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基于单片机及SI4432的无线传感器组网的设计与实现

专家
2013-01-23 14:20:17    评分

作者:南通大学 姚彬 郑成 石世领
指导教师:孙玲 施佺

  作品简介

  一、开发背景
  基于单片机及SI4432的无线传感器组网设计是为了能实现对特定区域恶劣环境进行温湿度、有害气体等数据的实时监测,以实现复杂环境下的特点范围内目标监测,从而可以很大程度上的节约人力、物力资源,提高管理和决策效率。

  二、结构说明
  系统主要由硬件系统设计和软件系统设计组成,硬件系统主要以STC15F2K61S2单片机及SI4432无线模块为核心进行无线传感器的组网,结合相应传感器SHT10温湿度传感器、MQ2气体传感器组成的硬件系统的部分,软件部分以C#语言为基础,结合SQL server大型数据库技术,设计实现了全新的、高度模块化的基于单片机及SI4432的无线传感器组网的设计。

  三、实现功能
  本设计遵循完整性、先进性、开放性和系统性的开发原则,系统以1个负责与PC机通信的主机节点和多个采集数据的移动节点模块组成监测网络。每个移动节点对复杂环境下的特定范围内的温湿度、有害气体进行数据采集,通过Si4432射频模块与主机节点通信(实测最高传输距离可达200-300m)。主机节点是以STC15F2K60S2为主控芯片通过Si4432射频模块接收移动节点传输来的数据,通过串口与设计的上位机软件将监测的数据存入数据库,同时通过动态图形GUI曲线实时的显示在PC机上,从而可以很大程度上的节约人力、物力资源,大大的提高了管理的效率。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,这样便于进行直观的监测。

  四、使用说明及实物展示
  图1为主机节点的硬件系统整体实物连接图,由STC15F2k61S2单片机开发板及转接板(由SI4432无线模块、1602LCD液晶屏组成)的移动节点。  

 

  图2为本项目设计的与开发板相连的转接板实物图,由SI4432无线模块为核心,设计传感器SHT10温湿度传感器与MQ2气体传感器及3.3V直流稳压电源组成,设计的转接板直接与大赛单片机开发板实现最高效的连接。  

 

  使用时直接先将设计的转接板与开发板相连,然后将接收模块的主机节点与两个发送模块的移动节点分别通过USB供电,实现组网功能。同时启动设计的上位机软件,并通过上位机软件可以实现GUI图形动态显示数据的变化,并将各移动节点的监测数据实时存储到SQL Server数据库的功能。
  图3为移动节点的硬件系统整体实物连接图,由STC15F2k61S2单片机开发板及转接板(由SI4432无线模块、传感器SHT10温湿度传感器、MQ2气体传感器)组成的移动节点。  

 

  图4为本项目设计的上位机软件,系统启动后打开串口,开始连接后即可接收到的实时数据。  

 

  图5为上位机软件根据开启的移动节点,自动获取各监测移动节点的实时状态信息,以网络拓扑图的形式自动形成监测动态拓扑图,该拓扑图设置每秒自动刷新监测状态数据信息。  

 

  图6为根据接收到移动节点的数据生成的实时数据走势曲线。  

 

  平台选型说明

  本设计选用的是STC15F2K61S2单片机开发板,因为本设计不需要复杂的程序存储控制,8位单片机完全满足应用需求。STC15F2K60S2是以51内核开发的一种单指令周期的单片机,使用方便,成本低廉,故使用该平台既能很好的实现组网及监测功能,又能很好的控制成本。

  设计说明

  一、设计原理
  本设计是基于大赛指定用的STC15F2K61S2单片机开发板,不涉及复杂的硬件电路。本设计采用自行设计的算法实行了SI4432多对一的组网方式。系统启动后首先在一定时间发送次数内,主机节点先与1个移动节点通信,当通信成功,接收到该移动节点的数据后,再与另一个移动节点通信,若在达到最大发送次数规定的时间内还未接收到该节点的数据,则跳出与该移动节点的通信链路,转接到下一个移动节点通信链路,以此循环将所有节点数据采集到主机节点上。同时主机节点将监测数据通过串口保存到PC机数据库并进行预警。图7即为系统组网的体系结构图。  

