1　概述

隨著微機電系統(tǒng)、無線通信和低功耗嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，孕育出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其以低功耗、低成本、分布式和自組織的特點帶來了信息感知的一場變革。樓宇自控傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由許多這些傳感器節(jié)點協(xié)同組織起來，節(jié)點可以隨機或者特定地布置在目標(biāo)環(huán)境中，它們之間通過特定協(xié)議自組織起來，能夠獲取周圍環(huán)境的信息并且協(xié)同工作完成特定任務(wù)。

課題研究背景及意義：未來的樓宇將會充滿各種各樣的智能設(shè)備。樓宇控制網(wǎng)絡(luò)中的傳感器、執(zhí)行器、閥門等都是智能的，樓宇的基礎(chǔ)設(shè)施能無縫隙的將數(shù)據(jù)網(wǎng)和控制網(wǎng)連接起來，形成整體的樓宇網(wǎng)絡(luò)。

隨著社會信息化進程的速度加快，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)憑借其微型性、低成本、靈活性為樓宇系統(tǒng)的跟蹤、監(jiān)控、管理等提供了技術(shù)支撐。本設(shè)計針對樓宇環(huán)境中溫度這一參數(shù)，設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，通過無線通信將采集到的信息傳遞給遠(yuǎn)程匯聚節(jié)點并與上位機通信，實現(xiàn)溫度的遠(yuǎn)程監(jiān)測，避免人員進入的不安全性和采集數(shù)據(jù)不及時不準(zhǔn)確的缺陷。

2　樓宇自控傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計

樓宇傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計由下列部件構(gòu)成：低功耗微控制器STC89C51、低功耗無線收發(fā)芯片RF2401、5V穩(wěn)壓電源以及傳感器。

（1）普通節(jié)點：在微處理器的控制下，傳感器采集數(shù)據(jù)經(jīng)過合理的打包由射頻模塊發(fā)射給匯聚節(jié)點。

（2）匯聚節(jié)點：主要是創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)、及實現(xiàn)程序定義的匯聚任務(wù)。

普通節(jié)點通常是一個微型的嵌入式系統(tǒng)。從網(wǎng)絡(luò)功能上看，每個普通節(jié)點既具有傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的終端功能，又兼具有路由器的功能。除了要進行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外，還要對其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進行存儲、管理和融合等處理。一個普通節(jié)點通常由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊四部分組成。

3　樓宇自控傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點功能模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

樓宇自控傳感器網(wǎng)絡(luò)一般由數(shù)據(jù)處理單元、射頻收發(fā)單元、傳感單元以及電源組成，器件的選擇主要包括微控制器、射頻收發(fā)器以及傳感器件的選擇。

3.1　微處理器的選擇

微處理器是普通節(jié)點的核心，在選擇時，必須滿足體積小、集度高、功耗低且支持睡眠模式、速度足夠快、成本盡量低等幾個要求。該設(shè)計的微處理器采用STC89C51單片機。

STC89C51是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。它與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。

3.2　射頻芯片的選擇

本設(shè)計采用nRF2401單片射頻發(fā)射器芯片，工作于2.4～ 2.5GHzISM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行配置。

圖1　傳感器的組成圖

3.3　傳感器選擇

傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測量電路等部分組成，如圖1所示。

傳感器的選擇主要從它的準(zhǔn)確性、可靠性、穩(wěn)定性和價格上考慮。該設(shè)計采用DS18B20溫度傳感器。

DS18B20最新單線數(shù)字溫度傳感器，它的體積更小、適用電壓更寬、更經(jīng)濟，測量溫度范圍為-55～+125℃，在-10～+85℃范圍內(nèi)，精度為-0.5℃，現(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量。

3.4　硬件功能模塊

3.4.1　數(shù)據(jù)采集、通信模塊

普通節(jié)點采集溫度數(shù)據(jù)采用的是DS18B20，其數(shù)字溫度計提供9位（二進制）溫度讀數(shù)指示器件的溫度信息經(jīng)過單線接口送入DSl8B20或從DSl8B20送出，因此MCU到DSl8B20僅需一條線。樓宇自控傳感器網(wǎng)絡(luò)是由普通節(jié)點和匯聚節(jié)點按照某種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成的。普通節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，匯聚節(jié)點要實現(xiàn)控制以及在計算機上顯示數(shù)據(jù)的功能，考慮到數(shù)據(jù)傳輸速度，采用的是RS-232c串口工具。

3.4.2　電源功能模塊

電源是傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的生命之柱，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可工作在危險倉儲系統(tǒng)，由于人員不能到達(dá)和布線困難的特點，所以大多只能采用電池供電，且一般不可能更換電池。單片機應(yīng)以最快的速度執(zhí)行任務(wù)，一旦有可能就進入節(jié)能模式。在節(jié)能模式中，通過管理電路，將除單片機以外的器件的供電切斷。進入節(jié)能模式后，如果監(jiān)控中心需要訪問該節(jié)點，則通過射頻收發(fā)模塊喚醒該節(jié)點的單片機。

4　總結(jié)與展望

該設(shè)計選用了DS18B20溫度傳感器實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，選用了STC89C51微處理器和RF2401模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和發(fā)送。所組建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有功耗低，數(shù)據(jù)采集可靠，體積小，成本低等優(yōu)點。并可以通過增加一定的傳感器，設(shè)計功能強大的節(jié)點應(yīng)用軟件，加強網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的功能，實現(xiàn)更智能化的樓宇自動化控制。