

无线传感器网络技术在21世纪有了很大的发展，典型的传感器网络是指由大量同构的、微小的、资源受限的、基本不动的传感器节点随机分布在被测量区域形成的大规模的、自组织的、多跳的、未分割的网络。

而在一些场合我们并不需要构建大规模的、自组织的网络，结合无线传感器网络的特点，本文提出了一种具有分层结构的无线通信的温度监测系统，并给出了这种分层结构的通信协议，该系统吸取了无线传感器网络的特点同时又不需要考虑传感器网络的自组织建网，降低了功耗。

2　系统的组成结构

参照无线传感器网络中的分簇结构，以降低功耗为目的，本文提出了具有两层结构的基于无线通信的温度监测系统，系统由大量的无线传感器节点、二级节点和一个主节点组成。系统结构如图1所示，主节点M相当于无线传感器网络中的一级簇首，同时又是主控节点。1、2、……、N相当于无线传感器网络中的二级簇首，文中称为二级节点，A1、A2、……、Am为二级节点1的子节点， B1、B2、……、Bm为二级节点2的子节点， N1、N2等为二级节点N的子节点等等。分布在传感器网络中的簇首节点主要用于接收传感器节点的数据上报，并将其进行融合处理。本系统的主控节点M没有能量限制，主要负责收集和协调各个子节点的数据，并将其处理后上传给监控主机。二级节点主要负责收集各个传感器子节点的数据，并且负责接收和下发主控节点的命令，在整个结构起中转的作用。传感器子节点带有射频收发器主要用于温度的采集和传输。为了节约能耗，底层传感器节点工作在睡眠- 侦听模式，只有收到二级节点的数据请求命令才传送数据。

图1　系统结构

主控节点通过串口与监控计算机通信，各二级节点要放到与主控节点距离较近的位置，传感器子节点随机放置。本系统射频传输成本低，功耗小，采用两层结构的通信方案，能够满足较远距离的温度监测。

3　系统硬件设计

3.1　传感器节点的硬件设计

一个完整的传感器节点需要有小尺寸、低功耗，短距离通信的特点，因此一个传感器节点通常由传感器模块、处理器模块、无线通信模块组成。本系统的传感器节点硬件结构如图2所示。

图2　传感器节点硬件结构图

温度传感器采用DALLAS公司生产的DS18B20，DS18B20具有独特的单总线接口，只需一个接口引脚即可通信，并且多个DS18B20可以存在于同一条单线总线上，测量范围为- 55～125 ℃，以9位数字值方式读出温度，需要的外围器件很少，体积小，满足传感器节点的要求。

单片机ATmega16L是Atmel公司的基于AVR的增强型R ISC结构的极低功耗的8位CMOS微控制器。

Atmega16L数据吞吐率高达1M IPS/MHz，从而缓解了系统在功耗和处理速度之间的矛盾，有六种睡眠模式，并且在1MHz， 3V， 25 ℃时的功耗在正常模式是111mA，在空闲模式是0135mA，适合传感器节点的低功耗要求。

无线通信芯片采用Nordic公司的NRF905无线收发芯片。NRF905是一款工作在433 /868 /915频段上的可编程的单片射频收发器，体积小，外围电路简单，集成度高。NRF905可以自动完成处理字头和CRC (循环冗余码校验)的工作，可由片内硬件自动完成曼彻斯特编码、解码，使用SP I接口与微控制器通信。其功耗非常低，以- 10 dBm的输出功率发射时电流只有11 mA，在接收模式时电流为1215 mA。最主要的特点是可以通过单片机编程给每片NRF905分配地址，地址宽度最多可达4字节。

传感器节点主要负责温度的采集和无线发送，传感器DS18B20将采集的数据发送给Atmega16L， At2mega16将数据通过SP I口发送给NRF905，再由NRF905将数据打包后发送给二级节点。

3.2　主控节点和二级节点硬件设计

主控节点和二级节点的硬件结构如图3所示，处理器都是采用了低功耗的单片机ATmenga16L，发射芯片采用Nordic公司的NRF905无线收发芯片，有区别的是主控节点通过RS232与监控计算机通信，主控节点收集的来自各个传感器节点的数据经简