摘  要： 為解決惡劣環(huán)境下溫度監(jiān)測的布線困難和不易維護的缺點,，設計了一種基于ANT協(xié)議的遠程無線溫度監(jiān)測系統(tǒng),。本系統(tǒng)采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20測量待測點的溫度信息，通過ANT無線網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸,，再通過數(shù)據(jù)匯集節(jié)點將數(shù)據(jù)串口通信發(fā)送給監(jiān)測終端,。用戶可以通過監(jiān)測軟件監(jiān)控和查詢溫度信息，實現(xiàn)對溫度的遠程監(jiān)控,。
 關鍵詞： 溫度采集,；ANT；遠程監(jiān)控,；無線傳感器網(wǎng)絡

    許多工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境對于溫度的要求非常高,，因此對于溫度監(jiān)測系統(tǒng)的要求也非常高。傳統(tǒng)意義上的溫度監(jiān)控系統(tǒng)大多采用電纜鋪設或者人工儀器測量,，這樣不僅耗費了大量的人力,，設備維護方面也存在相當大的困難。因此對于環(huán)境條件受限或者監(jiān)測范圍較大的情況,，傳統(tǒng)意義上的溫度監(jiān)測系統(tǒng)就會顯得無能為力[1],。隨著信息技術的發(fā)展，傳統(tǒng)溫度監(jiān)測系統(tǒng)已不能滿足實際應用的需要,，在此背景下,，無線傳感網(wǎng)絡(Wireless Sensor Network)應運而生。作為一種新型的信息收集與處理技術,，無線傳感網(wǎng)絡是由布置在區(qū)域范圍內(nèi)大量傳感器組成的,、通過無線通信形式形成的多跳自組織的網(wǎng)絡系統(tǒng)，可以實時監(jiān)控網(wǎng)絡區(qū)域范圍內(nèi)監(jiān)測對象的信息,，并將信息打包傳送至客戶端,。無線傳感網(wǎng)絡具有檢測范圍廣、精度高等特點,，適用于監(jiān)測環(huán)境比較惡劣,、人工無法接近的地區(qū)，在軍事,、家庭智能等方面具有比較廣闊的發(fā)展前景[2],。
    本文設計了一種基于ANT的遠程無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用溫度傳感器采集溫度信息,，然后通過微處理器模塊和ANT無線網(wǎng)絡模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸,，最后通過串口通信將數(shù)據(jù)傳送給PC機進行處理并顯示,，實現(xiàn)對溫度的實時監(jiān)控。
1 系統(tǒng)總體設計
    ANT協(xié)議是加拿大Dynastream公司于2005年針對小尺寸,、低成本,、低功耗的應用而推出的一種短距離的非標準無線射頻協(xié)議。ANT采用雙工2.4 GHz ISM頻帶射頻通信,，設計用作超低功耗,、易使用、高效以及高靈活性的應用,，其有效傳輸距離約為10 m~30 m,，傳輸速度高達1 Mb/s，支持樹型,、點對點和星型及其他網(wǎng)絡拓撲結構,，可提供可靠、靈活,、自適應及高抗干擾的數(shù)據(jù)通信[3],。
    無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)包括溫度測量節(jié)點、數(shù)據(jù)匯集節(jié)點以及用戶監(jiān)測終端,。溫度測量節(jié)點實時采集和傳送各個監(jiān)測點的溫度,，與數(shù)據(jù)匯集節(jié)點構成ANT無線星型網(wǎng)絡，由數(shù)據(jù)匯集節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)與接收,，并將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶監(jiān)測終端,，用戶監(jiān)測終端對數(shù)據(jù)進行處理并顯示，以達到監(jiān)控被測節(jié)點的溫度的目的,。系統(tǒng)總體結構如圖1所示,。

