基于蓝牙技术的温度无线传感器网络系统

赵孟文 袁朝晖 王鸿辉

摘 要:目前,国内一些高等院校与研究机构己积极开展无线传感器网络的相关研究工作,但研究热点主要集中在穿戴式计算、感知环境、智能教室等领域,在支持无线传感器网络的无线通信网络技术的研究尚不多见。研究利用蓝牙无线通信及计算机控制技术,把各个测试设备连接起来,建立一个小型的温度无线传感器网络测量系统,并通过对硬件电路和软件编程设计和调试,实现温度数据的采集、处理、无线传输等功能。

关键词:无线传感器网络;蓝牙技术;温度采集系统;无线传输

中图分类号:TN915 文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2009)21-144-03

Temperature Wireless Sensor Network System Based on Bluetooth Technology

ZHAOMengwen1,YUAN Zhaohui2,WANG Honghui2

(1.Xi′an Aero-Technology College,Xi′an,710077,China;

2.Institute of Automation,Northwestern Polytechnical University,Xi′an,710072,China)

Abstract:At present,some institutions of higher learning and research institutions have been active in wireless sensor network research,but mainly concentrated in the hot research wearable computing,sensing the environment,in areas such as smart classrooms,wireless sensor networks in support of the wireless communication network technology research is still rare.The use of Bluetooth wireless communication and computer control technology are researched,to connect all test equipment,and set up a small wireless sensor network temperature measurement system.Through the hardware circuitry and software design and debugging,collection,processing,wireless transmission functions of temperature data are realized.

Keywords:wireless sensor network;Bluetooth technology;temperature acquisition system;wireless transmission

0 引 言

无线传感器网络是新近兴起的研究领域,它是由一个主机(网络接入点)和大量的无线传感器节点组成的分布式系统。由无线传感器节点负责对数据的感知和处理,并传送给主机;主机用户可通过公共网络(如Internet Work,公共交换网等)获取相关信息,实现对现场的有效控制和管理[1]。它在军事、环境、健康、家庭以及空间探索和灾难拯救等领域都有着广泛的应用前景。其无线传感器节点通常分布在一些特殊的环境中,因而要求其具有低功耗、低成本、无线传输和分布式处理等特性。

蓝牙技术是一种使用2.4 GHz频段的短距离无线通信技术。采用快速跳频、前向纠错和优化的编码等技术,使得其具有抗干扰能力强、通信质量稳定的优点,同时它还具有低功耗、低成本、使用便捷和电磁污染小等特点。蓝牙技术的这些优势,为其在无线传感器网络中的实际应用提供了条件[2]。

下面以研制完成的温度无线传感器网络系统为例,详细介绍利用计算机、单片机及蓝牙技术实现温度数据的采集、处理、无线传输等功能。

1 系统结构

温度无线传感器网络系统采用数字式输出温度传感器DS18B20和单片机AT89S2051组成温度采集系统。利用重庆金瓯公司生产的蓝牙内嵌模块,完成温度数据的传输及控制。实现计算机对温度数据的无线传输、采集和处理[3]。

系统逻辑结构如图1所示,传感器节点结构如图2所示。

2 温度采集系统的设计

DS18B20数字温度计提供9位(二进制)温度读数,指示器件的温度。信息经过单线接口送入DS18B20或从DS18B20送出。DS18B20的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源。每一个DS18B20在出厂时已经给定了惟一的序号,任意多个DSl8B20可以存放在同一条单线总线上。DS18B20的测量范围从-55~+125 ℃,增量值为-0.5 ℃,可在1 s(典型值)内把温度变成数字。

AT89S2051是美国ATMEL公司推出的高效单片机,是一种低功耗、高性能的片内含有2 KB快闪可编程/擦除只读存储器的8位CMOS微控制器。利用AT89S2051及DS18B20完成温度采集及传送。

温度采集系统的硬件设计如图3所示,软件设计流程图如图4所示[4]。

3 单片机和蓝牙模块的连接

温度传感器对采集到的温度信号进行处理并输出数字信号,存储在单片机的寄存器中。在本系统中单片机和蓝牙发送模块的接口采用的是RS 232接口。采集的数据通过蓝牙发送模块传输到蓝牙接收模块上,再通过蓝牙接收模块传输到主机。最终把采集进来的数据在主机上进行处理[4]。

这里有一个电平转换的问题。单片机发出的信号是TTL信号,所以在与蓝牙模块进行数据前,需要把它转化成RS 232电平。本系统中采用MAX232进行电平转换[5-7]。

接口电路图如图5所示。

4 主机与蓝牙模块的连接

主机和蓝牙接收模块之间的数据传输采用RS 232串口连接。采集到的数据通过蓝牙传输到接收模块之后,通过RS 232接口传输到主机上。接口硬件采用金瓯公司的蓝牙模块RS转换器。通信软件由VC编写,将传感器节点测量的数据通过蓝牙传输到主机,显示出来以便进行数据处理[8-10]。

主机通信程序主界面如图6所示。

5 温度无线传感器网络系统设计时应注意的事项

(1) 注意硬件及软件设计的防干扰设计

AT89S2051采用上电复位电路,要注意设置并启动其内部自带的看门狗电路。软件编程时要“喂狗”,以防止外界复杂环境对系统工作的影响[5]。

(2) 传感器节点标识

在传感器节点发送采集到的温度数据之前,控制其先发送一个八位的二进制标识码,主控机通过对这一标识码的识别,就可以知道所接收到的数据是由哪一个传感器节点所采集发送的。理论上,这种方法一共可以标识28=256个节点。

(3) 传送数据的校验

蓝牙传输系统中,对传输的每一帧数据都进行了校验,而且串口通信对传输的每一帧数据也进行了校验,这就确保了数据传送的正确性。实验也证明了系统数据传送性能良好[7]。

(4) 控制各传感器节点工作时序

系统启动时,将各个传感器节点置于停止状态。当需要哪一个节点工作时,从主机上发送相应的指令,将该传感器节点激活,使它采集传输数据。使用这种方法时,同时工作的传感器节点不能过多,要保证蓝牙跳频技术能够解决同时工作的传感器节点所产生的数据传输冲突问题。

参考文献

[1]杨宝清.现代传感器技术基础[M].北京:中国铁道出版社,2001.

[2]金纯.蓝牙技术[M].北京:电子工业出版社,2001.

[3]赵继文.传感器与应用电路设计[M].北京:科学出版社,2002.

[4]张庆玲.检测技术理论与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.

[5]李广弟.单片机基础[M].北京:北京航空航天大学出版社,2001.

[6]公茂法.单片机人机接口实例集[M].北京:北京航空航天大学出版社,1997.

[7]黄智伟.蓝牙硬件电路[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.

[8]刘君华.虚拟仪器编程语言Lab Windows/CVI教程[M].北京:电子工业出版社,2001.

[9]张毅刚,乔立燕.虚拟仪器软件开发环境Lab Windows/CVI 6.0编程指南[M].北京:机械工业出版社,2008.

[10]谭浩强.C程序设计[M].2版.北京:清华大学出版社,2002.