基于无线传感网络的环境温度监测系统设计

HUNANUNIVERSITY

基于无线传感器网络的环设计论文题目：

境温度监测系统研究学生姓名：王利阁

学生学号：S1309W1014

小组成员：刘杰

成员学号：S1309W1016

课程名称：无线传感网络设计

指导老师：杨唐胜

学院名称：电气与信息工程学院

2014年1月6日

基于无线传感网络的环境温度监测系统研究

【摘要】在工业测量领域，往往需要长时间、大范围、多通道的数据测量系统。而在野外环境监测领域，由于环境条件的特殊情况，经常使监测系统因为电源、长距离布线等因素的存在而难以有效部署。无线传感器网络由于其低功耗、自组织路由、无需布线等特性，特别适合于工业领域的野外测量。本文以野外环境温度监测为例，采用Zigbee无线传感网络技术，设计了一套无线温度监测系统，对100平方千米的林区实时采集温度信息，并通过网络互联技术完成Zigbee无线传感网络与以太网的连接，将采集到的信息送到远距离的监控中心，实现远程实时监控。

1、引言

无线传感网络能够自主协同地实时监测、感知和采集网络覆盖区域中各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理，通过无线多跳的方式传送给观察者，方便远距离控制。传感器节点是构成无线传感网络的基础，大量传感器节点随机的部署在监控区域内，能够通过自组织方式形成网络。传感器节点监测的数据经过多跳路由并经路由节点进行数据融合，剔除冗余数据，将有效数据传输至汇聚节点，最后通过互联网或卫星通信到达监控中心。但是对于野外环境的监测系统，节点大多采用电池供电，如何节省能量，延长网络寿命是将直接影响整个无线传感网络的性能，因此功耗是无线传感器网络的重要指标之一。除了在选用低功耗芯片等方面降低节点的功耗外，本文还通过在一些重要的路由节点安装太阳能电池板来延长节点寿命，并通过综合运用数据融合技术，动态路由技术来延长网络寿命。

2、系统总体设计方案

分布在监测区域的传感器节点将所采集到的温度数据发送给相邻的路由节点，路由节点将所接收的数据进行融合后并由多跳路由协议再转发给靠近采集节点的汇聚节点，由于本系统是应用于野外环境温度监测，汇聚节点无法通过以太网直接与上位机相连，故采用GPRS网络作为系统长距离传输方式。汇聚节点经过融合处理将接收到的数据经GPRS网络发送到监控中心。监控中心也通过类似的过程对监控区域进行管理。基于无线传感网络的环境温度检测系统如图1所示。

簇头

GPRS 骨干网

汇聚节点

监测区域

图1 环境温度监测系统架构

本系统主要实现采集节点对环境中温度的采集和处理，采集节点和汇聚节点间的通信，汇聚节点对数据的存储与处理，以及汇聚节点与远程终端间的通信。

3、路由协议

针对无线传感网络选择恰当的路由路径不仅对数据的有效传输至关重要，对于节省节点的能量也起着关键性作用。针对本文所采用的树形网络拓扑结构，选择集群结构路由协议中最具启发性的LEACH 协议。集群结构如图2所示

Base Station

简单节点

二级簇头

一级簇头

图2 集群结构

集群结构的网络主要有以下优点：

（1）非簇头节点只需要与簇头节点通信，可以很大程度地节省能量； 任务管理节点

（2）只有簇头节点需要进行较复杂的数据计算，如数据融合。因此可以很大部分节点工作于低性能节点；

（3）簇内节点之间的数据相关性较高，这给数据融合带来了方便。

LEACH 协议为了避免让网络中的某些节点过早的先于其他节点因能耗过多而失效，将周期性的随机选择节点来充当簇头节点。当新的簇头节点形成，其它的非簇头节点将寻找最近的簇头，并加入其所形成的簇。簇内节点所采集的数据直接发送给簇头，由簇头进行数据融合后再发送给远端的Sink 节点。

在LEACH 协议中，时间被分为若干轮。每次重选簇头之间的时间间隔即为一轮。每一轮中包含两个阶段：初始化阶段和稳定阶段。初始化阶段用于新簇形成以及新簇的一些其它初始化操作，而稳定阶段即是正常的数据传输阶段。LEACH 协议中节点每轮以下面的概率选择自己作为簇头：

()()()?

