莫小錦，周 嚴(yán)

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

在人們?cè)絹碓疥P(guān)注公共場(chǎng)所和居室環(huán)境舒適度的今天，環(huán)境的溫濕度監(jiān)測(cè)已成為公共建筑、高端家居室內(nèi)環(huán)境的常規(guī)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。對(duì)于新建筑而言，溫濕度的監(jiān)測(cè)在建筑設(shè)計(jì)時(shí)已同步設(shè)計(jì)，在綜合布線階段已將傳感器布置點(diǎn)及信號(hào)傳輸線預(yù)先確定并布置，溫濕度的監(jiān)測(cè)易于實(shí)現(xiàn)。但是，對(duì)于老舊建筑或在設(shè)計(jì)階段未考慮溫濕度監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)的建筑而言，采用有線溫濕度監(jiān)測(cè)的模式，在不破壞內(nèi)部裝修的前提下難以實(shí)現(xiàn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用為這一問題的解決提供了可行與可靠的技術(shù)手段［1－4］。

本文以某高端會(huì)所的室內(nèi)溫濕度無線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)為背景，設(shè)計(jì)了基于射頻技術(shù)與3G無線互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的環(huán)境溫濕度遠(yuǎn)程無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過基于射頻技術(shù)的溫濕度無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與3G無線互聯(lián)網(wǎng)，在不改動(dòng)室內(nèi)裝修，不布設(shè)信號(hào)傳輸線及網(wǎng)線的情況下，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)環(huán)境溫濕度的現(xiàn)場(chǎng)集中監(jiān)測(cè)及異地遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，克服了傳統(tǒng)有線監(jiān)測(cè)方式的局域性和區(qū)域性，提供了一種遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的新方法。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

基于現(xiàn)場(chǎng)無線溫濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)及3G遠(yuǎn)程傳輸網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1所示?，F(xiàn)場(chǎng)無線溫濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)由自行研制的無線溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)、無線接收模塊和現(xiàn)場(chǎng)集中監(jiān)控計(jì)算機(jī)構(gòu)成，傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)溫濕度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫濕度數(shù)據(jù)，并編碼發(fā)送至無線接收模塊，無線接收模塊接收各節(jié)點(diǎn)發(fā)射的溫濕度數(shù)據(jù)，并傳輸至現(xiàn)場(chǎng)集中監(jiān)控計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)、顯示?，F(xiàn)場(chǎng)集中監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過3G網(wǎng)絡(luò)模塊接入互聯(lián)網(wǎng)，在主控軟件的控制下將采集的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫濕度數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。系統(tǒng)的關(guān)鍵在于無線溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)及基于3G無線互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程信號(hào)傳輸。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)中集中監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)相當(dāng)于一個(gè)服務(wù)器，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)相當(dāng)于客戶端。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控計(jì)算機(jī)監(jiān)聽到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)請(qǐng)求后，會(huì)將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)通過3G無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)，供監(jiān)控中心調(diào)閱，實(shí)現(xiàn)異地遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2 無線溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

無線溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)由溫濕度傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集器、單片機(jī)及無線發(fā)射電路構(gòu)成，其原理框圖見圖2。溫度傳感器采用熱敏電阻、濕度傳感器采用電容式濕敏傳感器，傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路線性化處理或放大，再由單片機(jī)自帶的A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)采集，采集到的溫濕度數(shù)據(jù)在單片機(jī)的控制下由無線發(fā)送電路CC2500發(fā)送。

圖2 無線溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)原理框圖

2.1 信號(hào)調(diào)理電路

2.1.1 溫度信號(hào)調(diào)理電路

由于熱敏電阻的熱電特性為非線性的指數(shù)關(guān)系，在工程應(yīng)用中必須采用具有線性化功能的信號(hào)調(diào)理電路使電路的輸出與被測(cè)量的溫度成線性關(guān)系［5－7］。本系統(tǒng)選擇了 NTC 型 MF58－104－3990 熱敏電阻作為溫度測(cè)量的傳感元件，其溫度測(cè)量范圍為－55℃ ～+200℃，測(cè)量精度±1%，并具有耐高溫焊接，穩(wěn)定性好，漂移小，體積小，便于貼片安裝等特點(diǎn)，該熱敏電阻阻值與溫度的關(guān)系為:

