于洪涛1，吴迪2，朱齐山1，朱玉广1
（1.苏州大学文正学院，江苏苏州215104；2.苏州大学物理与光电·能源学部，江苏苏州215006）
摘要：设计了一种基于无线透传传感网络的分布式环境监测系统。设计采用1100E射频芯片作为无线收发芯片，通过在ATmega128L微处理器中编写透传算法程序，实现对各环境参数的数据透传，使用RS 232C串口与PC机进行通信，实现了对目标监测区域各环境参数的实时采集。给出实验测试采集到的多组数据，通过对实验数据的分析，说明该设计可以在400 m内同时实现对254个无线节点的实时监测，测量误差约为±0.1%～±3%。
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关键词 ：无线透传；透传算法；环境监测；ATmega128L
中图分类号：TN911?34；TP274.2 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）18?0128?05
收稿日期：2015?03?10
基金项目：江苏省高等学校大学生实践创新训练计划资助项目（201413983005Y）；苏州大学学生科研基金资助项目（2014）
0 引言
环境信息影响着人们对环境质量的判定，对人们的生活产生了不小的影响[1]。随着射频无线通信技术的广泛应用，现已实现对环境参数的多点远距离智能化实时采集[2]。在农业生产中，通过ZigBee技术能够实时监测温室中的温湿度信息，有效地提高了农业生产的经济价值[3]。在工业生产中，通过GPRS 技术实现了对矿井内瓦斯等易燃易爆危险气体的实时监测，极大地保证了工业生产制造过程中的安全[4]。这些无线环境监测技术克服了传统的环境监测方式网络部署难，维护成本高，节点智能化程度低等缺点，极大地提高了数据的传输效率。但是，在实际应用时，ZigBee技术的穿透性较差，数据传输距离较近，其他主流无线传感网络（WiFi，蓝牙，nRF等）对其同频干扰较大，数据传输时误码率较高[5]。GPRS在进行数据传输时需要消耗大量流量，终端芯片资源配置较大[6]。
本文设计了一种无线透传传感网络应用于分布式环境监测系统，在进行组网时无需考虑射频无线芯片的收发协议和配置方法，可以透过无线芯片直接将其当作普通的有线模块使用，降低了终端芯片的资源利用率，通过钳位电路和电平转换实现了RS 232通信的兼容转换。本文设计的无线、透传传感网络大大降低了射频无线通信网络的硬件和设计研发成本，保证了通信的距离和准确性。设计可以实现对400 m 范围内有建筑物遮挡的环境状况下进行实时监测。
1 系统总体设计
该无线透传环境监测传感网络主要包括终端监测部分，无线透传网络，PC监测端。
（1）终端监测部分。微处理器ATmega128L将各传感器采集来的环境参数的模拟信号经过A/D转换，转化为数字信号，并在LCD液晶屏上实时显示各环境参数，并与报警阈值比较。
（2） 无线透传网络。设计透传算法，使用AT?mega128L将暂存在存储器中的传感器数据转化为符合RS 232 有线通信协议的数据，进一步转换为无线协议的数据发送到远端，并与PC监测端的无线透传网络相连接，使无线通信等效为有线通信。该透传等效图如图1所示。
（3）PC监测端部分。PC机将各个透传无线节点实时采集来的环境参数进行存储和处理，并将各时刻的参数以图像的形式显示出来，并且用户可以根据实际监测的需要，通过PC机对系统报警阈值进行修改。
2 系统硬件设计
2.1 终端监测端硬件设计
该系统的微处理器均采用AT?mega128L单片机[7]。它采用独特的RISC结构，丰富的内部资源可以更好地运行相对复杂的透传算法。在指令执行方面，微控制单元采用Harvard结构，指令大多为单周期，透传算法在工作时，可以严格的控制时序，保证通信的准确性。在能源管理方面，ATmega128L提供多种电源管理方式，以尽量节省节点能量，保证了各节点长时间持续工作。在可扩展方面，提供了多个I/O口，有助于终端机各传感器模块的选择和扩展，防止了各传感器信号及数据相互干扰。ATmega128L 提供的USART（通用同步异步收发器）控制器、SPI（串行外设接口）控制器等与无线收发模块相结合，能够实现大吞吐量，高速率的数据收发。
如图2 所示，环境监测终端机工作时，电化学甲醛传感器、温度传感器、湿度传感器、光照传感器发出的微弱信号经过放大电路后被放大，然后对其进行A/D转换等一系列的加工后再由ATmega128L对其进行处理，如果甲醛等环境参数浓度值高于环境参数浓度的国标，那么蜂鸣器就会发出警报，同时各环境参数浓度值会被输送到LCD 上显示出来。如果在国标的允许范围内，那么只显示浓度值而不发出警报。此外，ATmega128L将各环境参数经射频芯片CC1100E传送到透传网络。
