災變現場檢測的無線傳感器網絡節點設計

夏繼強，王 皓

(北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京 100191)

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災變現場檢測的無線傳感器網絡節點設計

夏繼強，王 皓

(北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京 100191)

將無線傳感器網絡技術應用于災變現場環境信息采集中，設計具有環境數據采集功能，定位功能和無線通信功能的傳感器節點。該節點以具有ZigBee通信功能的CC2530處理器為核心，集合數據采集模塊，GPS定位模塊，數據存儲模塊和功率放大模塊等硬件來實現各項功能。經過測試，所設計的節點能夠實現所要求的各項功能，并且具有低功耗、體積小等優點。

無線傳感器網絡；災變現場；ZigBee; 數據采集；定位；無線通信

0 引言

核泄露事故、火山爆發等災變事故現場一般具有強輻射，高溫和強腐蝕的特點。由于這些災變事故現場環境復雜，檢測人員一般無法直接進入事故后的現場進行環境信息的采集，目前針對該類事故現場的環境檢測主要通過應急監測系統，包括固定監測系統和移動監測系統。固定監測系統可以長期連續地記錄特定區域的測量數據，其缺點是監測范圍固定有限[1]。移動監測系統具有機動能力強，采集區域廣的優點，但其難以長期穩定獲得某個特定區域的數據，并且移動監測終端的設計成本高昂。

本文將無線傳感器網絡技術應用到意外災變事故現場的環境檢測中，在實際應用中，傳感器節點通過高空撒播等方式進入災變現場，進行環境數據采集，獲取環境信息。為獲得節點的位置信息，需要通過定位模塊獲取節點的地理位置。節點通過無線通信方式建立網絡傳輸數據，實現節點之間數據的數據共享，外界通過獲取網絡中任何一個節點的數據即可獲取網絡中所有節點的采集數據，從而獲得該網絡覆蓋區域的環境信息。將無線傳感器網絡技術應用于災變檢測中，既能連續獲取區域的測量數據，同時可以根據要求有目的地撒播節點，具有靈活機動的優點，同時其價格低廉，能夠有效降低成本。

本文設計具有環境信息采集功能，定位功能和無線通信功能的傳感器節點。采用具有ZigBee通信功能的CC2530芯片作為處理器，利用數據采集模塊采集環境溫度和濕度信息，通過GPS定位模塊獲取地理位置信息和時間信息，節點間通過ZigBee無線通信技術實現數據共享。采用嵌入式設計將各模塊和處理器進行集成和開發，實現所需的各項功能。

1 傳感器節點硬件設計

用于災變現場環境檢測的無線傳感器網絡節點主要需要實現以下功能：

(1)采集環境信息。傳感器節點需要采集的環境信息包括溫度數據和濕度數據。

(2)實現定位功能。由于傳感器節點通過隨機撒播的方式進入災變現場，其位置不能確定，因此需要通過GPS模塊對傳感器節點定位，從而獲得確定位置的環境數據。

(3)自組網及無線傳輸數據。傳感器節點需要具有建網和組網的功能，從而實現節點之間的數據傳輸。傳感器節點通過各個模塊實現上述各項功能，傳感器節點的硬件主要包括具有ZigBee通信功能的處理器模塊，數據采集模塊，GPS模塊，數據存儲模塊和功率放大模塊等，其硬件結構如圖1所示。

圖1 節點硬件結構圖

1.1 處理器及通信模塊

處理器是整個節點的核心，其功能包括控制整個節點的工作流程，控制其他模塊的運行，進行數據處理以及發起無線通信等。在設計中，處理器單元選用CC2530芯片。CC2530是一款集合了處理器功能以及無線通信功能于一體的芯片。CC2530使用低功耗8051 微控制器內核，而且片上資源豐富，具有SPI、UART、I2C、ADC等外設。同時，CC2530自身帶有Zigbee 無線收發器，因此節點不需要額外的無線收發模塊來解析無線信息，這樣不僅能減少能量消耗，同時也能節約成本，能夠以非常低的總成本建立起一個無線網絡。除此之外CC2530還有以下特點：

(1)極小的封裝。CC2530采用6 mm×6 mm的QFN40封裝，物理尺寸非常小，能有效的減小傳感器節點的整體體積；

(2)可編程輸出功率高。最高輸出功率可達4.5 dBm，這為實現更遠的無線通信距離的要求提供了基礎；

(3)極高的接收靈敏度和抗干擾性能，能夠有效地保證數據傳輸的可靠性；

(4)低功耗。在收發信息時，CC2530可保證工作電流在30 mA以下，在休眠狀態時電流可低至1 μA。在總能量有限的條件下，較低的功耗能夠延長節點的工作時間。

1.2 數據采集模塊

數據采集模塊需要實現對環境的溫度和濕度的信息的采集，本設計中選擇能夠同時采集溫度和濕度信息的SHT11溫濕度傳感器。SHT11溫濕度傳感器是一款集成度高的傳感器，其物理尺寸為7.5 mm×4.5 mm×2.5 mm，具有體積小的優點。SHT11傳感器與處理器之間以I2C協議通信，接口線少，控制方式簡單，通信速率較高。SHT11傳感器通過數據線SDA和時鐘線SCL與CC2530通信，其與CC2530之間的接口電路如圖2所示。

