李百明 何學文 黃國平

[摘要]針對當前鎢礦環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)大多采用存在監(jiān)測盲區(qū)的有線網(wǎng)絡這一問題,設計無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測。實踐結果表明該系統(tǒng)具有較高的實用價值和應用前景。

[關鍵詞]環(huán)境監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡鎢礦

中圖分類號:TP301文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)1110055-01

本文通過對當前的鎢礦環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)狀的研究,結合無線傳感器網(wǎng)絡技術、嵌入式系統(tǒng)技術和網(wǎng)絡通信技術,設計和實現(xiàn)了一套適用于鎢礦環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)。

一、礦山環(huán)境無線傳感器網(wǎng)絡總體設計

由于有線監(jiān)測系統(tǒng)其自身的局限性以及生態(tài)環(huán)境的復雜性,特別是無法對危險環(huán)境進行監(jiān)測,導致在某些場合有線監(jiān)測系統(tǒng)已導致在某些場合有線監(jiān)測系統(tǒng)已不能滿足人們的需求[1]。針對鎢礦復雜的環(huán)境,分析了系統(tǒng)的結構體系,設計了一種適用于鎢礦環(huán)境參數(shù)監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)結構。該結構為一個層次型網(wǎng)絡結構,底層為部署在監(jiān)測環(huán)境中的終端無線傳感器節(jié)點,上層依次為無線傳感器匯聚節(jié)點、傳輸網(wǎng)絡、上位機(監(jiān)控計算機),最終連接到Internet和公司局域網(wǎng)。系統(tǒng)總體架構如圖1所示。

二、無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點硬件設計

(一)節(jié)點硬件結構設計

傳感器節(jié)點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供給模塊組成[2]。傳感模塊主要負責監(jiān)測區(qū)域內信息的采集并將各種傳感器采集的信號轉變?yōu)閿?shù)字信號并傳送給處理器模塊。處理器模塊負責控制整個節(jié)點的數(shù)據(jù)處理操作、路由協(xié)議、功耗管理、任務管理和實現(xiàn)網(wǎng)絡安全可靠的通信協(xié)議[3]。無線通信模塊負責與其他節(jié)點進行無線通信,交換控制消息和收發(fā)數(shù)據(jù)。能量供給模塊負責為節(jié)點各個功能模塊供電。

(二)各功能模塊設計

1.微處理器模塊

在選擇微處理器時切忌一味追求性能,選擇的原則[4]應該是“夠用就好”?，F(xiàn)在微處理器運行速度越來越快,但性能的提升往往帶來功耗的增加。一個復雜的微處理器集成度高、功能強,但片內晶體管多,總漏電流大,即使進入休眠或空閑狀態(tài),漏電流也變得不可忽視;而低速的微處理器不僅功耗低,成本也低。另外,應優(yōu)先選用具有休眠模式的微處理器,因為休眠模式下處理器功耗可以降低3～5個數(shù)量級?？紤]實際需求,本設計中處理器模塊選擇ATMEL公司的AVR系列的ATmega128L單片機。ATmega128L[5]是ATMEL公司于2001年推出的采用低功耗COMS工藝生產(chǎn)的基于AVR RISC結構的8位微控制器,是目前AVR系列中功能最強大的單片機。該單片機具有體積小、功耗低、集成度高、支持睡眠模式、喚醒時間短、運行速度快、成本低和足夠的外部接口等特點。

2.無線通信模塊

無線通信模塊選擇Chipcon公司的CC2420芯片。CC2420是Chipcon公司推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4標準的無線收發(fā)器。它基于Chipcon公司的SmartRF03技術,以0.18umCMOS工藝制成,只需極少外部元器件,性能穩(wěn)定且功耗極低。該無線收發(fā)芯片具有集成度高,工作電壓低、功耗低和靈敏度高等優(yōu)點,易于得到廠商提供的協(xié)議棧和開發(fā)套件。

