摘  要： 為解決惡劣環(huán)境下溫度監(jiān)測的布線困難和不易維護(hù)的缺點(diǎn)，設(shè)計了一種基于ANT協(xié)議的遠(yuǎn)程無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20測量待測點(diǎn)的溫度信息，通過ANT無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，再通過數(shù)據(jù)匯集節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)串口通信發(fā)送給監(jiān)測終端。用戶可以通過監(jiān)測軟件監(jiān)控和查詢溫度信息，實(shí)現(xiàn)對溫度的遠(yuǎn)程監(jiān)控。
 關(guān)鍵詞： 溫度采集；ANT；遠(yuǎn)程監(jiān)控；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

    許多工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境對于溫度的要求非常高，因此對于溫度監(jiān)測系統(tǒng)的要求也非常高。傳統(tǒng)意義上的溫度監(jiān)控系統(tǒng)大多采用電纜鋪設(shè)或者人工儀器測量，這樣不僅耗費(fèi)了大量的人力，設(shè)備維護(hù)方面也存在相當(dāng)大的困難。因此對于環(huán)境條件受限或者監(jiān)測范圍較大的情況，傳統(tǒng)意義上的溫度監(jiān)測系統(tǒng)就會顯得無能為力[1]。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)溫度監(jiān)測系統(tǒng)已不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，在此背景下，無線傳感網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network)應(yīng)運(yùn)而生。作為一種新型的信息收集與處理技術(shù)，無線傳感網(wǎng)絡(luò)是由布置在區(qū)域范圍內(nèi)大量傳感器組成的、通過無線通信形式形成的多跳自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可以實(shí)時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)區(qū)域范圍內(nèi)監(jiān)測對象的信息，并將信息打包傳送至客戶端。無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有檢測范圍廣、精度高等特點(diǎn)，適用于監(jiān)測環(huán)境比較惡劣、人工無法接近的地區(qū)，在軍事、家庭智能等方面具有比較廣闊的發(fā)展前景[2]。
    本文設(shè)計了一種基于ANT的遠(yuǎn)程無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用溫度傳感器采集溫度信息，然后通過微處理器模塊和ANT無線網(wǎng)絡(luò)模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，最后通過串口通信將數(shù)據(jù)傳送給PC機(jī)進(jìn)行處理并顯示，實(shí)現(xiàn)對溫度的實(shí)時監(jiān)控。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計
    ANT協(xié)議是加拿大Dynastream公司于2005年針對小尺寸、低成本、低功耗的應(yīng)用而推出的一種短距離的非標(biāo)準(zhǔn)無線射頻協(xié)議。ANT采用雙工2.4 GHz ISM頻帶射頻通信，設(shè)計用作超低功耗、易使用、高效以及高靈活性的應(yīng)用，其有效傳輸距離約為10 m~30 m，傳輸速度高達(dá)1 Mb/s，支持樹型、點(diǎn)對點(diǎn)和星型及其他網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可提供可靠、靈活、自適應(yīng)及高抗干擾的數(shù)據(jù)通信[3]。
    無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)包括溫度測量節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)匯集節(jié)點(diǎn)以及用戶監(jiān)測終端。溫度測量節(jié)點(diǎn)實(shí)時采集和傳送各個監(jiān)測點(diǎn)的溫度，與數(shù)據(jù)匯集節(jié)點(diǎn)構(gòu)成ANT無線星型網(wǎng)絡(luò)，由數(shù)據(jù)匯集節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)與接收，并將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶監(jiān)測終端，用戶監(jiān)測終端對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示，以達(dá)到監(jiān)控被測節(jié)點(diǎn)的溫度的目的。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 硬件設(shè)計
    溫度測量節(jié)點(diǎn)主要由ANT通信模塊、信息采集模塊和微處理器模塊等硬件構(gòu)成，主要功能在于采集溫度信息，并將溫度信息通過ANT網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)匯集節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)匯集節(jié)點(diǎn)由微處理器模塊和ANT通信模塊構(gòu)成，主要功能在于收集被測節(jié)點(diǎn)的溫度信息并且通過串口通信方式將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測終端。監(jiān)測終端對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示相關(guān)信息。硬件結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊
    數(shù)據(jù)采集模塊主要采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，它具有精度高、成本低、操作簡便、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，非常適用于溫度信息的采集[4]。這種傳感器采用單總線接口方式，僅需要一條線即可實(shí)現(xiàn)與微處理器的雙向通信，在采集溫度信息時，不需要外部元件的輔助，可以將溫度信息直接轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號傳輸給微處理器。DS18B20的測溫范圍為-55 ℃~+125 ℃；可編程分辨率為9~12位；精度可達(dá)到±0.5 ℃；溫度轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字格式，最大值為750 ms；電壓范圍為3.0~5.5 V，可由數(shù)據(jù)總線供電。
2.2 ANT無線通信模塊
    無線通信模塊采用nRF24AP2[5]作為主要芯片。nRF-24AP2是Nordic公司推出的新一代ANT低功耗無線網(wǎng)絡(luò)芯片，分為3個系列：nRF24AP2-1CH、nRF24AP2-8CH和nRF24AP2-USB。nRF24AP2-1CH是單通道ANT無線網(wǎng)絡(luò)芯片，nRF24AP2-8CH為8通道ANT無線網(wǎng)絡(luò)芯片，nRF24AP2-USB為USB接口8通道ANT無線網(wǎng)絡(luò)芯片。nRF24AP2具有超低功耗，單電源1.9~3.6 V供電，簡單的異步/同步主機(jī)串行接口，提供了SPI接口與微處理器的連接，抗干擾能力強(qiáng)。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要，溫度測量節(jié)點(diǎn)的通信模塊以nRF24AP2-1CH作為主要芯片，而數(shù)據(jù)匯集節(jié)點(diǎn)的通信模塊采用nRF24AP2-8CH作為主要芯片，兩種芯片都采用同步主機(jī)串行接口方式。nRF24AP2-1CH芯片與nRF24AP2-8CH芯片引腳功能是一致的，只是通道數(shù)不一樣，所以它們與微處理器連接方式一致。
2.3 微處理器模塊
    微處理器模塊采用單片機(jī)ATmega16L，該芯片是高性能、低功耗的8位增強(qiáng)AVR RISC結(jié)構(gòu)微控制器，具有較高的處理速度，內(nèi)部設(shè)有SPI接口和兩個串行通信口，可在3 V電壓下進(jìn)行低功耗工作，非常適合與選用的ANT模塊配合使用[6]。ANT模塊通過簡單的6線與ATmega16進(jìn)行連接，其中ATmega16L的SPI接口工作在從機(jī)模式，nRF24AP2設(shè)為主機(jī)工作模式。ATmega16L與ANT模塊的接口電路如圖4所示，外圍再配以電源電路、晶振電路等。晶振電路采用8 MHz晶振，選取3.3 V做為工作電壓。

