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一个典型的传感器网络的体系结构包括分布式的传感器节点、网关节点、互联网和用户界面等。在传感器网络中，节点布置在被监测区域内。每个传感网络装备有一个连接到传输网络的网关。网关通过传输网络把被测数据从传感区域传到提供远程连接和数据处理的基站，基站再通过Internet连到远程数据库。最后采集到的数据经分析、挖掘后通过一界面提供给终端用户。
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1 传感器网络体系结构
一个典型的传感器网络的体系结构包括分布式的传感器节点、网关节点、互联网和用户界面等。在传感器网络中，节点布置在被监测区域内。每个传感网络装备有一个连接到传输网络的网关。网关通过传输网络把被测数据从传感区域传到提供远程连接和数据处理的基站，基站再通过Internet连到远程数据库。最后采集到的数据经分析、挖掘后通过一界面提供给终端用户。 本系统主要结构是每个CC2430模块挂接多个DS18820温度传感器。温度传感器按一定规律布置在粮库中，通过单总线与当前CC2430模块连接；利用无线传感器网络组网技术将这些CC2430模块组网，并把数据发送到本仓数据集中器，通过网桥将数据集中器与当地监控主机连接，如图1所示。最后通过 Internet将远程终端用户与当地监测系统连接，实现远程网络化粮库数量监控，如图2所示。 |
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2 传感器布置模型
平房仓粮堆温度数据信息采集系统监测点布置平面示意图如图3所示。仓内温度传感器的设定是相对东、南、西、北侧墙向内每侧各布置3组温度传感器，其中每组间距为1 m；东、南、西、北各侧由墙向内布置的间距分别是0．25 m、0．25 m、0．5 m、1．0 m、1．0 m……。 平房仓粮堆温度数据信息采集系统监测点立面示意图如图4所示。粮堆温度监测点分别由粮面向下和由仓底向上布置，按照6m装粮高度每根单总线电缆设置8只温度传感器，自粮面向下及自仓底向上传感器布置间距为0．30 m、0．70 m、1．0 m、1．0 m。对仓内东、南、西、北各侧3组同一平面的3个粮堆温度监测点的数据信息采取求平均值的方法进行整理，以提高监测数据信息的可靠性和准确性。 3 DS18B20单总线温度传感器 DS18820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DS18820或从DS18820送出，因此从主机CPU到 DS18820仅需一条线(和地线)。DS18820的电源可以由数据线本身提供，而不需要外部电源。因为每一个DS18820在出厂时已经给定了唯一的序号，因此任意多个DS18820可以存放在同一条单线总线上，这允许在许多不同的地方放置温度敏感器件。DS18820的测量范围从 -55℃～+125℃，增量值为0．5℃，可在1 s(典型值)内把温度变换成数字。DS18820与CC2430的接口电路如图5所示。 多个DS18820读温度流程如下：复位→发55HMATCHROM命令→发64位地址→发44H开始转换命令→延时→复位→发55HMATCHROM命令→发64位地址→发0BE读存储器命令→连续读出2字节数据(即温度)→复位→读下一个器件温度。 |
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4 CC2430模块
4．1 CC2430芯片的主要特点 CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用1个8位 MCU(8051)，具有128 KB可编程闪存和8 KB的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器(timer)、AES128协同处理器、看门狗定时器(watchdogtimer)、32 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(Power on reset)、掉电检测电路(brown out detection)，以及21个可编程I／O引脚。CC2430芯片采用0．18 μmCMOS工艺生产；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。 CC2430芯片的主要特点如下：高性能和低功耗的8051微控制器核；集成符合IEEE 802．15．4标准的2．4GHz的RF无线电收发机；优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性；在休眠模式时仅0．9μA的流耗，外部的中断或RTC能唤醒系统；在待机模式时少于0．6μA的流耗，外部的中断能唤醒系统；硬件支持CSMA／CA功能；较宽的电压范围(2．0～3．6 V)；数字化的RSSI／LQI支持和强大的DMA功能；具有电池监测和温度感测功能；集成了14位模数转换的ADC；集成AES安全协处理器；带有2个强大的支持几组协议的USART，以及1个符合IEEE802．15．4规范的MAC计时器，1个常规的16位计时器和2个8位计时器；强大和灵活的开发工具。 4．2 CC2430模块设计 CC2430芯片需要很少的外围部件配合就能实现信号的收发功能。电路使用一个非平衡天线，连接非平衡变压器可使天线性能更好。电路中的非平衡变压器由电容C112和电感L102、L100、L101以及1个PCB微波传输线组成，整个结构满足RF输入／输出匹配电阻(50 Ω)的要求。内部T／R交换电路完成LNA和PA之间的交换。用1个32 MHz的石英谐振器(X100)和2个电容(C108和C109)构成一个32 MHz的晶振电路。用1个32．768 kHz的石英谐振器(Y100)和2个电容(C110和C111)构成一个32．768 kHz的晶振电路。电压调节器为所有要求1．