 

  本次项目设计采用2个移动节点和1个主机节点构成传感网络进行系统组网,具体硬件系统的主机节点实现的原理图如图8所示,移动节点实现的原理图如图9所示:  

 
 



关键词: 基于     单片机     SI4432     无线     传感器     组网         

专家
2013-01-23 14:22:21    评分
2楼

  二、设计方案
  在本设计中选用STC15F2K61S2为主控芯片,充分利用了开发板上的现有模块,主要有STC15F2K61S2单片机的A/D转换接口、LCD1602液晶模块、CH340T USB模块等。
  1)STC15F2K61S2单片机的A/D转换接口
  STC15F2K61S2单片机内部集成了8路10位高速A/D转换器,其ADC采用逐次比较型ADC,逐次比较型ADC由一个比较器和D/A转换器构成,通过逐次比较逻辑,从高位(MSB)开始,顺序的对每一输入电压与内置D/A转换器输出进行比较,经过多次比较,使转换所得数字量逐次逼近输入模拟量对应值。逐次比较型A/D转换器具有具有速度高、功耗低低等优点。
  本设计中会使用气体传感器模块对气体的不同溶度以输出电压值的大小来表示,故需要通过STC15F2K61S2单片机P1口的A/D转换器,将模拟电压值转换为二进制数值,从而方便无线模块发送。
  2)LCD1602液晶模块
  LCD1602液晶是工业字符型液晶,能够同时显示16x02即32个字符。它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块,它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成,每个点阵字符位都可以显示一个字符,每位之间有一个点距的间隔,每行之间也有间隔,起到了字符间距和行间距的作用。是一种微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧高性价比的液晶。  

 

  在本设计中需要在主节点模块中显示从移动节点接收到的温湿度、气体传感器,故采用LCD1602来实时显示各节点的环境数据。
  3)CH340T-USB模块
  CH340T是一个USB 总线的转接芯片,通过 USB 总线提供异步串口、打印口、并口以及常用的 2 线 和 4 线等同步串行接口。在异步串口方式下,用于将普通的串口设备直接升级到 USB 总线,支持 5V 电源电压和 3.3V 电源电压。
  由于在本设计中需要将主节点中接收到的环境数据通过PC机进行存储、GUI显示,故通过通过CH340T将数据发送到PC机串口中。
  2.1 外设传感器的选型
  本设计选用STC15F2K61S2为主控芯片,控制外设拓展的温湿度传感器STH10、无线射频模块Si4432、MQ-2气体传感器等器件。
  1)Si4432无线射频模块
  采用Silicon Labs EZRadioPRO系列
  ISM频段无线芯片SI4432,在240-960 MHZ频段下最大输出功率可以达到+20DBm,接收灵敏度达到-116dbm,芯片内含有一个高性能ADC在数字接收路径和数字调器中当做解调、滤波和数据包处理,可工作于FSK、GFSK、OOK无线调制模式,最大功率下传输距离可达上千米,供电1.8-3.6v。  

 

  2) SHT10温湿度传感器
  SHT10单芯片传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。湿度测量范围:0~100%RH、温度测量范围:-40~+123.8℃。湿度测量精度:±4.5%RH。温度测量精度:±0.5℃、响应时间:8s(tau63%)、低功耗 80μW(12 位测量,1次/s)。工作电压:2.4-5.5V。  

 

  3) MQ_2气体传感器
  MQ-2气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2),当传感器所处环境中存在可燃气体时,传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大,使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号,MQ-2气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高,对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想,这种传感器可检测多种可燃性气气体,是一款适合多种应用的低成本传感器。  

 

  2.2 转接板模块的设计
  根据主机节点及移动节点实现的原理图,我们设计了如图14所示的硬件转接板的原理图。J1、J2即为插在单片机上的排座。根据需要我们选用了左右各16个管脚。J3、J4是基于Si4432无线模块的排座,其中SDO、SCI、SCK、nSEL、nIRQ、SDN分别通过转接板接到STC15F2K61S2单片机开发板上,P2^1到P2^6;STH10的DATA和SCK1分别连接到单片机的P3^4、P3^5;J5为MQ-2的插槽,其中AD连接到单片机的P1^5脚,因为MQ-2输出的是模拟量,故应用内部的高速AD转换转换为数字量。T1、T2、T3及T4是预留的测试口。  

