陳媛媛

摘 要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）有著廣泛的用途。例如，它可以用作收集多種環(huán)境信息的強(qiáng)大工具。這種類型的監(jiān)控適合物聯(lián)網(wǎng)（IoT）概念，旨在通過監(jiān)控優(yōu)化工作流程，提高管理效率。在這論文的研究中，基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中開發(fā)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)得到了局部溫度測(cè)量的目的。

1.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是通信受限設(shè)備（有限計(jì)算力量、記憶和能量）之間的網(wǎng)絡(luò)。這些網(wǎng)絡(luò)是由大量可以相互之間進(jìn)行無線通信的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有傳感、數(shù)據(jù)處理和通信功能。對(duì)于每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，最重要的考量因素為低功耗。

2.芯片簡(jiǎn)介

（1）測(cè)溫芯片

本文使用的溫度傳感器是德州儀器Ti公司的LM60。根據(jù)德州儀器Ti公司的數(shù)據(jù)，該裝置可感測(cè)-40℃至+125℃的溫度范圍，供電電壓標(biāo)準(zhǔn)為2.7 V，其輸出電壓范圍為：2.7伏至10伏）。輸出電壓具有線性標(biāo)度，系數(shù)為6.25 mV/℃，直流偏移為424 mV。這個(gè)傳感器的標(biāo)稱輸出電壓范圍為174 mV至1205 mV（適用于-40°C至+125°C的溫度范圍）。

（2）WSN節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)介

本文WSN節(jié)點(diǎn)所用芯片是CC2530，CC2530是德州儀器Ti公司用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案，是作為ZigBee無線傳感網(wǎng)學(xué)習(xí)的最佳平臺(tái)。

Ti公司為CC2530 ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)開發(fā)提供了各種開發(fā)環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)調(diào)試工具等，方便進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)及工程運(yùn)維中的故障調(diào)試。在實(shí)際物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景中，智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的工程現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、布局、設(shè)施改造等都會(huì)傳感網(wǎng)調(diào)試帶了很大影響。通過對(duì)各種軟件工具的使用，能夠優(yōu)化設(shè)備性能和排除故障，讓系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）WIFI網(wǎng)關(guān)

ESP8266是Wi-Fi串口模塊，完成Wi-Fi數(shù)據(jù)與串口UART數(shù)據(jù)間的轉(zhuǎn)換。ESP8266的工作溫度范圍大，且能夠保持穩(wěn)定的性能，能適應(yīng)各種操作環(huán)境。

3.系統(tǒng)方案

系統(tǒng)框圖如圖1所示。本文針對(duì)工控領(lǐng)域某些設(shè)備工作狀態(tài)檢測(cè)，設(shè)計(jì)了監(jiān)控?zé)o線網(wǎng)絡(luò)，可同時(shí)對(duì)設(shè)備溫度、電壓進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。

形成WSN的每個(gè)設(shè)備都用一個(gè)圓表示。這個(gè)網(wǎng)關(guān)Gateway由Wi-Fi模塊ESP8266組成?！癉”對(duì)應(yīng)于終端設(shè)備。該終端設(shè)備負(fù)責(zé)溫度傳感和它發(fā)送到父節(jié)點(diǎn)（中繼器或協(xié)調(diào)器）?！癛”表示所涉及的中繼器，管理終端設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)并重新傳輸它們到它的父節(jié)點(diǎn)?！癈”為協(xié)調(diào)器設(shè)備。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)將從整個(gè)WSN接收到的消息傳遞給Wi-Fi集成模塊（ESP硬件）。一旦數(shù)據(jù)收集完成后，WIFI模塊將它們發(fā)送到本地?zé)o線TCP/IP網(wǎng)絡(luò)。所有的溫度、日期信息均可以通過互聯(lián)網(wǎng)訪問。協(xié)調(diào)器充當(dāng)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，收集低層代理發(fā)送的數(shù)據(jù)包（中繼器和終端設(shè)備）。

系統(tǒng)硬件由三個(gè)模塊組成（協(xié)調(diào)器、中繼器和終端設(shè)備）創(chuàng)建一定范圍內(nèi)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。作為終端設(shè)備運(yùn)行的設(shè)備由電池供電，中繼器和協(xié)調(diào)器使用microUSB接口和電源連接到電網(wǎng)。所有模塊都有LED顯示重置設(shè)備和按鈕。

協(xié)調(diào)器是負(fù)責(zé)生成基于IEEE 802.15.4模式的網(wǎng)絡(luò)。它負(fù)責(zé)將WSN中接收到的所有數(shù)據(jù)通過UART發(fā)送到ESP。對(duì)于此項(xiàng)目，協(xié)調(diào)器或中繼器最多可以有10個(gè)子設(shè)備。終端工作于低功耗模式，周期性進(jìn)行溫度采集，然后上傳至中繼器或協(xié)調(diào)器。

圖2顯示了通過網(wǎng)絡(luò)采集到的其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)設(shè)備的溫度與電壓值，其時(shí)間為2019年9月20日至10月6日。

網(wǎng)絡(luò)固件穩(wěn)定，組網(wǎng)靈活方便，采用良好的電源供電可使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)間超過一年，適合于室外50米以下范圍，以及穩(wěn)定室內(nèi)場(chǎng)景下的儀表監(jiān)測(cè)。

結(jié)論

隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將是獲取和傳輸信息的關(guān)鍵。隨著新的解決方案，將有更多典型應(yīng)用出現(xiàn)。