2 硬件設計
    溫度測量節(jié)點主要由ANT通信模塊、信息采集模塊和微處理器模塊等硬件構成,，主要功能在于采集溫度信息,，并將溫度信息通過ANT網(wǎng)絡傳輸至數(shù)據(jù)匯集節(jié)點。數(shù)據(jù)匯集節(jié)點由微處理器模塊和ANT通信模塊構成,，主要功能在于收集被測節(jié)點的溫度信息并且通過串口通信方式將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測終端,。監(jiān)測終端對數(shù)據(jù)進行處理并顯示相關信息。硬件結構如圖2和圖3所示,。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊
    數(shù)據(jù)采集模塊主要采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器,，它具有精度高、成本低,、操作簡便,、抗干擾能力強的特點，非常適用于溫度信息的采集[4],。這種傳感器采用單總線接口方式,，僅需要一條線即可實現(xiàn)與微處理器的雙向通信,，在采集溫度信息時,，不需要外部元件的輔助,，可以將溫度信息直接轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號傳輸給微處理器。DS18B20的測溫范圍為-55 ℃~+125 ℃,；可編程分辨率為9~12位,；精度可達到±0.5 ℃；溫度轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字格式,，最大值為750 ms,；電壓范圍為3.0~5.5 V，可由數(shù)據(jù)總線供電,。
2.2 ANT無線通信模塊
    無線通信模塊采用nRF24AP2[5]作為主要芯片,。nRF-24AP2是Nordic公司推出的新一代ANT低功耗無線網(wǎng)絡芯片，分為3個系列：nRF24AP2-1CH,、nRF24AP2-8CH和nRF24AP2-USB,。nRF24AP2-1CH是單通道ANT無線網(wǎng)絡芯片，nRF24AP2-8CH為8通道ANT無線網(wǎng)絡芯片,，nRF24AP2-USB為USB接口8通道ANT無線網(wǎng)絡芯片,。nRF24AP2具有超低功耗，單電源1.9~3.6 V供電,，簡單的異步/同步主機串行接口,，提供了SPI接口與微處理器的連接，抗干擾能力強,。根據(jù)實際應用需要,，溫度測量節(jié)點的通信模塊以nRF24AP2-1CH作為主要芯片，而數(shù)據(jù)匯集節(jié)點的通信模塊采用nRF24AP2-8CH作為主要芯片,，兩種芯片都采用同步主機串行接口方式,。nRF24AP2-1CH芯片與nRF24AP2-8CH芯片引腳功能是一致的，只是通道數(shù)不一樣,，所以它們與微處理器連接方式一致,。
2.3 微處理器模塊
    微處理器模塊采用單片機ATmega16L，該芯片是高性能,、低功耗的8位增強AVR RISC結構微控制器,，具有較高的處理速度，內(nèi)部設有SPI接口和兩個串行通信口,，可在3 V電壓下進行低功耗工作,，非常適合與選用的ANT模塊配合使用[6]。ANT模塊通過簡單的6線與ATmega16進行連接,，其中ATmega16L的SPI接口工作在從機模式,，nRF24AP2設為主機工作模式,。ATmega16L與ANT模塊的接口電路如圖4所示，外圍再配以電源電路,、晶振電路等,。晶振電路采用8 MHz晶振，選取3.3 V做為工作電壓,。

    串口通信 RS232與微處理器之間選用工作電壓為3.3 V的MAX3232電平轉(zhuǎn)換芯片,，以完成雙向電平和邏輯關系的直接轉(zhuǎn)換。由于該無線網(wǎng)絡具有很強的移動性,，故要求其具有穩(wěn)定的電源供電且必須功耗低,。本文選用5 V電池供電，通過LM1117將5 V電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V,，從而有效降低了成本,，增加了終端節(jié)點的可移動性和靈活性。
3 軟件設計
    整個系統(tǒng)的軟件設計包括溫度采集,、數(shù)據(jù)匯集及監(jiān)控終端三個部分,。溫度采集軟件運用于溫度測量節(jié)點的單片機上，主要任務是采集溫度信息并將其無線發(fā)送,。數(shù)據(jù)匯集軟件運行于數(shù)據(jù)匯集節(jié)點單片機上,，主要用于接收溫度數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給監(jiān)控終端PC機。監(jiān)控終端軟件主要對接收到的數(shù)據(jù)進行有效的處理,，將數(shù)據(jù)進行保存,、顯示及分析。
3.1 溫度測量節(jié)點軟件設計
    節(jié)點上電之后,，首先是硬件初始化,，包括單片機初始化、溫度傳感器初始化和ANT初始化,。單片機初始化主要是端口初始化和SPI口的設置,；ANT初始化主要有設置網(wǎng)絡密鑰、分配通道,、設置通道ID,、設置通道周期和發(fā)射功率等，配置完成后開啟通道,。初始化完成后,，開始采集溫度值，到達1 s定時就開始重新采集溫度值并將數(shù)據(jù)發(fā)送,，完成后MCU進入空閑模式,。其流程圖如圖5所示。

3.2 數(shù)據(jù)匯集節(jié)點軟件設計
    節(jié)點上電之后,，首先對單片機和nRF24AP2進行初始化,，初始化過程與溫度測量節(jié)點的初始化一致,。初始化完成后檢測有無收到新溫度值，若無則等待,，若有則將新的溫度數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給監(jiān)測終端,。其流程圖如圖6所示。
3.3 監(jiān)控終端軟件設計
    監(jiān)控終端軟件主要用于數(shù)據(jù)處理,，基于VC++6.0實現(xiàn),，主要任務包括串口通信的收發(fā),、數(shù)據(jù)的存儲和數(shù)據(jù)的顯示,。串口通信采用微軟提供的MSComm控件實現(xiàn)[7]；數(shù)據(jù)顯示通過監(jiān)控軟件界面可實時顯示各個監(jiān)測點的溫度數(shù)據(jù)和測量時間,，并且能夠設定報警溫度閾值,，當超過閾值范圍發(fā)出報警聲；同時將接收的溫度信息保存到數(shù)據(jù)庫以便用戶對數(shù)據(jù)進行查詢和分析,。
    本文提出的基于ANT技術實現(xiàn)無線溫度監(jiān)控方法,，可以實現(xiàn)無網(wǎng)狀態(tài)下采集現(xiàn)場溫度，通過遠程手段監(jiān)測,、記錄歷史溫度并且進行有效分析和合理判斷,，可實現(xiàn)對溫度的遠程監(jiān)控。在長時間需要現(xiàn)場監(jiān)測或者較為惡劣的環(huán)境條件下,，這種技術手段可以有效地節(jié)省人力資源,。另外系統(tǒng)能夠更換不同的傳感器來監(jiān)測不同的環(huán)境參數(shù)(如空氣濕度、有毒氣體等),，具有一定的通用性,。
參考文獻
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