【文章內(nèi)容簡介】 節(jié)點隨機分布的特性要求傳感器節(jié)點具有自行組建無線網(wǎng)絡(luò)的特點；節(jié)點數(shù)量龐大。在傳感網(wǎng)絡(luò)中，往往需要龐大數(shù)目的節(jié)點來采集信息，才能得到較全面的環(huán)境信息；節(jié)點能力有限。傳感器節(jié)點工作環(huán)境通常是野外等較差的地方，要求功耗小，體積小，成本低，能適應(yīng)通信狀況不良的環(huán)境。由于實際工程應(yīng)用中節(jié)點的位置無法事先確定，節(jié)點可能發(fā)生故障，隨時的更換，從而導(dǎo)致節(jié)點隨時的加入和離開，為使節(jié)點的變更不影響系統(tǒng)的正常運行，無線自組網(wǎng)的自適應(yīng)路由選擇具有強抗毀性，在實際工程應(yīng)用中得到廣泛采用。 Windows 系統(tǒng)編程概述Windows 系統(tǒng)是人們再熟悉不過的圖形界面方式的操作系統(tǒng)，具有良好的交互性。利用事件驅(qū)動的方式進行面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計是 Windows 編程的主要方式，視窗系統(tǒng)編程能夠編寫出可視化的圖形用戶界面。Windows API 包含了操作系統(tǒng)所需的豐富的接口函數(shù)。程序開發(fā)者也可利用 MFC(Microsoft Foundation Class)類庫有效地完成 Windows 應(yīng)用的開發(fā) [5]。利用 Windows API 可實現(xiàn)圖形用戶界面設(shè)計，網(wǎng)絡(luò)通信，串口通信等功能。Visual C++ 是微軟公司推出的面向?qū)ο罂梢暬_發(fā)工具，具有很強的靈活性，比較經(jīng)典的 Windows 編程工具，至今仍比較流行。5 MSP430F149 型單片機概述系統(tǒng)標簽節(jié)點的數(shù)據(jù)處理模塊采用 MSP430 系列的 F149 型單片機。MSP430 系列單片機小巧靈活、成本低廉、抗干擾能力較強、易于實現(xiàn)產(chǎn)品化、使用的溫度范圍廣，能夠在各種惡劣條件下可靠地工作，實現(xiàn)分布式多單片機控制，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和工作效率。采用單片機進行環(huán)境信息測量、信息存儲、數(shù)字顯示、實時監(jiān)控等工業(yè)控制對于企業(yè)降低生產(chǎn)成本，提高工作效率，節(jié)能環(huán)保等都具有重要的意義。MSP430 系列的 F149 型單片機為超低功耗的混合信號處理器，由美國德州儀器（TI）公司開發(fā)，具有 16 位 RISC 結(jié)構(gòu)，運算處理能力強，還集成了豐富的片內(nèi)外設(shè)。MSP430 系列單片機系統(tǒng)工作穩(wěn)定，具有方便靈活的開發(fā)環(huán)境，能工作在多種工作模式下，使用靈活方便。MSP430 系列單片機通過降低芯片電源電壓以及可控制的靈活的時鐘來保證其低功耗的特性，在某些情況下，可在電池供電的狀態(tài)下工作數(shù)月甚至數(shù)年都無需更換電源，相比其他類型的單片機具有無可比擬的優(yōu)勢。MSP430F149 型單片機同其他 MSP430 系列單片機一樣，片上外圍模塊豐富。他們分別是看門狗（WDT ） 、基本定時器(Basic Timer)、端口 16(P0P6)、定時器A(Timer_A)、定時器 B(Timer_B)、模擬比較器 A、串口 0(UART0)和串口 1(UART1)等外圍模塊。MSP430 系列 F149 型單片機為馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)的硬件結(jié)構(gòu)。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖 21，主要包括 16 精簡指令中央處理單元、存儲器、外圍模塊、時鐘模塊、地址總線和數(shù)據(jù)總線。芯片引腳分布如圖 21。6圖 2 1 MSP430F149 硬件結(jié)構(gòu)圖圖 2 2 MSP430F149 外圍引腳分布中央處理器的性能直接關(guān)系到單片機的數(shù)據(jù)處理能力，MSP430F149 的 CPU 內(nèi)部由一個 16 位邏輯算術(shù)運算單元，16 個寄存器和 1 個指令控制單元組成。通過對寄存器的寫和讀完成程序所要實現(xiàn)的功能。圖 23 展示了 16 個寄存器的結(jié)構(gòu)。7圖 23 MSP430CPU 結(jié)構(gòu)圖通過中斷的方式，單片機響應(yīng)外圍模塊。當中斷事件提出中斷請求時，會通過硬件向中央處理器提供向量。在主機的中斷允許的情況下，如果外圍模塊產(chǎn)生中斷則進入中斷處理程序。