2.2 透传自组模块硬件设计
CC1100E芯片在进行数据传输时采用UART0通信协议，ATmega128L可以严格按照时序读写用以控制芯片内部的32个寄存器，灵活配置各参数，如图3所示。
CC1100E 接口RF_CLK，RF_CS，RF_SOMI，RF_SI?MO 分别和ATmega128L 的串行外设接口端PB2，PB1，PD2，PD3 相连接。RF_CLK 端口为PB2 端口传输数据的时钟信号；RF_CS作为片选信号，仅当片选信号为低电平时，ATmega128L对CC1100E的操作才有效。
RF_SOMI 用于从ATmega128L 到CC1100E 的串行数据传输。为了降低整数据透传的功耗，CC1100E在数据接收或收发状态声明时，系统设计采用中断方式。
RF_GDO0，RF_GDO2 必须与微处理器的外部中断相连，以便使用CC1100E 唤醒微处理器，设计时将RF_GDO0，RF_GDO2分别与具有中断能力的PD6，PD7相连接。CC1100E在高频工作状态下，发射前段和天线馈点需要巴伦电路和匹配网络。
3 系统软件设计
3.1 透传网络控制算法设计
微处理器ATmega128L 通过射频无线收发芯片CC1100E，把暂存的各参数数据发送到远程接收端，如图4所示。首先微处理器ATmega128L通过透传算法控制射频发射芯片CC1100E发送信号校检标志码。这个过程的目的是给远程端射频无线收发芯片发送符合该透传自组传感网络的通信匹配标志，以判断是否为本通信所需的无线数据包。
ATmega128L 通过CC1100E 连续发送校检标志码0X55 和0XAA 共2 个字节，供远端芯片查询确认。其次，ATmega128L 通过CC1100E 发送校检结束标志码0X88 和0XFE，表示校检标志发送结束。然后，发送数据包长度信息Length，告诉接收端芯片本次数据包发送的长度。最后，ATmega128L从发送端的缓存中发送长度为Length的数据包。
微处理器ATmega128L 通过射频无线收发芯片CC1100E，把远程端发送来的数据接收到本地芯片缓存。如图5所示。当ATmega128L通过CC1100E收到上升沿校验标准码时，说明有数据传来，立即唤醒转入接收模式。
接收模式时，如果接收到的0X55 和0XAA 字节数小于6，则说明此时通信与该自组传感网络不匹配，本次通信结束，进入待机睡眠状态；如果连续接收到0X55和0XAA，并且接收到的字节数大于等于6，则说明通信与该自组传感网络匹配，随后的信号将是本地芯片所需要的无线信号。如果接收到0X88和0XFE，则表明校检标志接收完毕，等待下面的信号，如果一直没有接收到校验标志码0X88和0XFE，则表明本次通信失败，通信结束。当接收到0X88和0XFE之后紧接着接收到的为数据包长度信息Length，由此判定数据包的长度。最后一步，接收紧接着的长度为Length的数据包，并且存入接收端缓存。完成本次数据的接收。
3.2 监测终端软件设计
如图6所示，首先对液晶屏和单片机中的寄存器初始化，寄存器包括A/D 转换寄存器，定时器0 中断寄存器和定时器2寄存器。
将A/D 转化寄存器中的输入信号经过A/D 转换函数后再经过定时器中断函数，系统根据这个信号来判断所测区域各环境参数的浓度和是否发出警报，如果发出警报，那么ATmega128L的PWM端口决定了蜂鸣器的频率，如果不发出警报，那么各参数浓度数据就直接显示在LCD 屏上。整个系统是一直运行的，当输入的信号发生改变，那么LCD 上的环境参数浓度值也会发生相应的改变。取值频率设置为30 ms取一次值，由定时器中断函数来实现控制。
3.3 上位机软件设计
为了清晰地观察室内各环境参数的变化情况，使用LabView设计了上位机。上位机部分程序如图7所示。
4 实验数据及分析
4.1 实验结果及分析
在对终端机进行测试时，在400 m 距离范围内，对5 间不同房间的温度和甲醛含量进行了测试，其中0xf1为封闭的实验室，0xf2为封闭的教室，0xf3为封闭宿舍，0xf4为通风教室，0xf5为通风宿舍。测试结果如表1所示。如表1 所示，在密闭状态下，所监测房屋0xf1 一天的甲醛浓度都维持在0.06~0.08 ppm，远超过国家室内甲醛浓度标准。教室、实验室、宿舍等场所由于长时间不通风，室内甲醛的浓度会比较高，人们长期生活在这种环境下，会对身体造成严重的伤害。系统采集到的温度数据，与标准温度误差范围均在3%以下。
4.2 透传传感网络性能分析
通过对透传模块的测试，系统稳定工作时，每5 s需通信转发心跳帧一次，空中每帧数据都会转发一次，最多支持240 字节长度数据包。当空中波特率固定为9 600 b/s通信距离为400 m平原条件时，通信误码率为10-3~10-4。透传数据在传输过程中会存在一定延时，适用于传输距离远且对实时性要求不高的场合。