圖2 SHT11與CC2530連接電路

1.3 GPS模塊

GPS模塊用來獲得節點位置信息，同時可以為節點周期工作提供時間參考。在設計中，GPS模塊選用UM-2828模塊，該模塊采用NEO-6 M定位芯片，定位精度可以達到2.5 m，并且其體積較小，為28 mm×28 mm×7.5 mm，滿足傳感器節點對體積的要求。UM-2828模塊與CC2530之間通過UART 口通信，具有接口線少，控制簡單的優點。UM-2828模塊與CC2530之間的接口電路如圖3所示。

圖3 UM-2828與CC2530連接電路

1.4 數據存儲模塊

由于CC2530的存儲能力有限，不能存儲足夠的環境數據信息，因此需要專門的存儲芯片來保存數據。設計中，選用25LC1024芯片來存儲數據。25LC1024芯片擁有1 Mbytes的存儲空間，能夠滿足存儲要求。25LC1024與CC2530之間通過SPI協議通信，讀寫速度快，控制簡單。25LC1024與CC2530之間的接口電路如圖4所示。

圖4 25LC1024與CC2530連接電路

1.5 功率放大模塊

CC2530自身的通信能力有限，通信距離只能達到50-100米，若要增加通信距離，需要增加功率放大模塊來達到這一要求。本設計中，選用RFX2401功放芯片來放大輸出功率，從而增加通信距離和保證通信可靠性。RFX2401體積為3 mm×3 mm×0.5 mm，具有體積小的特點，同時具有高靈敏度、低噪聲、高效和低功耗的優點。RFX2401與CC2530的連接電路如圖5所示。

圖5 RFX2401與CC2530連接電路

除以上介紹的各個模塊外，傳感器節點的硬件還包括JTAG調試接口，撥碼開關和天線等。

2 軟件設計

傳感器節點負責數據采集，并且以無線傳輸的方式，通過發送，接收和轉發數據實現所有節點的數據共享。為減少能耗，傳感器節點在工作狀態和休眠狀態之間切換，可通過軟件設置節點的工作和休眠時間。在工作狀態下，節點的軟件設計包括數據采集，同步數據，網絡維護，更新網絡信息和同步歷史數據等。節點的工作流程如圖6所示。

圖6 傳感器節點工作流程

傳感器節點從休眠狀態切換至工作狀態后，首先進行一次數據采集，包括采集環境的溫度和濕度以及通過GPS模塊獲取時間和定位信息。之后網絡中所有節點通過泛洪[2]的方式實現實時數據同步，經過實時數據同步之后，網絡中所有節點實現了此次采集數據的共享，也即網絡中每一個節點都具備了網絡中所有節點此次采集的數據。完成實時數據同步后，傳感器節點進行網絡維護，更新網絡中的節點信息。之后，節點根據更新后的網絡節點信息，對比自身已有的數據，查詢是否有歷史數據缺失，如果有缺失則發起數據請求，獲得缺失的數據。經過這一步，網絡中所有傳感器節點實現數據共享，之后節點進入休眠狀態以節約能耗。

3 節點功能測試

為驗證所設計的傳感器節點的功能，利用四個節點來采集數據和自組網絡，節點之間的距離為200 m。利用C#語言編寫上位機將節點的采集數據解析并在上位機上顯示，所得到的數

據如圖7所示。

圖7 節點功能測試結果

從測試結果來看，傳感器節點具備所需的采集溫濕度，定位和獲取時間等功能，并且能夠自組織網絡，通過ZigBee無線通信技術實現數據共享，實現了預定的各項功能。

4 結束語

本文設計了用于災變現場檢測的無線傳感器網絡節點，通過溫濕度傳感器獲得環境的溫度和濕度，通過GPS模塊獲知節點的位置信息和采集的數據的時間信息，并且通過ZigBee技術來實現節點之間的無線通信，所設計的節點具有低功耗，低成本和體積小等特點。通過測試，所設計的傳感器節點具備所要求的數據采集，定位和無線通信功能，能夠應用于復雜環境的災變現場檢測中。

[1] 魏雄,周書民. 基于GPS/CDMA的核事故應急監測系統的設計. 核電子學與探測技術,2011(12):1333-1336.

[2] HAAS ZJ, HALPERN Y,LI L.Gossip-based ad hoc routing, Proc of the IEEE INFOCOM.New York IEEE Communications Society, 2002: 1707-1716.

Design of Wireless Sensor Network Node for Detection of Environmental Accidents

XIA Ji-qiang, WANG Hao

(School of Mechanical Engineering and Automation, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100191, China)

In this paper, the wireless sensor network technology was applied in the information collection of the environmental accidents, and the sensor node with functions of data collecting, positioning and wirelessly communicating was designed. The CC2530 microcontroller with the function of communicating by ZigBee was taken as the core of the sensor node, combining with the data acquisition module, the GPS module, the power amplifier module and other modules to realize the functions required. The test results show that the sensor node designed is able to realize each function required, and the sensor node is low-power in energy consumption and small in size.

wireless sensor network; environmental accidents; ZigBee; data collecting; positioning; wirelessly communicating

國家重點基礎發展計劃項目(2013CB035503)

2014-11-21 收修改稿日期：2015-03-11

TN925

A

1002-1841(2015)08-0085-03

夏繼強(1970—)，副教授，博士，碩士生導師，研究方向為現場總線工業測控技術，智能儀表等。 E-mail：xiajiqiang@buaa.edu.cn