 

  基于Si4432射频模块是一种低功耗产品,它的电源供电是3.3V,经测试它的IO口可以与5V供电的单片机进行有效通讯,故只需提供VCC3.3V,IO口直接连接即可。为了得到稳压特性较好的直流电压,我们设计了图15所示的3.3v直流稳压原理图,稳压芯片选用LM1117-3.3。利用Altium Designer 09设计了一个转接板(由3.3V电源模块、Si4432无线模块、STH10模块及MQ-2气体模块组成),通过2.54MM的排座直接插到单片机开发板上。这样不仅保证了系统设计的合理性,又保证了系统工作的可靠性与稳定性。  

 

  其转接板PCB板图如图16所示。  

 

  2.3 通讯的数据格式
  在本设计中组网通信的发送数据共有15位,第一位为移动节点识头码,‘1’代表节点1,‘2’代表节点2。第2到6位为温度的数据,第7到10位为湿度,11到14位为气体溶度,最后一位为CRC校检码。  

 

  2.4 程序设计流程图
  设计采用了自行设计的算法,设计了如图17的主机节点通信流程图。
  首先在对外设及I/O初始化后,在一定时间发送次数内,主机节点发送测量指令2,移动节点2接受识别并采集数据以一定的数据格式返回给主机节点,主机节点接受数据2后立即发出测量指令2,移动节点1接受识别并采集数据以一定的数据格式返回给主机节点。此时,便完成了一个测量周期,在一个周期内,主机节点两次通过异步串口将采集到的数据发送给上位机,并在LCD1602上显示。  

 

  根据主机节点的程序设计,我们相应的设计了与之配套的移动节点的程序,如图18所示。首先,移动节点对SHT10温湿度及单片机内部的A/D转换器初始化,然后从传感器中读取数据,之后通过I/O口访问SI4432,如果检测到主机节点发送的检测指令,则将数据以特定格式通过Si4432无线模块发送出去。  

 

  作品特色

  基于单片机及SI4432的无线传感器组网的设计是集现代微处理器技术、通信技术、传感器技术及人机系统技术为一体,可对特定区域通过无线自组网技术对环境数据进行实时监控。
  本设计遵循完整性、先进性和创新性性的系统开发原则,以STC15F2k61S2单片机及SI4432无线模块为核心进行无线传感器的组网设计,结合相应传感器SHT10温湿度传感器、MQ2气体传感器组成的硬件系统,以FSK模式通信,从而达到扩大通信线路容量,在一个链路频率上输出多路独立的信号,极大地提高了传输效率,并且通过发送次数的控制,使组网具有自动转换链路,提高了系统的稳定性,同时在硬件CRC校检的基础上,加入了软件校检,极大地降低了误码率,并将温湿度传感器、气体溶度检测器通过基于SI4432无线模块进行数据传输,实现了全新的、高度模块化的基于单片机及SI4432的无线传感器组网,系统可通过自主设计的PC机上位机软件,自动获取各监测移动节点的实时状态信息,以网络拓扑图的形式自动形成监测动态拓扑图,从而实时的对数据监测功能。
  本系统可广泛用于大型网络机房监控、蔬菜大棚、农田作物生长环境监测、医疗机构以及一些对环境因素比较敏感的生产车间如纺织、化工厂等监测,使设计具有更大的推广前景与经济效益。

系统演示视频:http://v.eepw.com.cn/video/play/id/2575


菜鸟
2016-10-28 15:44:52    评分
3楼
HW3000超低双向无线fsk模块完美替代CC1101、CC1120、A7139、A7108、si4432、si4438、si4463 

菜鸟
2016-10-31 15:19:25    评分
4楼
海尔集成半导体推出了个芯片型号hw3000,用量巨大,距离有2.5公里双向,与si4463差不多,比si4432 si4438远,比A7108 和A7139好很多,如果是10kpbs,比sx1278 远。LoRa没办法快速率,深圳市硅传科技有限公司可了解,推荐!

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