式中R0是熱力學(xué)溫度為T0時(shí)的阻值，T0為基準(zhǔn)溫度，通常以298.15(25℃)為基準(zhǔn)溫度;β為熱敏電阻常數(shù)。R0=100 kΩ，β=3 990。熱敏電阻的溫度與電阻的關(guān)系是非線性的，作為溫度測(cè)量元件其輸出信號(hào)必須進(jìn)行線性化處理，電路見圖3所示。

圖3 基于熱敏電阻的溫度測(cè)量信號(hào)電路

電路由兩級(jí)電路構(gòu)成，第一級(jí)為對(duì)數(shù)比放大器，第二級(jí)為除法電路，第一級(jí)輸出為

式(2)說明，經(jīng)過對(duì)數(shù)運(yùn)算，熱敏電阻的阻值與溫度的指數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)換成電壓與溫度的反比關(guān)系，再對(duì)Vo1作倒數(shù)運(yùn)算即可實(shí)現(xiàn)溫度與電壓的線性關(guān)系，由式(2)可得

令Vo=kT，即

這樣，Vo與被測(cè)溫度成線性關(guān)系，式(4)的運(yùn)算關(guān)系可由圖3的第二級(jí)電路實(shí)現(xiàn)。根據(jù)AD534的運(yùn)算關(guān)系，由圖3中連線可得

分別調(diào)節(jié)電位器Rp1與Rp2使VX1=－5.82 V，VZ1=173.47 mV，故有

電路的實(shí)際測(cè)試結(jié)果見表1。其結(jié)果顯示，電路的非線性誤差小于0.5%，較好地消除了熱敏電阻測(cè)溫時(shí)的非線性。

表1 熱敏電阻調(diào)理電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.2 濕度信號(hào)調(diào)理電路

濕度傳感器采用HS1101LF型電容式濕度傳感器，濕度量程為1%RH～100%RH，工作溫度范圍為－60℃ ～140℃，測(cè)量精度為±2%RH，線性輸出，電容與濕度的變化關(guān)系為

信號(hào)調(diào)理電路如圖4所示。電路由方波發(fā)生器、單穩(wěn)電路、平均值電路、差分放大器組成。設(shè)計(jì)思想是:方波發(fā)生器產(chǎn)生一定頻率的方波，該方波由后續(xù)單穩(wěn)電路變成一定定寬的方波，其寬度與傳感器電容值成正比，定寬的方波經(jīng)過平均值電路及差分放大器轉(zhuǎn)換成與傳感器電容量成正比的電壓［8］。

圖4 基于濕敏電容的濕度測(cè)量調(diào)理電路

方波發(fā)生器為RC阻容式發(fā)生器，其頻率為

單穩(wěn)電路由CMOS集成雙單穩(wěn)芯片CD4058構(gòu)成，脈沖由TA1輸入，上升沿觸發(fā)，Q1輸出的高電平寬度為

顯然，單穩(wěn)電路輸出一周期為T=100 μs，高電平寬度受控于CH的方波。該方波經(jīng)由R3與C3組成的平均值電路的輸出平均值

Vo1經(jīng)AD620差分后得

調(diào)節(jié)Rp2使VRp2=2 803 mV，調(diào)節(jié)Rp1使 AD620增益為1.818，即可得調(diào)理電路的輸出為

信號(hào)調(diào)理電路的輸出實(shí)現(xiàn)了電壓數(shù)值與被測(cè)量的數(shù)值大小相等或成10倍的關(guān)系，經(jīng)數(shù)據(jù)采集后即可由無線發(fā)射單元發(fā)射。

2.2 數(shù)據(jù)的無線傳輸電路

由溫濕度測(cè)量電路得到的電壓值輸入MSP430F149單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換接口，MSP430F149的ADC12模塊支持快速的8路12位A/D轉(zhuǎn)換，采樣速率為20萬次/s，采樣周期可控，采用序列通道單次轉(zhuǎn)換模式，選擇自己定義外部轉(zhuǎn)換參考電壓5 V。數(shù)據(jù)采集的時(shí)間間隔為10 min一次，采集完成后其結(jié)果保存在ADC12MEM里，ADC12IFG置位，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束，在軟件控制下取走數(shù)據(jù)傳輸至CC2500發(fā)射。