系统模块在正常工作模式下，通过控制SLP管脚电平，可以使系统进入休眠状态，当SLP管脚接收到下降沿信号时，模块进入休眠模式。处于休眠模式时，模块的工作电流小于5 μA。模块进入休眠模式后，RST脚输入一个低电平信号（>1 ms）可以使模块退出休眠模式，进入正常工作状态。
5 结语
本文提出的无线通信透传算法，透过无线通信把传统的无线传感网络当作有线通信使用，工作时无需任何用户协议，即可实现数据的透明传输，自动路由。可以自动跳频抗干扰，自动路由数据，网络结构中不需单独的路由器或中继器，穿透障碍物能力强，极大地降低了终端芯片的资源利用率和无线传感网络硬件成本。环境采集终端机，续航能力强，各传感器灵敏度高，采集到的各参数与实际误差相差极小。样品机实物图如图8所示。
当数据速率提高时，系统通信的误码率会增加，如需进一步提高透传模块的性能。可采用以下技术来提高通信可靠性[8?10]。在物理层，模块采用差分曼彻斯特编码技术发送数据，从而保证通信中的同步问题。
在数据链路层，使用循环冗余编码进行数据帧校验，用以保证数据到达用户应用层以后的可靠性。
注：本文通讯作者为吴迪。
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参考文献
[1] 夏新.浅谈强化环境监测质量管理体系建设[J].环境监测管理与技术，2012（1）：1?4.
[2] 何晓峰，王建中，王再富.基于MAX6675的多路温度采集与无线传送系统[C]//浙江省信号处理学会2012学术年会论文集.杭州：浙江省信号处理学会，2012：4?6.
[3] 尹航，张奇松，程志林.基于ZigBee无线网络的温湿度监测系统[J].机电工程，2008（11）：20?23.
[4] 刘萍.基于多传感器融合的矿井环境监测系统研究[J].矿山机械，2013（6）：110?113.
[5] 蒲泓全，贾军营，张小娇，等.ZigBee网络技术研究综述[J].计算机系统应用，2013（9）：6?11.
[6] 王益祥，牛江平.远程无线抄表系统的研究[J].自动化仪表，2011（3）：4?7.
[7] 邹丽新，翁桂荣.单片微型计算机原理[M].苏州：苏州大学出版社，2001.
[8] SUZUKI N，MITANI T，SHINOHARA N. Study and develop?ment of a microwave power receiving system for ZigBee device [C]// Proceedings of the 2010 IEEE Asia ? Pacific Microwave Conference. Kansas：IEEE，2010：45?48.
[9] ZHANG G，LIU S G. Study on electrical switching device junc?tion temperature monitoring system based on ZigBee technology [C]// Proceedings of the 2010 IEEE International Conference on Computer Application and System Modeling. Taiyuan，Chi?na：IEEE，2010：692?695.
[10] Dissanayake S D，Karunasekara P P C R， Lakmanaarachchi D D，et al. ZigBee wireless vehicular identification and au?thentication system [C]// Proceedings of the IEEE the 4th In?ternational Conference on Information and Automation for Sus?tainability. Colombo：IEEE，2008：257?260.
[11] 曹金山，张泽滨.无线传感网络安全改进方案研究[J].现代电子技术，2014，37（20）：38?40.
[12] 彭燕.基于ZigBee的无线传感器网络研究[J].现代电子技术,2011，34（5）：49?51.
作者简介：于洪涛（1993—），男，江苏徐州人。主要研究方向为光电应用技术。
吴迪（1980—），男，江苏徐州人，博士，讲师。主要研究方向为仪器仪表与自动化检测技术。
朱齐山（1993—），男，江苏苏州人。主要研究方向为仪器仪表与自动化检测技术。
朱玉广（1993—），男，江苏扬州人。主要研究方向为物联网通信技术。