面向楼宇自控的传感器网络节点硬件

1　概述

随着微机电系统、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展，孕育出了无线传感器网络，其以低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。楼宇自控传感器网络就是由许多这些传感器节点协同组织起来，节点可以随机或者特定地布置在目标环境中，它们之间通过特定协议自组织起来，能够获取周围环境的信息并且协同工作完成特定任务。

课题研究背景及意义：未来的楼宇将会充满各种各样的智能设备。楼宇控制网络中的传感器、执行器、阀门等都是智能的，楼宇的基础设施能无缝隙的将数据网和控制网连接起来，形成整体的楼宇网络。

随着社会信息化进程的速度加快，无线传感器网络凭借其微型性、低成本、灵活性为楼宇系统的跟踪、监控、管理等提供了技术支撑。本设计针对楼宇环境中温度这一参数，设计无线传感器网络节点，通过无线通信将采集到的信息传递给远程汇聚节点并与上位机通信，实现温度的远程监测，避免人员进入的不安全性和采集数据不及时不准确的缺陷。

2　楼宇自控传感器网络节点设计

楼宇传感器网络节点设计由下列部件构成：低功耗微控制器STC89C51、低功耗无线收发芯片RF2401、5V稳压电源以及传感器。

（1）普通节点：在微处理器的控制下，传感器采集数据经过合理的打包由射频模块发射给汇聚节点。

（2）汇聚节点：主要是创建网络、及实现程序定义的汇聚任务。

普通节点通常是一个微型的嵌入式系统。从网络功能上看，每个普通节点既具有传统网络节点的终端功能，又兼具有路由器的功能。除了要进行本地信息收集和数据处理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理。一个普通节点通常由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块四部分组成。

3　楼宇自控传感器网络节点功能模块的设计与实现

楼宇自控传感器网络一般由数据处理单元、射频收发单元、传感单元以及电源组成，器件的选择主要包括微控制器、射频收发器以及传感器件的选择。

3.1　微处理器的选择

微处理器是普通节点的核心，在选择时，必须满足体积小、集度高、功耗低且支持睡眠模式、速度足够快、成本尽量低等几个要求。该设计的微处理器采用STC89C51单片机。

STC89C51是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。它与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

3.2　射频芯片的选择

本设计采用nRF2401单片射频发射器芯片，工作于2.4～ 2.5GHzISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。

图1　传感器的组成图

3.3　传感器选择

传感器一般由敏感元件、转换元件和测量电路等部分组成，如图1所示。

传感器的选择主要从它的准确性、可靠性、稳定性和价格上考虑。该设计采用DS18B20温度传感器。

DS18B20最新单线数字温度传感器，它的体积更小、适用电压更宽、更经济，测量温度范围为-55～+125℃，在-10～+85℃范围内，精度为-0.5℃，现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量。

3.4　硬件功能模块

3.4.1　数据采集、通信模块

普通节点采集温度数据采用的是DS18B20，其数字温度计提供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DSl8B20或从DSl8B20送出，因此MCU到DSl8B20仅需一条线。楼宇自控传感器网络是由普通节点和汇聚节点按照某种拓扑结构组成的。普通节点实现数据采集功能，汇聚节点要实现控制以及在计算机上显示数据的功能，考虑到数据传输速度，采用的是RS-232c串口工具。

3.4.2　电源功能模块

电源是传感器网络节点的生命之柱，由于无线传感器网络节点可工作在危险仓储系统，由于人员不能到达和布线困难的特点，所以大多只能采用电池供电，且一般不可能更换电池。单片机应以最快的速度执行任务，一旦有可能就进入节能模式。在节能模式中，通过管理电路，将除单片机以外的器件的供电切断。进入节能模式后，如果监控中心需要访问该节点，则通过射频收发模块唤醒该节点的单片机。

4　总结与展望

该设计选用了DS18B20温度传感器实现环境数据的采集，选用了STC89C51微处理器和RF2401模块实现数据的处理和发送。所组建的无线传感器网络系统具有功耗低，数据采集可靠，体积小，成本低等优点。并可以通过增加一定的传感器，设计功能强大的节点应用软件，加强网络系统的功能，实现更智能化的楼宇自动化控制。