無線傳輸電路基于 CC2500 設(shè)計(jì)(見圖 5)［9－10］，CC2500是Chipcon公司的單片射頻收發(fā)芯片，體積小，外圍電路簡單。工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。天線是50 Ω的單端輸入，只需要搭建一個(gè)差分到單端的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)就可以實(shí)現(xiàn)無線傳輸。

圖5 無線傳輸電路

CC2500的配置參數(shù)和收發(fā)數(shù)據(jù)都是單片機(jī)通過6 線 SPI兼容接口(SI，SO，SCLK，GDO0，GDO2 和CSn)對(duì)CC2500進(jìn)行讀寫操作來完成的。SPI接口通訊都由一個(gè)包含了一個(gè)讀/寫位，一個(gè)突發(fā)訪問位和一個(gè)6位地址的頭字節(jié)開始。

單片機(jī)程序要訪問CC2500無線模塊，首先要給出一低有效的片選信號(hào)CSn。當(dāng)CSn變低，在開始轉(zhuǎn)換頭字節(jié)之前，MCU必須等待，最小需要200 μs，直到SO腳變低，才能進(jìn)行接下來的讀寫工作。如在整個(gè)讀寫過程中CSn變?yōu)楦唠娖?，則讀寫工作取消。

在進(jìn)行讀寫操作之前先使芯片狀態(tài)位的CHIP_RDYn為低電平信號(hào)，表示現(xiàn)在使用的是SPI接口。若要使CC2500工作在接收模式則使芯片狀態(tài)位的STATE［2:0］為001，若要使CC2500工作在發(fā)送模式則使芯片狀態(tài)位的STATE［2:0］為010。

CC2500提供有為數(shù)據(jù)包導(dǎo)向的通信協(xié)議內(nèi)置的硬件支持.當(dāng)啟動(dòng)TX發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，調(diào)制器開始傳送前導(dǎo)。前導(dǎo)字節(jié)的長度由MDMCFG1.NU_PREAMBLE值控制。當(dāng)控制數(shù)目的前導(dǎo)字節(jié)被傳送完畢，調(diào)制器開始發(fā)送同步詞匯，然后傳送來自TX_FIFO的可利用的數(shù)據(jù)。若TX_FIFO為空，調(diào)制器將繼續(xù)傳送前導(dǎo)字節(jié)，直到第一個(gè)字節(jié)被寫入TX_FIFO。調(diào)制器將隨后傳送同步詞匯和數(shù)據(jù)字節(jié)然后將寫入TX_FIFO的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。發(fā)送數(shù)據(jù)包格式為:

在接收模式下，解調(diào)器和數(shù)據(jù)包處理裝置將會(huì)搜尋有效的前導(dǎo)和同步詞匯。找到后，解調(diào)器就得到了位和字節(jié)同步，然后開始接收第一個(gè)有效載荷字節(jié)。由于可變數(shù)據(jù)包長度開啟，則第一個(gè)字節(jié)為長度字節(jié)。數(shù)據(jù)包處理裝置把這個(gè)值作為數(shù)據(jù)包長度存儲(chǔ)，且接收長度字節(jié)數(shù)目的字節(jié)。然后，數(shù)據(jù)包處理裝置隨意地檢查地址，地址匹配時(shí)才繼續(xù)進(jìn)行接收，接收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在RX_FIFO中。開啟自動(dòng)CRC檢查，數(shù)據(jù)包處理裝置計(jì)算CRC，并將它同附加CRC檢驗(yàn)和相匹配，讀完所有數(shù)據(jù)后清空接收緩沖區(qū)，接收完畢使CC2500停止工作。

3 基于3G無線網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸

本系統(tǒng)具有溫濕度數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸功能，通過3G無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)異地遠(yuǎn)程監(jiān)控。

本文利用 Windows Socket實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信［11－12］。采用基于流式套接字SOCK_STREAM的TCP/IP協(xié)議，提供無差錯(cuò)、無重復(fù)的發(fā)送且按發(fā)送順序接收。利用WSAStartup函數(shù)加載套接字庫，并定義套接字庫的協(xié)議版本為1.1。

