基于无线传感器网络的温度采集监测系统

王建秋 王 杰 唐守锋

（1.潍坊职业学院汽车工程系，山东 潍坊 261031;

2.中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏 徐州 221008）

1 引言

无线传感器网络是一门综合性很强的学科，涉及传感器技术、通信技术、网络技术、计算机技术、嵌入式技术和微电子技术等众多领域，由于其体积小、成本低以及强大的信息获取功能，所以在环境数据采集、安全监控以及目标跟踪等方面有着广阔的应用空间。温湿度与人们的生产生活息息相关，对于温湿度的采集监测在当前有多种方法。基于无线传感器网络的温度采集监测系统也有所研究。本文结合无线传感器网络和 GSM通信技术，探讨设计一种温湿度采集监测系统，包括方案的选择和确定、前端信息采集模块的硬件软件设计、系统中节点的软件设计简介和终端监测界面的设计（节点拓扑可以是树形或星形）。

2 系统方案构架

整个温度采集传输系统设计构架如图1所示，它主要由前端温度采集模块、KM-NODE 433节点模块、GSM通信模块和监测模块组成。

图1 整个系统方案构架

前端温度采集模块主要任务是采集温度并将数据按一定格式通过串口发送给节点A；节点A将接收到的温度采集信息通过无线发送给节点 B；节点B主要任务通过其内部的无线收发模块接收节点A发送的数据，并利用其内部的处理器将接收的数据按要求处理后通过串口发送给GSM通信模块；GSM通信模块通过短信方式将数据信息发监测模块，监测模块可以是手机式的手持终端，也可以是计算机监测界面。

3 系统各组成模块设计

（1）器件选择和原理图

温度采集电路原理框图如图2所示，主要由传感器、单片机和供电电源组成。传感器选用瑞士的温湿度集成数字传感器SHT15，该传感器将传感元件和信号处理电路集成在一块微型电路板上，输出完全标定的数字信号，传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上，与14位的A/D 转换器以及串行接口电路实现无缝连接，且可通过软件配置选择测量温度精度，具有体积小、使用方便灵活、响应迅速、抗干扰能力强、性价比高等优点。单片机选用AT89C52，它是一个低功耗、高性能COMS 8位单片机， 8K Bytes Flash片内程序存储器,256bytes的随机存取数据存储器，5个中断优先级，两个16位可编程定时器计数器，两个全双工串行通信口。采集原理仿真图如图3所示。

KM-NODE433节点模块的组成如图4所示，它是由利达尔公司生产的无线通信模块，主要由微控制单元和无线先收发模块构成。

图2 温湿度采集电路原理框图

图3 采集原理图

（2）KM-NODE433节点模块简介

图4 K M-NODE433节点模块的组成

KM-NODE433节点模块结构特点如下：

1）采用 CC1100无线通信模块。

2）MCU 选用 MSP430F2132，具有超低功耗特性。

3）实现串口通信透明传输，可配置各种数据格式。

4）实现任意长度以及不间断无线数据长度的数据发送。

5）防碰撞机制，实现多用户数据通信。

6）在线设置多种速率以及不同的地址、频道。

7）用户可选择保存配置信息，方便下次操作。

8）方便快速的状态切换，配置控制I/O口状态即可。

KM-NODE 433节点原理图如图5所示，在本系统中模块工作频率选用的公用频段中的433MHZ，这样可以节约成本。由于公用频段的使用者比较多，数据在传输中受到的干扰比较大，所以本系统在节点软件中对传输数据提出了一定的格式要求，从提高数据传输的准确性。

（3）GSM通信模块设计

GSM通信模块主要由SIM900A 芯片、网络信号灯、串口接口、SIM卡电路和供电电路组成。组成框图如图6所示。

GPRS通信模块主要是用短信的方式来发送信息数据，将系统与移动通信相连接，可以实现数据不限距离的传输，在很大程度上解决了传输距离的问题。发送温湿度数据信息是通过AT命令来实现的。

（4）监测模块

为了不同用户监测的需要，系统的监测系统有

图5 KM-NODE 433节点原理图

图6 GPRS通信模块组成框图

两种：一种是手持式监测界面，即在具有要求系统的手机系统中嵌入专门的监测软件来实现信息的接收和监测，同时可以查看历史数据信息，用户还可以通过手持终端向系统发送控制短信来实现对一些参量的控制（比如湿度低于预定阈值时手持终端会收到提示短信，此时监测者可以发送控制短信到系统控制浇水装置来增加湿度）。另一种是终端计算机监测界面，终端用户可以在计算机上察看和监测观测点的参数信息。手持终端的监测程序是结合数据库知识用JAVA编写的，终端计算机监测界面用VB设计，两者都可以实现数据信息的监测并通过图形显示各个监测区域的监测信息。

4 系统的仿真测试

（1）仿真测试所需设备

所需设备、仪器和材料如下：

1）前端温湿度度采集模块。

2）KM-NODE 433节点模块。

3）GSM通信模块。

4）串口连接线两根。

5）装有专门编写设计的VB温湿度监测界面的PC机一台。

6）手持式监测终端一个。

7）各模块的供电电源。

手持终端式监测的仿真实物过程示意图如图 7所示。

图7 手持终端式监测的仿真实物过程示意图

因为数据信号在传输过程存在一定的衰减，所以在距离比较远的情况下，为了传输信息的准确性，应该加中继节点，以接力的形式实现数据的有效传输。接力节点只对数据进行透明传输，不进行处理数据，功耗比较低。

计算机终端监测仿真的显示界面如图8所示。

图8 计算机终端监测仿真显示界面

（2）仿真测试结果

系统基本上实现了设计提出的各种功能，在单节点和多节点情况下触摸传感器后监测界面上的温湿度会发生相应的变化，同时显示各监测点的实时数据信息，并可以调用数据库察看历史信息，终端用户发送的控制信息能通过相应的单片机引脚状态来反映。由于数据在 433MHz频段传输，该频段传输数据较多，干扰较大，系统对传输数据进行了一定的规定，传输信息的准确性得到了一定程度上提高。

5 结论

本文针对当前温度采集监测的多种方法，提出了基于无线传感器网络技术，结合单片机、集成温度传感器、GSM通信和VB等理论，研究设计了一种温度采集监测系统。完成了系统方案的确定、前端信息采集模块的软硬件设计、系统中节点的软件设计和终端监测界面的设计，节点拓扑等研究工作。系统实现了多节点温度的实时检测，并能通过无线收发和 GSM通信将采集的温度信息发送到终端用户，实现在终端监测界面的动态监测，终端用户还可以通过无线收发和 GSM通信发送控制信息，实现对温度的控制，在一定程度上能实现自动控制并克服传输距离的问题，具有广阔的应用前景。参考文献

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[4] 岳宇君,曾维鲁.基于无线传感器网络的温度监测系统[J]. 三峡大学学报(自然科学版),2007,29(2):150.

[5] KM NODE-433节点使用说明.

[6] SIM900A使用手册.

[7] AT命令使用手册.

[8] SHT1X/7X使用手册.