?????=1,min k t E t E t P total i i （1） 式中，()t E i 为节点i 在t 时刻的剩余能量；()t E total 为所有节点能量值和；K 为每一轮随机选择K 个节点作为簇头。

初始化阶段的主要工作即确定哪些节点将充当簇头，并和其他临近节点形成一个簇结构，然后簇头分配各节点的TDMA 时间片。这一流程可表示如图3所示。

节点i为簇头？

广播簇头状态等待簇头的广播

等待请求加入向簇头发出加入请求

生成TDMA时间片安排并发送给

簇成员t=0

等待簇头

的时间片安排

t=0

稳定状态持续

t=Tround秒

Yes No

图3 初始化阶段流程图

稳定阶段簇内使用TDMA方式进行通信。为了节省能量，各节点根据在初始化阶段所接收到的广播消息的信号强度来调整自己的信号发送功率，以使得信号刚好能被簇头节点接收。另外，由于这一阶段的数据传输用的是TDMA方式，因此节点在不属于自己的时间片内可以使收发装置进入低功耗模式以节能。

LEACH协议的一大特点是动态选择簇头节点来均分能量负担，且其动态性也增加了集群网络协议对网络变化的适应性。再加上集群结构协议由于管理方便以及其稳定性特点，LEACH适合于交大规模的无线传感网络。4、硬件设计

4.1节点原理

本系统采用树状拓扑结构，在整个无线通信网络中，每个节点的功能并不都一样。为降低成本，系统中大部分节点为子节点，子节点的数量最大，他们携带各种传感器，采集所需要的各种信息，称为半功能设备（RFD)；而在网络中还有一些节点，他们不负责采集各种数据，只负责与子节点进行通信以及汇集数据和发布协调器的控制命令，在网络中起到路由的作用，称之为全功能设备（FFD）。

在拓扑结构中节点主要有三种：路由器、协调器及终端节点。每个网络中都有一个唯一的协调器，主要职责是负责建立网络并设定它们的主要参数，他相当于有线局域网的服务器，具有对本网络的管理能力。全功能节点可以作为路由器、协调器及终端节点来使用，而半功能节点只能作为终端节点使用。本文所设计的每个节点都是具备路由功能的全功能设备。

温度采集节点主要由传感器模块、微处理器模块、无线收发控制模块及电源模块4部分构成，温度采集模块通常采集的温度信息是模拟参数，然后通过A/D转换成数字信号送给单片机进行处理，如图4所示

传感器模块

存储器

处理器无线收发模块

电源

天线图4 温度采集节点结构图

在整个网络中网关节点接收的数据量最大，网络节点越多，网络越复杂，网关需要处理的数据量越大，网关的处理速度非常重要，直接影响整个网络的通信效率。因此，网关节点的微处理器一般要比传感器节点的性能要优越一些，网关的设计也比普通的节点复杂的多，网关所需要的存储器比一般的节点多，占用的资源也多。

网关节点主要由无线射频通信模块、微处理器、存储器、液晶显示器、GPRS模块和JTAG仿真接口组成。其与一般传感器节点不同在于数据经微处理器处理后，将处理后的数据送给GPRS模块，进行协议转换并对数据进行重新包装发送至GPRS骨干网。在网关节点中，JTAG接口是仿真下载程序的接口，方便在设计过程中的软件调试。考虑到一些重要节点如网关节点其通信量较大，能量消耗较快，在条件允许的情况下可以在这类节点上配备一块太阳能电池板，延长网络寿命，提高网络的可靠性。Zigbee无线网关结构图如图5所示：

充电管理模块

GPRS模块

电源

液晶显示

无线收发模块微处理器

JTAG调试

太阳能电池板

图5 无线网关节构图

4.2 传感器节点硬件设计

温度传感器为温度测量电路中的关键部件。本设计采用DALLAS公司的DS18B20，无线通信模块选用Chipcon公司的CC2430，CC2430集成了8051内核，可以直接作为单片机使用，对于路由节点和传感器节点而言，对微处理器性能要求不高，因此不需要单独的处理器。

