灾变现场检测的无线传感器网络节点设计

夏继强，王 皓

(北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 100191)



灾变现场检测的无线传感器网络节点设计

夏继强，王 皓

(北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 100191)

将无线传感器网络技术应用于灾变现场环境信息采集中，设计具有环境数据采集功能，定位功能和无线通信功能的传感器节点。该节点以具有ZigBee通信功能的CC2530处理器为核心，集合数据采集模块，GPS定位模块，数据存储模块和功率放大模块等硬件来实现各项功能。经过测试，所设计的节点能够实现所要求的各项功能，并且具有低功耗、体积小等优点。

无线传感器网络；灾变现场；ZigBee; 数据采集；定位；无线通信

0 引言

核泄露事故、火山爆发等灾变事故现场一般具有强辐射，高温和强腐蚀的特点。由于这些灾变事故现场环境复杂，检测人员一般无法直接进入事故后的现场进行环境信息的采集，目前针对该类事故现场的环境检测主要通过应急监测系统，包括固定监测系统和移动监测系统。固定监测系统可以长期连续地记录特定区域的测量数据，其缺点是监测范围固定有限[1]。移动监测系统具有机动能力强，采集区域广的优点，但其难以长期稳定获得某个特定区域的数据，并且移动监测终端的设计成本高昂。

本文将无线传感器网络技术应用到意外灾变事故现场的环境检测中，在实际应用中，传感器节点通过高空撒播等方式进入灾变现场，进行环境数据采集，获取环境信息。为获得节点的位置信息，需要通过定位模块获取节点的地理位置。节点通过无线通信方式建立网络传输数据，实现节点之间数据的数据共享，外界通过获取网络中任何一个节点的数据即可获取网络中所有节点的采集数据，从而获得该网络覆盖区域的环境信息。将无线传感器网络技术应用于灾变检测中，既能连续获取区域的测量数据，同时可以根据要求有目的地撒播节点，具有灵活机动的优点，同时其价格低廉，能够有效降低成本。

本文设计具有环境信息采集功能，定位功能和无线通信功能的传感器节点。采用具有ZigBee通信功能的CC2530芯片作为处理器，利用数据采集模块采集环境温度和湿度信息，通过GPS定位模块获取地理位置信息和时间信息，节点间通过ZigBee无线通信技术实现数据共享。采用嵌入式设计将各模块和处理器进行集成和开发，实现所需的各项功能。

1 传感器节点硬件设计

用于灾变现场环境检测的无线传感器网络节点主要需要实现以下功能：

(1)采集环境信息。传感器节点需要采集的环境信息包括温度数据和湿度数据。

(2)实现定位功能。由于传感器节点通过随机撒播的方式进入灾变现场，其位置不能确定，因此需要通过GPS模块对传感器节点定位，从而获得确定位置的环境数据。

(3)自组网及无线传输数据。传感器节点需要具有建网和组网的功能，从而实现节点之间的数据传输。传感器节点通过各个模块实现上述各项功能，传感器节点的硬件主要包括具有ZigBee通信功能的处理器模块，数据采集模块，GPS模块，数据存储模块和功率放大模块等，其硬件结构如图1所示。

图1 节点硬件结构图

1.1 处理器及通信模块

处理器是整个节点的核心，其功能包括控制整个节点的工作流程，控制其他模块的运行，进行数据处理以及发起无线通信等。在设计中，处理器单元选用CC2530芯片。CC2530是一款集合了处理器功能以及无线通信功能于一体的芯片。CC2530使用低功耗8051 微控制器内核，而且片上资源丰富，具有SPI、UART、I2C、ADC等外设。同时，CC2530自身带有Zigbee 无线收发器，因此节点不需要额外的无线收发模块来解析无线信息，这样不仅能减少能量消耗，同时也能节约成本，能够以非常低的总成本建立起一个无线网络。除此之外CC2530还有以下特点：

(1)极小的封装。CC2530采用6 mm×6 mm的QFN40封装，物理尺寸非常小，能有效的减小传感器节点的整体体积；

(2)可编程输出功率高。最高输出功率可达4.5 dBm，这为实现更远的无线通信距离的要求提供了基础；

(3)极高的接收灵敏度和抗干扰性能，能够有效地保证数据传输的可靠性；

(4)低功耗。在收发信息时，CC2530可保证工作电流在30 mA以下，在休眠状态时电流可低至1 μA。在总能量有限的条件下，较低的功耗能够延长节点的工作时间。

1.2 数据采集模块

数据采集模块需要实现对环境的温度和湿度的信息的采集，本设计中选择能够同时采集温度和湿度信息的SHT11温湿度传感器。SHT11温湿度传感器是一款集成度高的传感器，其物理尺寸为7.5 mm×4.5 mm×2.5 mm，具有体积小的优点。SHT11传感器与处理器之间以I2C协议通信，接口线少，控制方式简单，通信速率较高。SHT11传感器通过数据线SDA和时钟线SCL与CC2530通信，其与CC2530之间的接口电路如图2所示。