MSP430F149 的中斷向量表如表 21。8表 21 MSP430F149 中斷向量表 DS18B20 溫度傳感器概述此溫度采集系統(tǒng)采用一種改進型的數(shù)字式智能溫度傳感器 DS18B20。DS18B20溫度傳感器體積小，采用單總線與單片機相連，硬件電路簡潔。這使系統(tǒng)抗干擾能力更強，適用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和工業(yè)生產(chǎn)過程監(jiān)測等領(lǐng)域。DS18B20 是單線式的智能數(shù)字化溫度傳感器，遵循“單線總線系統(tǒng)”的單線協(xié)議。具有 3 引腳 TO92 小體積的封裝形式，DS18B20 溫度傳感器引腳封裝見圖 24所示，表 22 為該傳感器的引腳說明。DS18B20 主要由三部分組成：1)64 位激光ROM。2)溫度靈敏元件；3）溫度警告觸發(fā)器 TH 和 TL。對 DS18B20 的操作都是建立在對內(nèi)部寄存器寫和讀的基礎(chǔ)上的。每個 DS18B20 溫度傳感器具有獨有的序列號，多個此類傳感器可掛載在同一條單線式總線上；溫度測量范圍55?C+125?C ,測溫分辨率達 ?C。9圖 24 DS18B20 T092 引腳封裝圖表 22 DS18B20 引腳說明要從 DS18B20 傳感器中讀寫數(shù)據(jù)，必須能夠?qū)υ搨鞲衅鞯馁A存器進行驅(qū)動。DS18B20 傳感器初始化時序如圖 25，讀寫時序如圖 26 所示。圖 25 DS18B20 初始化時序10圖 26 DS18B20 讀寫時序 無線傳輸模塊 CC1101 概述無線射頻在社會生活中已經(jīng)開始被廣泛應(yīng)用，無線傳輸模塊因其低功耗、運行穩(wěn)定、連接性好、靈敏度高、外圍元件簡單的特點，被大量采用。無線傳輸模塊采用 CC1101 作為本系統(tǒng)的無線收發(fā)所使用的芯片進行數(shù)據(jù)傳輸。在典型的系統(tǒng)中，一個無線傳輸模塊中 CC1101 芯片通常會與一顆微型控制器和少數(shù)附加的無源組件一起使用。CC1101 是一種低成本單片 UHF 收發(fā)器，為無線低功耗應(yīng)用而設(shè)計，是一種低功耗的短距離通訊設(shè)備(SRD) [19]。CC1101 工作波段符合我國的工業(yè)標準。廣泛應(yīng)用在工業(yè)監(jiān)測控制、儀表自動化讀數(shù)、低功耗的遙感探測、建筑自動控制、無線安全警報系統(tǒng)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)和電子消費品當中。CC1101 芯片具有自動低功耗輪詢無線喚醒(WOR)功能，支持串行異步和同步接收/發(fā)送模式，能夠向后兼容現(xiàn)有無線通信協(xié)議。芯片 CC1101 引腳分布見圖 27。 11圖 27 CC1101 電路圖CC1101 引腳說明見表 23。12表 23 CC1101 引腳說明在 CC1101 中數(shù)據(jù)的收發(fā)和 CC1101 的狀態(tài)設(shè)置是通過修改寄存器值來實現(xiàn)的。使用 SmartRF_Studio 軟件來進行 CC1101 寄存器各種的配置 ,以獲得最佳寄存器性能，并且修改寄存器要在 IDLE 模式下。CC1101 工作狀態(tài)模式如下圖 28 所示。13STXSPWDRXOFF_MODEL=01TXOFF_MODEL=00SRX or STX or WORTXOFF_MODEL=01手動頻率合成校準睡眠頻率合成器開頻率合成器啟動，可選校準，穩(wěn)頻IdleTX FIFO 下溢可選頻率合成校準發(fā)送模式 接收模式RX FIFO 下溢IdleSFTX SFRXSTXSTXSFSTXONSFSTXONSCALLCSn=0圖 28 CC1101 的狀態(tài)機 液晶顯示器 LCD1602 概述LCD1602 液晶顯示器的顯示原理：通過控制電壓變化，改變液晶的排列狀態(tài)，顯示出字符。本系統(tǒng)應(yīng)用基于 HD44780 芯片的字符液晶 LCD1602 液晶顯示器進行溫度顯示。LCD1602 液晶顯示器體積小，重量輕，顯示質(zhì)量好，能耗低，價格便宜，在市場上售價在 10 元左右，適合在工業(yè)上大量應(yīng)用。LCD1602 液晶顯示器具有數(shù)字式接口，能夠與單片機相連，操作方便，能夠滿足本系統(tǒng)顯示標簽節(jié)點處溫度的14需要。LCD1602 液晶顯示器是一種字符型點陣式顯示模塊，其實物圖如圖 29。該液晶顯示容量為 16x2 個字符，芯片電壓在 之間可正常工作，最佳工作電壓為 。在 LCD1602 液晶模塊中固化有字符字模，液晶模塊中內(nèi)置了 192 個常用字符字模，存儲在 CGROM 和 CGRAM 存儲器中。 引腳電路圖參考圖 210 所示，引腳說明見表 24。