无线传感器网络供暖监测系统的设计

杨薇薇，陈昌元，孙顺远，徐保国

(1．江南大学物联网工程学院，江苏无锡　214122；2．合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽合肥　230009)

0　引言

目前集中供暖技术正在向自动化、智能化、网络化为主的方向发展。为了能够实现供暖的智能化，提高节点采集数据的灵活性，系统采用WSN技术实现对节点数据的无线采集，并将采集的数据实时显示在LabVIEW开发的人机界面上。WSN是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。其综合了传感器数据采集技术、嵌入式控制技术、信息处理技术及无线通信技术，具有低功耗、低成本、分布式和自组织的特点，能够实时的采集、感知和监测网络分布域内的环境参数，并对其进行收集整理，从而获得有用信息，实施精确控制。

1　系统总体设计

系统的网络底层由多个温湿度传感器节点组成，采集用户室内的温湿度，并将数据通过无线网络以多跳[1]的方式发送给汇聚节点，节点在多跳中还起到中继转发的作用；中间层为汇聚节点，汇聚各节点的数据信息，并作为网关实现无线网络与英特网之间的通信协议转换，使无线传感器网络可以接入Internet，将数据传至网络服务器；顶层是上位机，对数据进行分析、保存、显示、报警。

系统所构建的网络为星型链状混合的拓扑结构，整个监测网络，根据分簇算法[2]划分为几个区域。簇内的感知节点之间可以相互通信，组成链状拓扑[3-4]结构，并将测量数据沿所在链状路由，采用多跳通信的方式向该簇内能量最大的节点方向传递，并将此节点记为此时该簇内的簇首节点，簇首节点与感知节点之间组成星型网络拓扑结构，簇首节点为星型网络的中心，通过无线模块，将信息传送给汇聚节点。汇聚节点接收到温湿度数据信息，通过串口通信送给上位机进行处理。上位机利用LabVIEW[5]2010软件开发平台编写友好的人机界面，对供暖用户室内温湿度数据进行分析和实时显示，并将数据保存到数据库中。

2　节点设计

2．1感知/汇聚节点硬件设计

无线传感器节点是网络的基本单元，节点设计的好坏直接影响到整个网络的质量。设计的感知节点由温湿度传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块构成。汇聚节点与感知节点之间使用无线通信，与上位机使用有线串口连接，出于软件简化等因素，系统采用模块化设计思想，汇聚节点的无线数据传输模块，直接使用感知节点的传输模块，低成本高节能。结构图如图1所示。

(a)感知节点

(b)汇聚节点

2．1．1传感器模块

传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换。设计的温湿度传感器选用的是硅传感芯片SHT10，其由温度、湿度敏感元件，一个放大器，14位A/D转换器，OTP内存和数字接口组成。该传感器测量的温湿度信息以数字信号输出。湿度测量量程：0%～100%RH；温度测量范围：-40～123.8 ℃；供电电压：2.4～5.5 V，设计选用3.3 V．为避免信号冲突，微处理器驱动DATA在低电平，需要一个外部10 kΩ的上拉电阻将信号提升至高电平，如图2所示。

图2　传感器应用电路

2．1．2处理器模块

处理器作为核心控制器件，负责数据处理和存储。STM8L单片机是基于8位STM8内核的超低功耗微控制器，在1.8～3.6 V低电压下工作，16MHz处理器，最多4种低功耗工作模式，低于1 mA的硬件RTC和自动唤醒系统单元，器件在少于4 s的时间内可以从低功耗模式迅速唤醒，片上直接存储器访问单元(4通道DMA)。

2．1．3无线通信模块

无线通信模块负责与其它传感器节点进行无线通信、交换信息和收发采集数据。无线射频收发器选用RF4432，其核心器件Si4432，是高度集成的无线ISM频段收发芯片，工作电压为1.8～3.6 V，工作于433/868(可定制240～930 MHz)频率范围，在FIFO Mode下，能自动退出发送或者接收状态，接到中断信号后能自动处理字头和CRC校验码。

2．1．4电源模块

电源模块为感知节点提供智能充电和电路短路保护等，以确保节点正常工作时所需的能量。综合节点大小等多方面因素，用3节1.5 V的可充电电池给节点供电并设计了电压转换模块，得到输出为3.3 V的供电电压，电路图如图3所示。

图3　供电电压转化电路

2．1．5串口通信模块

上位机通过串口与汇聚节点进行通信，由于STM8L的串口通信采用TTL电平，而工控机的串行接口电平通常为-15～15 V[6]，所以为了实现上位机与下位机之间的通信，必须采用MAX232进行电平转换。其电路图如图4所示，其中R1OUT和T1IN分别连接STM8L的RXD和TXD端口。