8 V电压的引脚和内部电源供电，C115、C100、C101、C104、C102、C113、C103、C107、C106、C105电容是去耦合电容，用于电源滤波，以提高芯片工作的稳定性，R101、R102为电流提供精确的偏置电阻，如图6所示。 5 软件设计 5．1 上位机软件设计 本系统中，上层管理软件采用3层C／S模式，实时对传感器网络送来的数据进行处理，形成用户最终关心的数据表现形式。局域网内的终端用户在经过授权后，可以读取监控主机上的实时数据，实现远程的监测。监控应用软件还对传感器网络中的每个节点进行跟踪管理。对于监控到的异常情况，上层管理软件使用声光、短信、电话实时报警方式。可显示参数列表、实时曲线图(对应具体数值并任意调整坐标)、实时数据、折算数据、累计数据、历史、报警画面、报表等多种显示。统计功能可根据用户需求具体设计。 5．2 下位机软件设计 在网络中，每个节点都有一个固定的地址。连接于监控主机的传感器节点是一个特殊的节点，它采用串行接口与监控主机通信。数据的传送采用主从站方式，与监控主机连接的节点作为主站，控制网络内的通信时序；其他节点作为从站，可以被主站寻址。主节点主要完成采集各从节点数据，进行预处理；从节点主要完成各种传感器原始数据的采集工作，如图7所示。 6 结 论 该无线温度传感器网络以低成本、低功耗无线单片机CC2430为核心，采用DS18820温度传感器获取数据，电路结构简单、工作稳定可靠、检测精度高，且具有无线数据通信灵活方便等特点，特别适用于工业现场环境、监测封闭空间和其他需要多点监测的特殊场合。该网络的应用极大地提高了中央储备粮管理水平，降低了管理成本，同时提高了粮库的安全性。 |
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4 CC2430模块
4．1 CC2430芯片的主要特点 CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用1个8位 MCU(8051)，具有128 KB可编程闪存和8 KB的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器(timer)、AES128协同处理器、看门狗定时器(watchdogtimer)、32 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(Power on reset)、掉电检测电路(brown out detection)，以及21个可编程I／O引脚。CC2430芯片采用0．18 μmCMOS工艺生产；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。 CC2430芯片的主要特点如下：高性能和低功耗的8051微控制器核；集成符合IEEE 802．15．4标准的2．4GHz的RF无线电收发机；优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性；在休眠模式时仅0．9μA的流耗，外部的中断或RTC能唤醒系统；在待机模式时少于0．6μA的流耗，外部的中断能唤醒系统；硬件支持CSMA／CA功能；较宽的电压范围(2．0～3．6 V)；数字化的RSSI／LQI支持和强大的DMA功能；具有电池监测和温度感测功能；集成了14位模数转换的ADC；集成AES安全协处理器；带有2个强大的支持几组协议的USART，以及1个符合IEEE802．15．4规范的MAC计时器，1个常规的16位计时器和2个8位计时器；强大和灵活的开发工具。 4．2 CC2430模块设计 CC2430芯片需要很少的外围部件配合就能实现信号的收发功能。电路使用一个非平衡天线，连接非平衡变压器可使天线性能更好。电路中的非平衡变压器由电容C112和电感L102、L100、L101以及1个PCB微波传输线组成，整个结构满足RF输入／输出匹配电阻(50 Ω)的要求。内部T／R交换电路完成LNA和PA之间的交换。用1个32 MHz的石英谐振器(X100)和2个电容(C108和C109)构成一个32 MHz的晶振电路。用1个32．768 kHz的石英谐振器(Y100)和2个电容(C110和C111)构成一个32．768 kHz的晶振电路。电压调节器为所有要求1．8 V电压的引脚和内部电源供电，C115、C100、C101、C104、C102、C113、C103、C107、C106、C105电容是去耦合电容，用于电源滤波，以提高芯片工作的稳定性，R101、R102为电流提供精确的偏置电阻，如图6所示。 5 软件设计 5．1 上位机软件设计 本系统中，上层管理软件采用3层C／S模式，实时对传感器网络送来的数据进行处理，形成用户最终关心的数据表现形式。局域网内的终端用户在经过授权后，可以读取监控主机上的实时数据，实现远程的监测。监控应用软件还对传感器网络中的每个节点进行跟踪管理。对于监控到的异常情况，上层管理软件使用声光、短信、电话实时报警方式。可显示参数列表、实时曲线图(对应具体数值并任意调整坐标)、实时数据、折算数据、累计数据、历史、报警画面、报表等多种显示。统计功能可根据用户需求具体设计。 5．2 下位机软件设计 在网络中，每个节点都有一个固定的地址。连接于监控主机的传感器节点是一个特殊的节点，它采用串行接口与监控主机通信。数据的传送采用主从站方式，与监控主机连接的节点作为主站，控制网络内的通信时序；其他节点作为从站，可以被主站寻址。主节点主要完成采集各从节点数据，进行预处理；从节点主要完成各种传感器原始数据的采集工作，如图7所示。 6 结 论 该无线温度传感器网络以低成本、低功耗无线单片机CC2430为核心，采用DS18820温度传感器获取数据，电路结构简单、工作稳定可靠、检测精度高，且具有无线数据通信灵活方便等特点，特别适用于工业现场环境、监测封闭空间和其他需要多点监测的特殊场合。该网络的应用极大地提高了中央储备粮管理水平，降低了管理成本，同时提高了粮库的安全性。 |
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