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作者：四川理工学院 罗松 王静平 陈春鹏
指导教师：杨维剑

　　作品简介

　　传感器网络有着巨大的应用前景，在环境生态监测、民用交通监控、军事信息栅格等领域有着及其重要的作用。比如用于环境监测、气象现象的观测和天气预报、生物群落的微观观测、洪灾的预警、农田管理、智能家居、智能交通、辐射监测的研究，用于定位的Cricket和Echo，以及用于医疗的SSIM 项目等。可见，对无线传感器网络关键技术及多点环境监测研究，有着重要的意义。
　　本无线传感器网络数据采集系统主要运用STC15 F2K 61S2 单片机开发板作为平台，基于PTR8000无线数据传输，应用类IP地址方式的多个检测站点、多个中继站、多总站构建而成的星型无线网络拓扑结构，如图(1.1)　　

 　　本系统利用星型无线网络拓扑结构和类IP地址建立自成一体的无线网络协议，实现无线网络数据采集。系统结构图如图(1.2)　　

 　　基站主要由单片机、A/D转换芯片、温湿度传感器、温度传感器组成。检测数据由单片机通过SPI协议传给PTR8000发给中继站，每个站点拥有自己独立的类IP地址，我们可以通过IP地址对检测站点进行扩展。
　　中继站由无线接收模块和单片机构成，中继站接收基站数据并转发给数据采集仪，主要用于延长数据传输距离。
　　无线传感器数据采集站，通过PTR8000接受每个基站发来的数据并通过地址码自动识别是那个站点发来的数据，自动组网，再由液晶显示器将对应数据显示在对应位置，同时将数据转发给PC机端。数据采集仪可以快速对每个基站数据和日历进行查看，从而做到对每个基站实时监控。
　　总站，总站主要由数据接收端通过串口传给PC机，并由PC机上相应软件对数据显示，从而进一步对对数据进行分析、处理和站点监控。
　　使用时只需将基站放在需检查点位置，在有效范围内打开基站和中继站，无线传感器数据采集仪便可以对基站数据进行实时监控。

　　平台选型说明

　　本系统应用宏晶公司最新推出的STC15 F2K 61S2 单片机开发板作为主平台，PTR8000无线模块作为数据传输;78E58单片机、DHT11温湿度传感器、DS18B20温度传感器、AD转换芯片、PTR8000作为基站;78E58单片机、PTR8000作为中继站;STC15 F2K 61S2 单片机开发板、PTR8000作为数据采集站;78E58单片机、PTR8000、计算机作为PC端。

　　设计说明

　　一、系统功能设计
　　本系统的构建需要满足能完成一些基本的数据采集和传输的要求，同时考虑满足市场发展及经济调度的需求，具备一些开关量的输入输出控制功能和抗干扰能力。
　　根据实际分析，系统功能如下：
　　·采集功能：对经过传感器转变的标准电压或电流信号，进行 A/D 转换，变成数字化的数据，这些数据可以通过单片机以无线方式进行数据传送。

• 无线传输数据功能：无线传输距离应≥800m。数据传输速率应≥38400bps。
• 对各基站实时监控功能：对每个基站数据实时查看，实时监控。
• 数据采集仪日历功能：能查看当前日期、时间，能对日历进行设置。
• 控制中心数据库(PC端)：记录每个终端情况并对数据进行必要的处理。
• 自成一体的网络通信协议：构建星型无线网络拓扑结构，建立自成一体的无线网络协议，实现点对多点的无线网络数据采集。
• 功能扩展：具备在任何情况下都能及时扩展，为系统功能进一步完善提供便利的接口，以便进行二次开发。

　　二、 系统整体设计
　　1.方案论证
　　方案①：采用分离元件搭建振荡电路，用单片机控制载波信号，将数据信息调制到载波信号上，接收方通过解调电路从载波中取出数据信息，最终送向PC终端，方框图(图2.1)如下：　　

 　　数据源需要进行A/D转换后再传给单片机，在单片机的控制下将数据进行D/A转换，最后通过调制电路，高频放大辐射电磁波，这套方案的无线传输部分用分离元件构成，核心由MCU控制。
　　方案②：用开关键控OOK(On-Off Keying)调制发射电路配合超再生接收电路实现无线数据传输， 原理图(图2.2)如下：　　

 　　0和1分别表示开关断开、合闭，当开关断开时无射频信号输出，当开关闭合时有射频信号输出，通过接收方的一系列处理后最终分离我们的开关信号，达到数据传输的目的，OOK调制发射电路和超再生接收电路都采用成品模块。
　　方案③：采用无线数据传输模块(PTR8000)进行数据传输，其基本框图(图2.3)如下：
　　方案三　　

　　方案①采用了分离元件搭建振荡电路完成模拟数据调制发送，虽然振荡电路简单易行，但是其稳定性不是很可靠，要进行数据的传输不是很合适，而且调制部分用到了D/A转换，增加了成本，故不予以考虑。方案②则是将我们的发送部分封装成了一个模块，大大提高了发射距离及数据传输的可靠性，但是由于这样的模块功能单一，很难实现高速率星型无线网络拓扑结构的管理，故放弃此方案。方案③单片机控制的PTR8000模块专为点对多点无线通信设计，通过SPI总线仅需四根线就能完成与PTR8000内不进行通信，内置数据协议和CRC检错，无乱码输出，载波检测输出，点对多点通信硬件制。由于采用无线传输模块，大大增强了系统的稳定性，点对多点通信可以使系统网络进一步扩大，使我们设计中继站更为简便可行,再加上50kbps的最高传送速率很好的满足了我们提高无线传输速率的需要综合几个方案后，我们发现该方案能很好的完成本次设计的目的，故采纳此方案。