图2 SHT11与CC2530连接电路

1.3 GPS模块

GPS模块用来获得节点位置信息，同时可以为节点周期工作提供时间参考。在设计中，GPS模块选用UM-2828模块，该模块采用NEO-6 M定位芯片，定位精度可以达到2.5 m，并且其体积较小，为28 mm×28 mm×7.5 mm，满足传感器节点对体积的要求。UM-2828模块与CC2530之间通过UART 口通信，具有接口线少，控制简单的优点。UM-2828模块与CC2530之间的接口电路如图3所示。

图3 UM-2828与CC2530连接电路

1.4 数据存储模块

由于CC2530的存储能力有限，不能存储足够的环境数据信息，因此需要专门的存储芯片来保存数据。设计中，选用25LC1024芯片来存储数据。25LC1024芯片拥有1 Mbytes的存储空间，能够满足存储要求。25LC1024与CC2530之间通过SPI协议通信，读写速度快，控制简单。25LC1024与CC2530之间的接口电路如图4所示。

图4 25LC1024与CC2530连接电路

1.5 功率放大模块

CC2530自身的通信能力有限，通信距离只能达到50-100米，若要增加通信距离，需要增加功率放大模块来达到这一要求。本设计中，选用RFX2401功放芯片来放大输出功率，从而增加通信距离和保证通信可靠性。RFX2401体积为3 mm×3 mm×0.5 mm，具有体积小的特点，同时具有高灵敏度、低噪声、高效和低功耗的优点。RFX2401与CC2530的连接电路如图5所示。

图5 RFX2401与CC2530连接电路

除以上介绍的各个模块外，传感器节点的硬件还包括JTAG调试接口，拨码开关和天线等。

2 软件设计

传感器节点负责数据采集，并且以无线传输的方式，通过发送，接收和转发数据实现所有节点的数据共享。为减少能耗，传感器节点在工作状态和休眠状态之间切换，可通过软件设置节点的工作和休眠时间。在工作状态下，节点的软件设计包括数据采集，同步数据，网络维护，更新网络信息和同步历史数据等。节点的工作流程如图6所示。

图6 传感器节点工作流程

传感器节点从休眠状态切换至工作状态后，首先进行一次数据采集，包括采集环境的温度和湿度以及通过GPS模块获取时间和定位信息。之后网络中所有节点通过泛洪[2]的方式实现实时数据同步，经过实时数据同步之后，网络中所有节点实现了此次采集数据的共享，也即网络中每一个节点都具备了网络中所有节点此次采集的数据。完成实时数据同步后，传感器节点进行网络维护，更新网络中的节点信息。之后，节点根据更新后的网络节点信息，对比自身已有的数据，查询是否有历史数据缺失，如果有缺失则发起数据请求，获得缺失的数据。经过这一步，网络中所有传感器节点实现数据共享，之后节点进入休眠状态以节约能耗。

3 节点功能测试

为验证所设计的传感器节点的功能，利用四个节点来采集数据和自组网络，节点之间的距离为200 m。利用C#语言编写上位机将节点的采集数据解析并在上位机上显示，所得到的数

据如图7所示。

图7 节点功能测试结果

从测试结果来看，传感器节点具备所需的采集温湿度，定位和获取时间等功能，并且能够自组织网络，通过ZigBee无线通信技术实现数据共享，实现了预定的各项功能。

4 结束语

本文设计了用于灾变现场检测的无线传感器网络节点，通过温湿度传感器获得环境的温度和湿度，通过GPS模块获知节点的位置信息和采集的数据的时间信息，并且通过ZigBee技术来实现节点之间的无线通信，所设计的节点具有低功耗，低成本和体积小等特点。通过测试，所设计的传感器节点具备所要求的数据采集，定位和无线通信功能，能够应用于复杂环境的灾变现场检测中。

[1] 魏雄,周书民. 基于GPS/CDMA的核事故应急监测系统的设计. 核电子学与探测技术,2011(12):1333-1336.

[2] HAAS ZJ, HALPERN Y,LI L.Gossip-based ad hoc routing, Proc of the IEEE INFOCOM.New York IEEE Communications Society, 2002: 1707-1716.

Design of Wireless Sensor Network Node for Detection of Environmental Accidents

XIA Ji-qiang, WANG Hao

(School of Mechanical Engineering and Automation, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100191, China)

In this paper, the wireless sensor network technology was applied in the information collection of the environmental accidents, and the sensor node with functions of data collecting, positioning and wirelessly communicating was designed. The CC2530 microcontroller with the function of communicating by ZigBee was taken as the core of the sensor node, combining with the data acquisition module, the GPS module, the power amplifier module and other modules to realize the functions required. The test results show that the sensor node designed is able to realize each function required, and the sensor node is low-power in energy consumption and small in size.

wireless sensor network; environmental accidents; ZigBee; data collecting; positioning; wirelessly communicating

国家重点基础发展计划项目(2013CB035503)

2014-11-21 收修改稿日期：2015-03-11

TN925

A

1002-1841(2015)08-0085-03

夏继强(1970—)，副教授，博士，硕士生导师，研究方向为现场总线工业测控技术，智能仪表等。 E-mail：xiajiqiang@buaa.edu.cn