注意在Socket連接時(shí)應(yīng)設(shè)置為非阻塞模式，否則將一直占用資源，定義非阻塞方式如下:

網(wǎng)絡(luò)通訊流程見圖6，通訊過程是首先現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)打開一個(gè)通信通道，表示它愿意在某個(gè)地址和端口上等待監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)請(qǐng)求，然后就等待監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)連接請(qǐng)求的到來，收到監(jiān)控中心的連接請(qǐng)求后針對(duì)本次連接建立對(duì)應(yīng)的Socket。每個(gè)Socket由操作系統(tǒng)分配一個(gè)標(biāo)志號(hào)，并且包括5個(gè)參數(shù):傳輸協(xié)議、本地地址、本地端口號(hào)、遠(yuǎn)程IP地址、遠(yuǎn)程端口號(hào)。然后監(jiān)控中心給現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)向現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)表的名稱請(qǐng)求數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)根據(jù)表名在本機(jī)數(shù)據(jù)庫中找到對(duì)應(yīng)的表，獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)傳給監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)。若表中數(shù)據(jù)已經(jīng)全部發(fā)送完畢，則發(fā)送end給監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)，表示數(shù)據(jù)傳輸完畢。然后現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)等待接收新的數(shù)據(jù)表名重復(fù)上述過程，直到監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)發(fā)來Stop命令結(jié)束本次通訊。

圖6 網(wǎng)絡(luò)通訊流程

4 測(cè)試與結(jié)論

本系統(tǒng)在完成設(shè)計(jì)調(diào)試后已在無錫某會(huì)所進(jìn)行了720 h的連續(xù)運(yùn)行測(cè)試，用于室內(nèi)環(huán)境溫濕度的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，圖7是溫濕度檢測(cè)界面，實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明:

(1)根據(jù)實(shí)際需求共在會(huì)所布置了95個(gè)溫濕度傳感節(jié)點(diǎn)，無線溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)較高精度的溫濕度數(shù)據(jù)采集。

圖7 溫濕度監(jiān)測(cè)界面

(2)現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)通過無線接收模塊能夠?qū)崟r(shí)無線接收溫濕度數(shù)據(jù)，無線模塊采用單端SMA天線匹配50 Ω電阻，經(jīng)試驗(yàn)確定無線模塊能在100 m范圍內(nèi)的無差錯(cuò)傳輸數(shù)據(jù)，未發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)誤傳。

(3)監(jiān)控中心的遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通過3G無線網(wǎng)絡(luò)能夠可靠地接收到現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)發(fā)送的溫濕度數(shù)據(jù)，并建立數(shù)據(jù)庫供管理人員進(jìn)行歷史記錄查詢?，F(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)主動(dòng)存入數(shù)據(jù)庫，通過對(duì)數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)查詢可知采集數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)的準(zhǔn)確無誤的存入數(shù)據(jù)庫。

(4)監(jiān)測(cè)軟件具有閾值報(bào)警功能，當(dāng)溫濕度超限對(duì)應(yīng)的報(bào)警燈變紅，正常工作時(shí)為綠燈;超限后并給出相應(yīng)的出來措施。溫度過高，開冷空調(diào);過低，開暖空調(diào)。濕度過低開加濕器，過高停止加濕。

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫濕度數(shù)據(jù)采集及基于3G無線網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)是本系統(tǒng)的特色，傳感器節(jié)點(diǎn)并未采用“變送器+射頻模塊”的方案，而是根據(jù)實(shí)際需要，基于低成本溫濕度敏感元件，自行設(shè)計(jì)了的低成本、低功耗、線性化的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，溫度與濕度的測(cè)量精度分別達(dá)到1%與2%。由于無需布設(shè)信號(hào)傳輸線，該系統(tǒng)非常適合應(yīng)用于沒有綜合布線建筑的環(huán)境監(jiān)控，所采用的技術(shù)方案可推廣應(yīng)用于其它遠(yuǎn)程監(jiān)控領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的有線監(jiān)控相比，具有傳感器布設(shè)簡單、靈活，無需布設(shè)導(dǎo)線，大大減小工程工作量等優(yōu)點(diǎn)，在自動(dòng)監(jiān)控領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，是今后自動(dòng)監(jiān)控的發(fā)展方向。

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