图4　串口连接电路

2．2感知/汇聚节点软件设计

在监测区域内部署的感知节点，除了进行本地信息收集和数据处理外，还对其他节点转发过来的数据进行存储、管理和融合处理。软件启动以后，首先进行初始化，节点默认处于休眠状态，等待接收数据，当节点通过射频模块接收到数据或自身传感器感应到数据后被唤醒，进行数据处理并在发送周期到来时发送给下个节点或簇首节点，其工作流程如图5所示。

汇聚节点通过射频模块与簇首节点进行数据交换，并通过串口与上位机进行通信。因此，汇聚节点可以被射频数据唤醒，也可以被串口数据唤醒。唤醒后，由数据处理模块对数据进行相应的处理。处理后的数据被放置在发送缓冲区内，当数据发送周期到来时，通过射频模块将缓冲区内数据发送出去，或通过串口将数据发送给上位机。程序流程如图6所示。

图5　感知节点软件设计程图

图6　汇聚节点软件设计流程图

3　无线网络通信协议

3．1基于分簇网络的MAC协议

针对该系统分簇结构的传感器网络，采用基于TDMA[7]机制的MAC协议，给每个节点分配固定的无线信道使用时段，避免了节点之间的相互干扰。针对系统应用环境的不同，传感器节点可固定划分或自动形成多个簇，如图1中所示。每个簇内簇头负责为各节点分配时槽，收集和处理簇内传感器节点发来的数据，并将数据发送给汇聚节点。在该协议中感知节点有感应、转发、感应并转发和非活动4种状态。协议还将时间帧分为周期性的4个阶段即：数据传输阶段；刷新阶段；刷新引起的重组阶段；事件触发的重组阶段。基于TDMA机制的MAC协议要求簇首节点具有较强的处理和通信能力，能量消耗比较大。合理的选择簇首节点[8]也是需要研究的关键问题，在此不作详述。

3．2数据包填充格式

感知节点与汇聚节点之间的数据处理是整个系统关键部分之一。感知节点启动后，以MAC地址向汇聚节点注册，获得目前网络的子网编号和节点ID号，汇聚节点则以数据包的形式，通知感知节点下一次休眠时间，并给感知节点分配数据采集任务。通信过程中，要将数据信息封装成数据包形式，表1给出了所定义数据包的填充格式。系统中数据包的长度为32位(0～31)，数据包中每一位采用16进制数值表示。

表1　数据包的填充格式

表1中起始位是数据包的起始标志；节点数表示目前数据包中已经记录的数据个数；发送、接收_ID是指数据包发送节点和接收节点的ID号；第4～29位的26个字节纪录了第1～13个信息数据，包括数据是来自于哪一个感知节点，具体数值是多少。例如ID_1表示D_1里的数据是由ID号为ID_1的感知节点所采集，D_1表示数据包中记录第1个采集的温湿度数据；第30和31位是数据包的校验位、结束位。

该数据包设计最多可纪录13个感知节点的数据信息，即链状网络的最大的规模为13跳，这样的通信长度已经可以满足常规需求。系统在实际应用时，可根据网络规模调整数据包的长度[9]。

3．3数据包处理流程

传感器节点接受到数据包后按图7流程进行处理。发送数据包SendPacket和接收到的数据包RecPacket均遵守表1的数据包格式。

图7　感知节点数据处理流程图

首先将发送数据包初始化，在接收数据周期到来时接收数据，判断该数据是其它节点转发的非空数据包还是感应节点自身感应的数据，判断数据是否为新数据，若不是则丢弃；若是，则将新数据装载进接收数据包，在发送周期到来时，将数据发送出去。

4　上位机软件设计

该系统主要用于监测供暖居民室内温湿度信息，上位机软件主要实现采集、分析、存储、显示、报警等功能，对各用户家庭室内温湿度进行采集汇总，对温度异常用户实时报警，该部分程序是用一种图像化编程语言LabVIEW来编写的。基于LabVIEW的上位机软件可以实时显示温度数据，并且与Access数据库[10]连接将历史数据存储于数据库中，方便以后查询。

5　结束语

无线传感器网络应用到供暖系统是现阶段流行的技术，系统应用先进的物联网技术，将无线短距离传输与无线长距离传输高效结合。系统根据节点各自工作状态和信息采集需求，进行智能休眠以节省电能，合理设计内外部器件，采用性能优良的无线发射模块，无线网络采用智能优化算法，网络正常工作时间得到延长，系统能够高效的运行。还可对系统进一步研究，添加网络数据发布和远程手机监测等功能，实现无线传感网、局域网、互联网三网融合。

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