CC2430芯片是一款集成了处理器内核的2.4GHz射频芯片，适合应用于Zigbee网络中路由器、终端节点和协调器，应用范围广泛。CC2430芯片在生产过程中采用0.18μm的CMOS生产工艺，正常工作时电流为27mA；在接收信号时电流损耗低于27mA，在发射信号时电流损耗低于25mA，所以CC2430芯片整体比较节能。CC2430从休眠模式唤醒时延非常短，从休眠状态到进入工作模式损耗的能量少，因此，CC2430非常适合应用于要求电池寿命长的场合。CC2430 内部使用1.8V工作电压，是比较适合于直接用电池供电的设备，而很多逻辑器件的额定电压是3.3V，为了保持与3.3V逻辑器件的兼容型，CC2430外部I/O接口的电压都使用3.3V，从而保证了CC2430可以方便的与逻辑器件连接，不需要考虑电压变换的问题，CC2430本身就可以完成把3.3V电压转化成1.8V电压的工作，这是通过CC2430片上集成的自流稳压器完成的。

温度传感器DS18B20具有超小的体积，超低的硬件开销，抗干扰能力强，精度高，附加功能强，主要特征为直接输出数字量；采用单总线数据通

信；采用12位分辨率，精度高，可达±0.5摄氏度；检测温度范围大，为–55℃到+125℃；内置EEPROM，具有限温报警功能；最大工作周期为750mS；封装形式多样，适应不同场合的硬件需求。考虑以上因素，DS18B20是本系统的最佳选择。

4.3 网关节点硬件设计

网关节点的无线通信模块仍选用CC2430，但由于网关节点要求较高的运行速度和较强的处理能力，同时考虑到功耗、性价比、外围电路和数据处理速度等方面不同优势，选用16位超低功耗单片机MSP430F449，其功耗远低于其他系列产品，并且在恶劣环境下其工作性能稳定。

MSP430单片机有16位总线，并带有FLASH，片内有2个16位的定时器、2路USART通信端口、6组I/O口，一个12位的A/D转换器、一个比较器、乘法器、一个看门狗、2个外部时钟和一个片内振荡器，支持8M时钟。MSP430具有超低功耗的体系结构，其额定工作电流为0.1-300uA，额定电压为1.8-3.6V，工作室的能耗很小。从备用模式到工作模式的唤醒时间为6uS，时延短，所以唤醒能耗低。而且具有丰富的中断处理能力，从而减少查询的时间，提高了中断处理效率。

MSP430单片机具有5种工作模式和一种活动模式，通过软件设置来控制工作模式，可以在不同的工作模式下互相转换。在不同的模式下对振荡器、CPU的状态和适中的活动状态要求不同，在低功耗模式下可通过中断方式返回活动模式。

GPRS模块采用西门子公司生产的MC35集成GSM/GPRS模块。该模块的优势在于：永久在线连接、快速数据存储和更快的数据下载速度。该模块支持双频EGSM900和GSM1800，多通道class8，体积小、重量轻，低功耗便于集成等。

4.4 电源模块设计

因为MSP430F449是3.3V供电，DS18B20工作电压为3-3.5V，另外考虑到硬件系统的低功耗问题，节点电源采用5号干电池，通过TPS60211升压至3.3V对路由器和节点供电。对于一些重要的路由节点和协调器节点可采用太阳能电池板进行供电，经充电管理模块对安装的3.5V锂电池充电，并经LM1117-3.3芯片将电压转换为3.3V输出。如图6为系统整体硬件设计

充电管理模块西门子MC35

电 源

LCD

CC2430MSP430

JTAG

太阳能电池板

CC2430DS18B20

5V 锂电池LM1117-3.35号干电池

TPS60211

图6 硬件系统整体设计

5 结束语

本文为基于无线传感网络的环境温度监测系统，实现远距离环境温度采集、传输与监控。在保证良好的网络效能基础上，通过合理选用各模块，并综合运用休眠唤醒机制、动态路由等降低功耗，延长网络寿命。该系统对于不同节点可选用不同的供电模式具有成本低，功耗低，部署灵活等优点。 参考文献

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