基于SOC的短距离无线传感器采集网络

6 2009年第 08期，第 42卷 通 信 技 术 Vol.42，No.08,2009 总第 212期 Communications Technology No.212,Totally 基于 SOC的短距离无线传感器采集网络 刘晓荣， 魏孔鹏 （东华理工大学 网络与信息中心，江西 抚州 344000） 【摘 要】文章了基于 SOC 的短距离无线传感器采集网络，完成电压、温度采集功能，该无线传感器网络是使用内 嵌 51单片机的射频 SOC(片上系统)nRF9E5为核心芯片的具有电压、温度采集功能的微型嵌入式传感器单元所组建的局域网络。 并确定了其通讯协议并完成了相关软件的设计。 【关键词】无线传感器；SOC；数据采集；通讯协议 【中图分类号】TN492 【文献标识码】B 【文章编号】1002-0802(2009)08-0006-03 A Short-Distance Wireless Sensor Acquisition Network based on SOC LIU Xiao-rong， WEI Kong-peng (East China Insititute of Technology, Fuzhou Jiangxi 344000, China) 【Abstract】This paper describes a design of wireless sensor monitoring network based on SOC and the implementation of voltage and temperature. This wireless sensor network takes embedded MCS51 radio frequency SOC (on piece system) nRF9E5 as its core chip, and is a LAN network which is composed of mini embedded sensor units and has a function of gathering the voltage and temperature data. The communication protocol and related software design of the network is discussed in detail. 【Key words】wireless sensor network; SOC; data acquisition; communication protocol 0 引言 分布式控制中的数据传输分为有线和无线两种，在电池 化成工艺中，分体蓄电池散落分布且数目较多，检测装置拆 卸频繁，布线工作比较繁重。因此无线监控系统更以不可取 代的优势在电池化成工艺中显得更为灵活和简便。本文介绍 基于 SOC的短距离无线传感器采集网络的设计。 1 无线传感器模块结构 无线传感器模块与数据接收模块具有相同的结构,实现 了模块的通用化。如图 1所示,模块由 nRF9E5无线传送单元、 A/D电压采集单元和温度采集单元三部分构成。其中,无线传 感器模块没有用nRF9E5的串口,无线通讯模块A/D电压采集 单元、温度采集单元没有用。 图 1无线传感器节点结构框 2 无线传感器硬件设计 2.1 电源变换单元 节点供电直接用蓄电池两端电压,由于供电蓄电池有 2V 收稿日期：2008-11-20。 基金项目：江西省自然科学基金（编号：2007GZW0481）。 作者简介：刘晓荣（1973-），男，讲师，硕士，主要研究方向为计算机网络。 7 和 12V 两种供电电源,因此电源变换有两种形式:2V 转换为 3.3V和 12V转换为 3.3V。转换芯片采用 ON公司升压芯片 NCP140233T1 和降压芯片 LM2575-3.3 两种芯片。ON 公司 电源芯片具有优越的特性:NCP140233T1可用 0.8V电源启动, 最高可达 6V,只用四个元器件就能实现高效的电源变换器,最 大输出可达 200mA ;LM2575-3.3输入带宽为 4-40V,输出电压 稳定,输出电流 1A以上。 电源前端通过跳线选取供电电源。当 2, 3连结时升压芯 片起作用,完成 2V转 3.3V的工作;当 1, 2连结时将压芯片起 作用,完成 12V转 3.3V的工作。二极管 DS防电源反接。电 源变换电路如图 2。 图 2电源变换电路 2.2 单片无线收发模块 nRF9E5 nRF9E5是 Nordic VLSI公司于 2004年 2月 5日推出的 系统级 RF 芯片,其内置 riRF905 433/868/915MHz 收发器、 8051兼容微控制器和 4输入 10位 80ksps A/D转换器,是真正 的系统级芯片。内置 nRF905 收发器与 nRF905 芯片的收发 器一样,可以工作于 ShockBurst(自动处理前缀、地址和 CRC) 方式。内置电压调整模块,最大限度地抑制噪音,为系统提供 1.9~3.6V 的工作电压,QFN5×5mm 封装,载波检测。nRF9E5 符合美国通信委员会和欧洲电信学会的相关标准。由于 nRF905功耗低,工作可靠,因此很适用于无线数据传输系统的 设计。 2.3 nRF9E5无线传送单元硬件电路 该无线传感器模块的硬件设施也用于控制单元的无线 通信接口,本设计中把 nRF9E5的 P0.1, P0.2口配置成 SCI模 式,串口与控制单元进行串行通讯。控制单元通过该无线通讯 模块与分布在现场的各无线传感器模块进行数据通信,实现 了模块的通用化。 2.4 数字式温度传感器 DS18B20 由于 DS 18B20独特的单总线接口方式在多点测温时有 明显的优势,占用MCU的 I/O引脚资源少,和MCU的通信协 议比较简单,成本较低,传输距离远,所以,选用 DS18B20 作为 温度测量的传感器。