环境监测无线传感器网络测量节点的设计

杜永博+段欣宇+刘静+李萌

摘 要：主要介绍了环境监测无线传感器网络节点的硬件设计。在硬件方面，主要介绍了微处理器模块、数据采集模块和无线通讯模块这3大模块。

关键词：无线传感器；环境监测；测量节点；微处理器模块

中图分类号：TP212.9 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.11.120

随着科技水平的不断提高，人们对环境质量的要求越来越高。如今环境问题越发严重，我们必须对此问题加以重视。与西方发达国家相比，我国环境监测系统的发展稍滞后，信息监测系统开发有待完善。我国环境监测系统还应在微型集成化的基础上更加智能，并实现无线化和网络化。

1 总体设计

本次实验主要选择大气温度、湿度和压力测量作为数据采集端。测量节点一般使用电池一次性供电，同时节点通常处于野外恶劣、复杂的环境中。因此，我们希望测量节点具有低功耗、低成本、高稳定性的特征。环境监测系统由信息采集子系统和信息监测管理子系统2部分组成。信息采集子系统的主要功能是收集前端环境信息，由无线传感器网络组成。信息监测管理子系统主要负责对收集到的信息进行处理并反馈。该子系统分为数据库、信息管理平台和信息发布平台3个小模块。2个子系统之间通过无线传感器接入长距离传输网络。

2 微处理器模块

从低功耗和高性能角度考虑，主要选用了MSP430系列微處理器。与其他单片机相比，MSP430的最大优点是能实现真正的超低能耗，具有5种低功耗模式，适用于长期用电池供电的设备。它们采用了16位精简指令集结构，大量的寄存器以及片内数据存储器保证了可编制出高效率的源程序。MSP430系列微控制器由高速时钟、低速时钟、锁相环等器件构成。MSP430系列单片机主要通过CPU休眠来实现系统的低功耗，其大部分功能模块都能在CPU非工作状态下独立工作并且能引发中断。模块操作完毕后，CPU继续完成其他任务，从而缩短CPU的运动时间，将功耗降到最低。

3 数据采集模块

数据采集模块主要对传感器以及与微处理器连接的电路进行了设计。本设计选用SHT11温湿度传感器测量环境的温度和湿度，选用HP03D压力传感器测量大气压力。SHTxx系列产品是一款高度集成的温湿度传感器芯片，提供全量程标定的数字输出。SHT11温湿度传感器集温度传感器和湿度传感器于一体。SHT11通过二线数字串行接口来访问，在功耗及信号读取方面进行了优化。因此，选用SHT11测量环境温度和湿度。HP03D压力传感器是一款高精度的压力传感器，被广泛应用于自控环境下。HP03D压力传感器内部有1个压电电阻和15位的A/D转换器，输出接口是标准的IIC接口；内部存储了11个矫正参数，以便对测量结果进行矫正。

4 无线通信模块

无线通信模块选用CC2420射频芯片。CC2420是首款符合Zigbee技术的高集成度射频收发器，可快速并很好地应用于Zigbee产品中。CC2420内部合成压控振荡器、低噪声放大器、PA以及电源整流器，采用1.8～3.6 V工作电压，因而功耗很低，适合于用电池供电的设备。CC2420的外围元器件由晶振时钟电路、射频输入/输出匹配电路和微控制器接口电路3个部分组成。CC2420射频信号采用差分方式传送，其最佳差分负载是115+j180 Ω，阻抗匹配电路应该根据这个数值调整。

5 结束语

由于时间和经验问题，我们的研究还需不断完善，例如节点封装的设计、提高集成度、缩小节点体积等。此次实验通过双排针将控制模板和发射模块2块板子连接。在以后的设计中，可以将控制模板和发射板集成在一块PCB板上，缩小节点体积。希望通过今后不断的努力，能够完善环境监测系统。

参考文献

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〔编辑：刘晓芳〕