3.傳感器模塊

根據(jù)項目的應用背景和實際需要,選擇傳感器對監(jiān)測區(qū)域內的溫度、濕度、粉塵、二氧化碳、一氧化碳和氧氣等參數(shù)進行監(jiān)測。在節(jié)點的硬件設計和研制中,充分考慮了傳感器的能耗、精度、采樣頻率、與微處理器的接口特性等要求。為了提高節(jié)點的可擴展性,在節(jié)點中提供了可擴展不同傳感器的接口。

設計中選用了溫濕度傳感器、粉塵傳感器、二氧化碳傳感器、電化學傳感器分別對溫度、濕度、粉塵、二氧化碳、一氧化碳和氧氣等參數(shù)進行探測。選用了瑞士盛世瑞恩(Sensirion)公司的數(shù)字溫濕度傳感器SHT10采集環(huán)境的溫度和濕度。粉塵傳感器選用日本神龍公司的粉塵傳感器PD4NS。二氧化碳、一氧化碳和氧氣的探測分別選用瑞士盟巴玻(Membrapor)公司的生產(chǎn)的電化學傳感器6004二氧化碳傳感器、O2/I-06氧氣傳感器、CF-1000一氧化碳傳感器。

4.電源供給及管理模塊

能量是無線傳感器網(wǎng)絡最寶貴的資源,它決定著傳感器網(wǎng)絡的壽命。為了滿足降低節(jié)點能耗的目標,節(jié)省系統(tǒng)電源,傳感器模塊只有在工作時才啟動,因此電源供應及管理模塊中研究了采用TI公司TPS 79501傳感器模塊電源控制器。TPS 79501具有超低噪聲、高PSRR、高電平啟用等特點,輸出為1.2V～5.5V電壓可調的低壓降穩(wěn)壓器,驅動能力達500mA～7.5A。

三、節(jié)點軟件系統(tǒng)設計

無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點是個資源受限的嵌入式系統(tǒng),包括硬件資源受限、帶寬有限、能量受限及補給困難的特點,決定了現(xiàn)有的一些嵌入式操作系統(tǒng)(如Linux操作系統(tǒng))不能很好適用于傳感器網(wǎng)絡節(jié)點。

TinyOS是目前傳感器網(wǎng)絡的主流操作系統(tǒng),采用基于組件的體系結構,應用程序的各個功能都是由相應的組件實現(xiàn)的。當事件對應的硬件中斷發(fā)生時,TinyOS的事件驅動機制能夠快速地調用相關的事件處理程序,從而使CPU在事件發(fā)生時迅速執(zhí)行相關任務,在處理完之后進入睡眠狀態(tài),從而有效的提高了CPU的使用效率,并且節(jié)省了能量。

四、結論

在鎢礦環(huán)境監(jiān)測中采用無線傳感器網(wǎng)絡,利用傳感器節(jié)點功耗低、工作時間長、成本低、能自組織地通信以及在危險區(qū)域和大面積監(jiān)測中容易布置等特點,能夠實現(xiàn)鎢礦環(huán)境參數(shù)低成本連續(xù)在線監(jiān)測,較傳統(tǒng)在線監(jiān)測系統(tǒng)具有更大的優(yōu)勢,對于礦山安全具有重要意義。

基金項目:國家自然科學基金項目(No.50764005)

參考文獻:

[1]黃布毅、常亞軍、張海霞等,基于無線傳感器網(wǎng)絡的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)設計,通信技術,2008,41(9):170～172.

[2]孫利民、李建中,無線傳感器網(wǎng)絡,北京:清華大學出版社,2005.

[3]姜連祥、汪小燕,無線傳感器網(wǎng)絡硬件設計綜述,單片機與嵌入式系統(tǒng)應用,2006.11.

[4]王殊、胡富平、屈曉旭等,無線傳感器網(wǎng)絡的理論及應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2007.

[5]馬潮,高檔8位單片機ATmega128原理與開發(fā)應用指南(上),北京:北京航空航天大學出版社,2004.

作者簡介:

李百明(1984-),男,黑龍江省海倫市人,碩士研究生。