接线方式 1U3 转换速度快,转换精度高, 与微处理器的接口简单,本系统挂用一片 DS18S20,采用外接 电源工作方式。它的主要技术特性如下: ① 具有独特的单总线接口方式,即微处理器与其接口时 仅需占用 1位 I/O端口。 ② 支持多节点,使分布式多点测温系统的线路结构设计 和硬件开销大为简化。 ③ 测温时无需任何外部元件。 ④ 可以通过数据线供电,具有超低功耗工作方式。 ⑤ 测温范围为-55~+125℃,测温精度为士 0.5℃。 ⑥ 温度转换精度 9-12位可编程,能够直接将温度转换值 以 16位二进制数码的方式串行输出。12位精度转换的最大 时间为 750ms。 2.5 电压采集电路 现场单体蓄电池电压分为 12V和 2V,为使无线传感器模 块更具通用性。当 SJ1的 1, 2接点和 SJ2的 2, 3接点短接时 对 12V电压进行测量;当 SJ1的 2, 3接点和 SJ2的 1, 2接点短 接时对 2V电压进行测量。D1和 D2用于反接保护。 采用差分方式完成电压跟随功能,实现精确的电压测量。 运放选用 TI 公司产品 TLV2252,该芯片为输入电压 2.7V 到 8V 的单电源双路满电源幅度、低压微功耗运放。具有优越 的特性。AD 转换参考电压可以通过软件设置在 AREF 和 1.22V之间。此处取 3.3V。 以 12V电压采集为例,1R9和 1810起到分压得作用,截取 12V的 1/5,能够满足 nRF9E5的AD转换范围。但 1R9和 1810 必须取精密电阻,由于蓄电池测量电压精度按要求必须达到 士 5%,选取 1%的精密电阻,不考虑运放线性带来的误差,可算 出 12V测量时的硬件最大误差。 100 100 *1% 20% / 20% 19% 500 500*1% -æ ö- = -ç ÷+è ø (1) 100 100*1% 20% / 20% 20% 500 500 *1% +æ ö- = -ç ÷-è ø (2) 可以看出误差范围是士 20%,如果考虑其它硬件可能产 生的误差,则可能产生的误差将远远超过产品要求大出很多, 这部分误差要通过软件进行线性补偿来完成。2V 采集相对 于 12V采集硬件误差由于没有分压故误差小一些。电压采集 原理图如图 3所示。 图 3 电压采集原理 8 3 通讯协议 对于单台控制单元,系统采用轮询方式由 1 个接收数据 端向多个无线传感器模块采集温度、电压数据。同时要求各 端能够根据接收的数据内容判断信号来自哪一个发送模块。 Preamble为引导字节,Add为接收机地址,Payload为有效 加载数据(包括目的机识别码 Aim、源信号机识别码 Source 及 Data字,状态字 X=1时 Data为命令字,X=0时 Data为浓度 数据),CRC 为校验码。当由接收数据端向发送数据端发送时 X=1,反之X=0, nRF9E5处于发射模式时,Add和 Payload由微 控制器按顺序送入射频模块 nRF905. Preamble 和 CRC 由 nRF905 自动加载。接收模块时,nRF905 先接收一个数据包, 分别验证 Preamble, Add和 CRC正确后,再将 Payload数据送 入微控制器处理,当接收机微处理器判断Payload中的Aim和 本机识别码一致时,继续处理后继数据,否则放弃该数据包。 将 二 级 采 样 点 的 接 收 数 据 端 识 别 码 依 次 0x100h......0xF00h,则各接收数据端覆盖范围内可轮询 255个 无线传感器模块的识别码依次为 0xX01 h. . . . . . 0xXFFh。理 论上可对现场 3825个单体蓄电池进行采样。 4 无线传感器软件设计 根据系统的硬件设计,软件程序包括现场无线传感 器模块软件、网关软件和基站软件。现场采集节点软件完成 无线传感器模块向接收模块发送数据,在没有网关采集命令 时,现场采集节点循环采集单体蓄电池温度和电压工作,当有 采集命令时把采集数据上传。现场无线传感器模块主程序如 图 4所示。 ① 温度采集。 主机控制 DS 18B20 完成温度转换必须经过三个步骤:初 始化、ROM操作指令、存储器操作指令。必须先启动 DS18B20 开始转换,再读出温度转换值。由于一个无线传感器仅挂接一 个芯片,使用默认的 12 位转换精度,外接供电电源,可写出完成 一次转换然后单片机发送读寄存器命令,把相应 DS 18B20 寄 存器内的数据先放入单片机 RAM的指定地址中。 ② 电压采集。 电压采集软件包括采集部分和数据处理部分,数据处理 分为数字滤波与线性回归。程序框图如图 5所示。 本文作者创新点:本文介绍了短距离无线采集网络的设 计,对本设计的无线模块的软硬件、电压、温度参数的采集方 法和节点间的通讯协议几个方面进行了具体的论述。该无线 传感器监控网络电路简单，搭建方便，易于扩展，经过软件 对电压进行非线性补偿后，测电压精度可进一步提高，因此 本系统具有广阔的应用前景。 图 4 无线传感器模块发送程序框 图 5 电压采集程序框 参考文献 [1] 王英洲，方旭明.短距离无线通信主要技术与应用[J]. 数据通信， 2004(4): 53-56. [2] 苏志雄,郭慧晶,吴一亮,等. 无线传感器网络 SOC 芯片的低功耗设 计[J]. 微计算机信息, 2007, 2-2: 133-134. [3] 李建中，李金宝，石胜飞.传感器网络及其数据管理的概念、问题与 进展[J].软件学报，2004,14(10): 1717-1727. [4] 沙占友.智能化集成温度传感器原理与应用[M].北京:机械工业出版 社，2002. 启 事 因资料不详，请《一种基于自适应方法的循环平稳信号检测器设计》的作者张意忠速与本刊联系！ 《通信技术》编辑部 2008.8.6