    串口通信 RS232與微處理器之間選用工作電壓為3.3 V的MAX3232電平轉(zhuǎn)換芯片，以完成雙向電平和邏輯關(guān)系的直接轉(zhuǎn)換。由于該無線網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的移動性，故要求其具有穩(wěn)定的電源供電且必須功耗低。本文選用5 V電池供電，通過LM1117將5 V電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V，從而有效降低了成本，增加了終端節(jié)點(diǎn)的可移動性和靈活性。
3 軟件設(shè)計
    整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括溫度采集、數(shù)據(jù)匯集及監(jiān)控終端三個部分。溫度采集軟件運(yùn)用于溫度測量節(jié)點(diǎn)的單片機(jī)上，主要任務(wù)是采集溫度信息并將其無線發(fā)送。數(shù)據(jù)匯集軟件運(yùn)行于數(shù)據(jù)匯集節(jié)點(diǎn)單片機(jī)上，主要用于接收溫度數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給監(jiān)控終端PC機(jī)。監(jiān)控終端軟件主要對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的處理，將數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、顯示及分析。
3.1 溫度測量節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計
    節(jié)點(diǎn)上電之后，首先是硬件初始化，包括單片機(jī)初始化、溫度傳感器初始化和ANT初始化。單片機(jī)初始化主要是端口初始化和SPI口的設(shè)置；ANT初始化主要有設(shè)置網(wǎng)絡(luò)密鑰、分配通道、設(shè)置通道ID、設(shè)置通道周期和發(fā)射功率等，配置完成后開啟通道。初始化完成后，開始采集溫度值，到達(dá)1 s定時就開始重新采集溫度值并將數(shù)據(jù)發(fā)送，完成后MCU進(jìn)入空閑模式。其流程圖如圖5所示。

3.2 數(shù)據(jù)匯集節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計
    節(jié)點(diǎn)上電之后，首先對單片機(jī)和nRF24AP2進(jìn)行初始化，初始化過程與溫度測量節(jié)點(diǎn)的初始化一致。初始化完成后檢測有無收到新溫度值，若無則等待，若有則將新的溫度數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給監(jiān)測終端。其流程圖如圖6所示。
3.3 監(jiān)控終端軟件設(shè)計
    監(jiān)控終端軟件主要用于數(shù)據(jù)處理，基于VC++6.0實(shí)現(xiàn)，主要任務(wù)包括串口通信的收發(fā)、數(shù)據(jù)的存儲和數(shù)據(jù)的顯示。串口通信采用微軟提供的MSComm控件實(shí)現(xiàn)[7]；數(shù)據(jù)顯示通過監(jiān)控軟件界面可實(shí)時顯示各個監(jiān)測點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)和測量時間，并且能夠設(shè)定報警溫度閾值，當(dāng)超過閾值范圍發(fā)出報警聲；同時將接收的溫度信息保存到數(shù)據(jù)庫以便用戶對數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和分析。
    本文提出的基于ANT技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線溫度監(jiān)控方法，可以實(shí)現(xiàn)無網(wǎng)狀態(tài)下采集現(xiàn)場溫度，通過遠(yuǎn)程手段監(jiān)測、記錄歷史溫度并且進(jìn)行有效分析和合理判斷，可實(shí)現(xiàn)對溫度的遠(yuǎn)程監(jiān)控。在長時間需要現(xiàn)場監(jiān)測或者較為惡劣的環(huán)境條件下，這種技術(shù)手段可以有效地節(jié)省人力資源。另外系統(tǒng)能夠更換不同的傳感器來監(jiān)測不同的環(huán)境參數(shù)(如空氣濕度、有毒氣體等)，具有一定的通用性。
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