2023年基于STC单片机及SI4432的无线传感网的设计与实现.doc

基于基于 STCSTC 单片机及单片机及 SI4432SI4432 的无线传感的无线传感网的设计与实现网的设计与实现 杜强 摘 要：文章介绍了无线传感网的一些相关概念，提出了一种基于 STC 单片机和SI4432 无线传感器的无线传感器网络的设计方案。同时重点介绍了这套方案的设计目的、设计原理、系统的组成、硬件的选用、整体方案、主机节点的实现、移动节点的实现、上位软件程序流程及其应用领域，实现了从数据采集到数据处理的一个完整无线监测网络系统。关键词：STC 单片机；无线传感网；SI4432；传感器；无线传感器网络 中图分类号：TN91 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）33-0006-02 1 设计目的 无线传感网又称无线传感器网络（WSN），是一种分布式传感网络，它由传感器、感知主体以及观察都共同构成，一般组网方式为在监测区域内部署数量较多的低价微型传感器作为感知节点，用于采集数据，再通过无线网络连接进行通信，构成一个多跳的网络系统。本系统是为了实现对特定区域和各种复杂环境进行如温湿度、有害气体等数据的实时监测，以实现复杂环境下的特定范围内的目标监测，从而可以很大程度上的节约人力资源和物力资源，以达到提高管理水平和决策效率的目标。2 设计原理 系统由硬件系统和软件系统两部分组成，硬件系统以 STC15F2K61S2 单片机及SI4432 无线模块为核心，结合 SHT10 温湿度传感器、MQ2 气体传感器组成，软件部分以 C+语言编写，数据保存在 Access 数据库上，同时以一个负责与上位软件计算机通信的主机节点和多个采集数据的移动节点模块共同组成监测网络。3 整体设计方案 方案在硬件 CRC 校检的同时又可以通过软件校检，大大地降低了误码率，提高了系统的准确性。同时采用通信线路容量较大的 FSK 通信模式，此模式可以在一个链路频率上输出多路独立信号，极大地提高了传输效率，还可以通过对发送次数的控制，使此方案具有了自动转换链路功能，提高了系统的稳定性。并将温湿度传感器、气体溶度检测器等传感器节点通过基于 SI4432 无线模块进行数据传输，实现了高效率的、高模块化的的无线传感器组网。通过自主编写的 PC 机上位软件发布指令自动获取各监测移动节点的实时状态数据，并将数据保存在专门的 Access 数据库上，并对采集到的数据绘制变化曲线，从而实时的对数据监测功能。监测动态拓扑图，如图 1 所示。4 局部设计过程 4.1 主机节点实现 主机节点主要起数据转发的桥梁作用，以 STC15F2K60S2 单片机为主控芯片并通过 Si4432 射频模块接收移动节点传输来的数据，并通过射频模块所提供的串口用 USB 串口接线连接到 PC 上位软件计算机上，这样再通过上位软件编写的数据操纵功能将监测到的数据存入 ACCESS 数据库，同时通过动态图形 GUI 曲线实时的显示在 PC 机上，动态体现数据的变化，从而达到数据监测的目的，如果采用特定领域的专业软件还可以实现更加高级的分析。此外在主机节点上配置了一块 1602LCD 液晶屏，用来对温湿度、气体浓度的实时显示，这样便于管理员进行直观的观察。主机节点实现的原理图，如图 2 所示。4.2 移动节点实现 动节点以传感器为核心，是监测系统的触角，是数据采集的主要设备。这里主要使用温湿度传感器和气体传感器两类传感器，每类传感器各一个共同构成一个移动节点，并根据实际监测环境的需要在不同的区域安装若干个，以提高原始数据的准确性和完整性。每个节点完成特定环境内的温湿度、有害气体的数据采集后，通过 Si4432 射频模块进行无线通信，将原始数据发送到主机节点上。当前的 Si4432 型射频模块的无障碍最高传输距离可达 300 m，穿两砖墙后的实测传输距离也达到了 200 m，基本上能满足实际部署的需要。如图 3 所示。4.3 上位软件程序设计 上位软件的编写采用 C+语言，主要由主机节点程序块和移动节点程序块以及数据处理和曲线绘制三个部分组成。这里主要研究前面两个部分，对数据处理和曲线绘制部分不做说明。主机节点对 LCD、SI 模块以及 I/O 设备进行初始化后，在一定时间的发送次数内，主机节点发出测量指令给移动节点，移动节点接收到指令后开始采集数据并以字符串类型的数据格式返回给主机节点，这样便完成了一个测量周期，通过循环可以按预设的时间对环境进行反复的监测。在一个周期内，主机节点将采集到的数据显示到 LCD1602 液晶屏的同时，通过 USB 串口连接线将数据发送给上位机进行数据分析。如图 4 所示。移动节点的工作流程如下：首先，完成对 SHT 传感器以及 STC 单片机内部的A/D 转换器初始化，然后，从温湿度传感器和气体传感器中读取原始数据，如果检测到主机节点发送的检测指令，则将数据以字符串的格式通过 Si4432 无线模块发送给主机结点。如图 5 所示。5 总结与应用范围 本方案将现代通信技术、微处理器技术、软件技术以及传感器技术有机的融为一体，完成了从数据采集到通信传输到数据处理的完整监测过程，实现了对特定环境进行实时监控的功能，具备数据准确率高、传输速度快、模块化程度高、经济实用性强、组网速度快等特点。可广泛用于蔬菜大棚、学校机房监控、城市环境监控、家庭室内环境监控、医疗机构环境监控以及对环境因素比较敏感的生产车间如化工厂、陶瓷厂、纸厂、纺织厂、印刷厂等车间监测，具有较大的实用和推广价值。参考文献：1 舒新展.基于无线传感网的森林环境因子监测D.杭州：浙江农林大 学，2015.2 赵坤.区域高密度无线传感网的设计与实现D.上海：复旦大学，2014.3 朱飞飞.无线传感网桥梁结构健康监测系统数据通信研究与实现D.南京：南京大学，2013.4 张胜.基于 ZigBee 无线传感网和模糊控制的温室番茄智能灌溉系统设 计D.杭州：浙江大学，2011.5 刘瑞，赵永翼.无线传感器网络管理平台的设计与实现J.信息通信，2011，（06）.6 高键，方滨，尹金玉，等.ZigBee 无线通信网络节点设计与组网实现J.计 算机测量与控制，2008，（12）.7 张学，龚海刚，刘明.无线传感器网络拓扑控制的理论探讨J.计算机科 学，2010，（10）.