无线传感器网络的数据采集系统设计

康瑶 王群

摘 要：本设计介绍了由多种传感器节点组成的无线传感器网络来采集数据，每个节点以CC2530芯片为主要结构，不同的传感器节点以组成网络的方式连接在一起，传感器将采集的信息存储到CC2530芯片的闪存中，由CC2530芯片通过无线射频装置进行数据传输，逐级传输给汇聚节点。通过本设计，可以实现对环境中烟雾浓度、光线亮度以及土壤湿度等数据的实时监测。

关键词：传感器；节点；无线传感器网络；CC2530；

一、系统总体结构

在本设计中，无线传感器网络的实现是在采用IEEE 802.15.4协议基础上形成的Zigbee无线短距离传输协议，通过两个终端节点和一个路由节点组成一个网络。這些设备分别搭载着功能各异的传感器，分别是烟雾、光敏以及土壤湿度传感器。这些传感器所处的终端节点会收集它们所能感知的数据，并且可以通过LCD液晶显示器显示出来。在本设计中由于终端个数有限，暂时展示三个节点上的信息。在传感器的选择上，此次系统将选择土壤湿度传感器，烟雾传感器和光敏传感器来使用。主要为室内农作物的培育提供一定的科学依据，土壤湿度传感器检测农作物生存的土壤环境，烟雾传感器检测农作物生长的气体环境，光敏传感器检测农作物生长的光强环境，以保证农作物可以正常养成。

二、硬件设计

（一）CC2530芯片

CC2530芯片可以使用廉价的制作材料来创立一个功能十分优越的网络设备。在此次系统设计中使用256K版本的CC2530芯片，原因有：低功耗，可以切换主动、供电模式和电压限制；微控制器，具有非常优良的性能，可以完好无损的保存数据、预取代码、调试硬件；RF/布局，具有极强的抗干扰能力，接收数据非常准确而且灵敏，灵敏度非常高；支持多种外设。

（二）MQ-2烟雾传感器

MQ-2烟雾传感器所使用的气敏材料是在我们平常清洁空气时电导率相对来说很低的二氧化锡。选择MQ-2的原因有很多，其一是因为它对诸如氢气、甲烷、液化气之类的可燃性气体的检测效果都比较好，适用范围广且灵敏度较高；其二是因为在特定的工作环境中（比如二百到三百的高温）下能检测到烟雾的存在；其三是因为它设计比较简单，制作方便，在成本方面的控制比较好。

（三）光敏传感器

光敏传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器。它能感应到多种可见的和不可见的光信号，在适用场合，灵敏度和造价方面效果都比较好。本设计中光敏传感器与CC2530芯片连接在一起，作为一个终端传感器节点，实时监测光的强度信息，并将这些信息发送给上一级节点协调器。

（四）土壤湿度传感器

土壤湿度传感器是利用对湿度敏感元器件将湿度信号转化为电信号的传感器。特点是在元器件的主要探测部位用一层对湿度敏感的材料所作成的一种膜状物进行全部涂抹。这样当土壤湿度传感器在监测地工作时，其探测部位的电阻或电容就会随着空气或土壤中的水汽碰到感湿膜而发生变化，通过一定的转化变成数据被采集到。

三、 软件设计

（一）系统软件设计

本次系统的无线传感器网络构成中有一个协调器设备、一个路由设备和两个终端设备。终端设备只能给协调器发送信息，它们之间不能相互发送信息。协调器在终端设备申请加入系统时给它生成准确代表它身份的标识，以便能准确高效地管理这个终端设备的工作。路由设备既可以收集信息，又能够实现终端设备信息的相互传输。当终端设备在协调器辐射不到的范围外，终端设备先把信息传输给路由设备，然后路由设备再把信息传输给协调器。终端设备与路由设备成功进入系统后，协调器设备会不停地获得由收集设备采集的信息，同时协调器也可以将信息传送到计算机。

（二）协调器节点设计

在无线传感器网络的整体设计中，协调器设备会发起组建一个无线传感器网络并且负责接受或否定其他设备的入网和退网的申请。此外它还有接收搭载传感器的终端设备收集来的数据的功能经过整合加工以后传输给上一级设备。协调器作为网络的核心，需要具有把设备进行初始化，然后组网，并且控制传感器节点的入网出网，这些功能需要通过软件来实现。协调器上电后会组建新网，然后自主扫描周围是否存在有相关的终端设备发起入网的请求，如果存在这样的请求，协调器会通过NWK给新终端设备分配可以唯一识别的标识。当协调器需要进行查看信息的时候，会向收集信息的设备发出指令，要求其把感知到的信息收集并传输给协调器，进行存储和调用展示。

（三）路由节点设计

在此次设计中由于是室内短距离传输数据所以路由节点是作为终端节点使用的，它在实际应用中的作用是搭建协调器与终端的通信路径，无线传感器网络通过路由设备可以无限的扩大范围，进行大规模的数据采集。路由节点在WSN网络系统中的重要功能是发现网络，并在系统中搭建协调器与终端通信的路径。当两个终端设备需要进行传输信息但是又在它们不可及的范围内的时候，其中一个设备会将数据传递给距离目标设备较近的路由节点，然后路由节点通过再次选择合适的路线，将信息发送给目标设备。

（四）终端节点设计

在此系统中终端传感器节点设备作为最基础的设备进行各种数据的采集，它在接上电源后会在自己的监测范围内搜寻可以连接的网络。如果在范围内有可以连接网络的情况下，它会向这个网络的发起者申请加入此网络。发起者同意后会向传感器设备分配一个唯一可识别的网络地址，作为其入网的身份。终端传感器设备成功进入网络后可以将采集的信息不断地传送给网络发起者，以供其使用。

四、软件调试及总结

对程序进行修改和优化，使整个系统能够正常运行。在此次设计中我们是使用IAR集成编译器进行软件调试，经测试各个节点自身性能稳定，采集信息准确性高，整个系统不会因某个节点故障而出现问题，系统信息采集准确可靠，运行稳定。

【参考文献】：

【1】高宏.低功耗无线传感器网络的研究与实现[D]. 天津大学， 2014.

【2】卢志燕.基于ZigBee和LabVIEW的煤矿瓦斯监测系统的研究[D]. 中北大学， 2014.

【3】菅广林.生态林业中无线传感器网络的应用和探讨[J]. 现代园艺， 2014（18）：128-128.

【4】杨鹤.无线传感器网络节能路由协议研究[D]. 南京邮电大学， 2013.

【5】韩凯州.无线水位传感器的研究[D]. 太原理工大学， 2015.

作者简介：

康瑶，1995 年03月14日，女，彝族，贵州省六盘水市人；职称：学生；单位：郑州大学物理工程学院；专业：物理电子专业；研究方向：单片机

王群，1995 年09月27日，男，汉族，河北省唐山市人；职称：学生；单位：郑州大学物理工程学院；专业：物理电子专业；研究方向：单片机