圖 29 LCD1602 實物圖15圖 210 圖 二1 LCD1602 接口電路圖表 24 LCD1602 引腳說明LCD1602 液晶模塊是通過對其控制器進行指令編程實現(xiàn)字符的顯示。指令包含16對液晶顯示器的讀和寫操作、光標移動、光標顯示和屏幕的操作。指令共 11 條，見表 25。表 25 LCD1602 操作指令表17第三章 系統(tǒng)分析與設(shè)計在礦山采礦或勘探過程中，因環(huán)境惡劣無法架設(shè)線路或需要常常遷移地點時，采用無線自組網(wǎng)技術(shù)具有極大的優(yōu)勢。隧道環(huán)境無線自組網(wǎng)溫度采集系統(tǒng)應(yīng)用在礦山隧道中監(jiān)測放置處的溫度信息。本系統(tǒng)可以避免因強電電流過大等原因造成的溫度升高，引起測溫系統(tǒng)發(fā)生故障。本系統(tǒng)也可以應(yīng)用在不能采用有線連接的環(huán)境中。設(shè)計隧道環(huán)境無線自組網(wǎng)溫度采集系統(tǒng)的目的是能夠加強工礦企業(yè)對工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的監(jiān)管，在工業(yè)現(xiàn)場即將發(fā)生危險時做出及時響應(yīng)，避免釀成額外的損失。該系統(tǒng)對生產(chǎn)人員的生命安全和企業(yè)財產(chǎn)提供了有力保障。本系統(tǒng)中標簽節(jié)點布置在隧道現(xiàn)場環(huán)境中，實時采集溫度信息，廣播本標簽地址，發(fā)送路由交換包，與其他標簽節(jié)點自組成網(wǎng)，將采集到的數(shù)據(jù)按特定協(xié)議發(fā)送，同時將其他標簽發(fā)過來的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)，最終發(fā)給閱讀器節(jié)點。閱讀器廣播本機地址，過濾標簽地址，過濾數(shù)據(jù)包，處理來自標簽采集的數(shù)據(jù)包，發(fā)送給 PC 機。 節(jié)點信息處理本系統(tǒng)標簽節(jié)點和閱讀器節(jié)點采用了欣世紀電子科技的 DM430L 型單片機系統(tǒng)板和騰飛電子的 TS8900M149 型開發(fā)板，本系統(tǒng)應(yīng)用的開發(fā)板均為 MSP430F149 最小系統(tǒng)，具有豐富的應(yīng)用接口，板載 USB 型 BSL 下載器，支持標準 JTAG 仿真接口，擴展方便，資源豐富，設(shè)計思路清晰。標簽節(jié)點主要完成溫度信息采集、數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)，廣播本機地址，交換路由表的功能。標簽收到數(shù)據(jù)包后通過數(shù)據(jù)包的第 1字節(jié) type 字段的數(shù)值識別數(shù)據(jù)包類型。標簽工作的流程參考圖 31 所示。18收到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)包 type=2否否開始初始化 LED 模塊初始化 LCD1602液晶模塊初始化系統(tǒng)時鐘初始化 CC1101收到數(shù)據(jù)采集溫度信息尋找相鄰節(jié)點發(fā)送溫度信息到相鄰節(jié)點收到廣播包type=0收到路由轉(zhuǎn)發(fā)包 type=1添加路由信息發(fā)送給本機存在此路由 發(fā)送給本機轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包溫度值過高觸發(fā)警報12是是否否否否 否是是是是是否19定時器到達廣播本機地址1發(fā)送本機路由表中信息2圖 31 標簽工作流程閱讀器為使標簽?zāi)軌蛳蜃约喊l(fā)送采集數(shù)據(jù)包，需要向周圍廣播自己的地址信息。當閱讀器的廣播信息被標簽接收到后，標簽會將閱讀器地址加入到自己的路由表中（若已存在此路由信息，則不添加） 。閱讀器收到數(shù)據(jù)包后通過數(shù)據(jù)包的第 1 字節(jié)type 字段的數(shù)值識別數(shù)據(jù)包類型。圖 32 為閱讀器工作流程。20開始LED 初始化初始化系統(tǒng)時鐘初始化 UART 模塊初始化 CC1101收到數(shù)據(jù)1 23是否2121發(fā)給 PC 機收到廣播包type=0收到路由轉(zhuǎn)發(fā)包 type=1收到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)包 type=2發(fā)給本機延時 10ms定時器計數(shù)到達廣播本機地址 3否否否是是否是是是否圖 32 閱讀器工作流程 溫度信息采集此溫度采集模塊能夠檢測到當前溫度并且能夠在超出預(yù)設(shè)的警告溫度時發(fā)出警報，提醒在礦山中工作的人員，為工作