　　2.系统逻辑设计
　　(1)基站：
　　基站的组成相当于小型的集中式数据采集系统，位于被测对象附近，可独立完成数据采集和预处理任务。被测的物理量通过传感器转换成电流信号，经信号放大、调理、A/D转换后，由单片机对其进行处理后，控制无线模块将采集到的数据发送给接收端。数据采集站置于现场，使用电源供电。　　

　　(2)中继站 ：
　　中继站(图2.2.2)主要由MCU、PTR8000构成，它的结构相对比较简单，主要负责数据的转发，增大信号的覆盖范围。　　

 　　(3)数据采集站：
　　数据采集站主要是由STC1开发板，无线收发模块，电源部分组成　　

 　　(4)PC终端：
　　PC终端(图2.2.3)主要由MCU、PTR8000、RS458构成，采用PC机USB供电方式，以增大实用范围。并由VC++完成界面设计及数据记录，系统数据库采用微软的ACCESS数据库。　　

　　3.硬件设计
　　3.1基站：
　　3.1.1 AD7492与分压网路电路
　　设计采用精密电阻组成分压网路(图3.1.1)，可采集两路电压信号。
　　u1和u2分别是两路AD7492的输入端，由于AD7492的基准电压是2.5V，而单片机的工作电压在5V左右，因此采用分压网络来限定输入电压在2.5V以下，再通过电阻分压公式计算出当前的电压值。　　

 　　一旦CONVST变为低电平，忙信号就变为高电平，在转换结束时，忙信号的下降沿用于激发一个中断服务。　　

 　　3.1.2 AD7492与单片机连接
　　由于AD7492是12BIT精度的并行A/D转换器件，传统的8位单片机不能一次读完，故采用74LS373锁存的方式分两次读取，如图所示(图3.1.3)，AD7492的低8位数据直接和单片机的8位数据线相连，高4位用74LS373进行锁存后发向单片机的低4位数据线，锁存信号择由AD7492的CS和RD或非后决定。　　

 　　3.1.3 DS18B20与单片机连接关系如图3.1.4所示　　

 　　3.1.4 PTR8000模块接口简单说明
　　CPU模块通过SPI总线与PTR8000接口。因为CPU模块与PTR8000模块接口间电平一致,不需加电平转换电路。CPU与PTR8000模块连接电路(图3.1.5)　　

 　　3.2中继站
　　中继站硬件由CPU和PTR8000组成，硬件连接与基站相同。

　　3.3数据采集站
　　数据采集站主要运用STC15 F2K 61S2 单片机开发板，利用现成的12864接口对基站数据显示，如图(3.3.1)　　

 　　用开发板上PCF8563日历芯片通过MCU直接读取日历信息，并通过12864显示，与MCU连接如图(3.3.2)
　　本系统按键也使用开发板上现有的按键，可通过按键SL15对显示左翻页，SLS16右翻页，SL13进行日历快速查看和调整，SL10按键进行日历调整，四个按键分别应用中断采集按键信息。原理图如图(3.3.3)　　

 　　PTR8000与STC15单片机连接，由于PTR8000使用3.3V供电，引脚输入电流不能超过20mA，所以需在单片机与PTR8000引脚连接间加30欧的限流电阻，其原理图为图(3.3.4)　　

 　　数据采集站由蓄电池供电，蓄电池给电片机供电需要稳定5V电压，PTR8000需要3.3V电压，分别通过LM2596-5和AMS1117-3.3稳压给其供电，电源部分通过运用二极管压降和LED灯导通电压对电源电量进行实时监控，当绿灯熄灭时表示电量不足，当红绿灯同时熄灭时表示电量严重不足。

　　4.软件设计
　　4.1 基站主程序流程图　　

 　　4.2 中继站程序流程图　　

　　4.3 数据采集站程序流程图　　

 　　4.4 PC端总站流程图　　

 　　采用VC++来开发的系统PC机界面　　

 　　作品特色

　　1.先进性：系统具有采集数据精度高、转换精度高、通信质量高、实时性强、传输距离远、收发数据快、误码率低等基本特点外还具有站点体积小、功耗低、扩展性强等特点。
　　2. 适用性：系统通过自动采集数据，实时发送，自行快速组网结构。可应用于生产、生活中各种多点数据采集，环境监控如自动抄表系统、温度测量、环境监测、工业控制等领域中。
　　3. 创新性: 每个基站、中继站和总站都有一个独立的类似于IP地址的站点内部地址，如果需要增加系统的基站、中继站或者总站,只需要配置相应的地址即可,无需另外增加设备,更能方便而快捷的构建星型无线网络拓扑结构，建立自成一体的无线网络协议，实现无线网络数据采集。系统的软件操作界面简洁、直观、整个系统开发简单快速。
　　4.操作方便，节能环保：应用无线网络技术，减少大量线缆，使用时只需将检测站点放在需检测点，在野外或农场可采取太阳能供电。

系统演示视频：http://v.eepw.com.cn/video/play/id/2308