熱網監(jiān)控體系網絡設計

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本文作者：李琦1張坤1李旭東2作者單位：1.內蒙古科技大學信息工程學院2.天津航天機電設備研究所

無線傳感器網絡由一個監(jiān)控中心和若干個匯聚節(jié)點、傳感器節(jié)點組成。傳感器節(jié)點安裝在需要采集數(shù)據的小區(qū)建筑物屋頂，匯聚節(jié)點安裝在熱力站，它們共同組成傳感局域網，每個傳感局域網內部都由一個匯聚節(jié)點和多個傳感器節(jié)點組成，傳感器節(jié)點開機后自動組成以匯聚節(jié)點為根節(jié)點的樹狀分級網絡。傳感器節(jié)點采集的小區(qū)客戶端工況數(shù)據通過無線方式匯聚到數(shù)據中轉器匯聚節(jié)點，熱力站傳感器采集熱力站內現(xiàn)場工況數(shù)據由現(xiàn)場總線匯聚到數(shù)據中轉器匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點借助GPRS網絡將兩種網絡數(shù)據最終發(fā)送至Internet網絡，監(jiān)控中心服務器通過訪問Internet獲得數(shù)據。監(jiān)控中心服務器通過防火墻接入Internet，借助GPRS網絡與數(shù)個傳感局域網相連。監(jiān)控中心以遠程采集到的各熱力站用戶端溫度及壓力等數(shù)據為基礎進行熱網的工況調度，使整個熱網熱負荷趨于平衡。此協(xié)議棧采用8位短地址，理論上最大網絡規(guī)模為256n個節(jié)點(n為傳感局域網的個數(shù))。上述遠程熱網監(jiān)控系統(tǒng)涉及現(xiàn)場總線通信技術、GPRS技術和因特網技術，筆者將詳細討論熱網監(jiān)控中的無線傳感器網絡結構與其硬件支持。

1無線通信模塊選型

1．1nRF905無線通信模塊①

由于城市小區(qū)客戶端具有分布范圍廣，遮擋密集，客戶端逐年增加的特點，十分適合無線傳感器網絡的應用。2．4GHz頻段雖然具有帶寬的優(yōu)勢，但其通信距離和繞射能力達不到應用的要求，而實驗證明433MHzISM免費頻段具有良好的繞射性，采用普通的天線類型和高度就可以達到本應用需要的傳輸距離，而且不需要很大的發(fā)射功率。無線通信模塊nRF905可以工作于433MHz、868MHz和915MHz3個頻段，它不兼容IEEE802．51．4標準。具有GFSK抗干擾調制方式，500m開闊傳輸距離和50kb/s的傳輸速率。同時，可設軟件和硬件地址、內置硬件CRC校驗，并具有4種工作模式:兩種活動模式(RX/TX)和兩種節(jié)電模式［1，2］，這些特點大大方便了用戶的使用。

1．2EM310GSM模塊

華為公司生產的GSM模塊EM310支持M900MHz/DCS1800MHz雙頻，內置TCP/IP協(xié)議棧。與西門子MC55模塊功能相近、管腳兼容。相對MC55，EM310擁有－30～75℃的極限工作溫度、軟件休眠及高性價比等優(yōu)勢。EM310支持標準AT命令、華為自有的功能強大的AT命令和華為專有的數(shù)據透傳AT命令，筆者用于設計實現(xiàn)匯聚節(jié)點的GPRSDTU部分。華為EM310模塊采用TERM_ON單腳控制模塊開關機，在EM310模塊正常供電的情況下，TERM_ON信號為低電平，維持50ms左右，3s后EM310模塊正常開機工作，相反的電平維持50ms為關機，這不同于MC55的雙引腳開關機。此外，華為EM310的RESET引腳非常靈敏，在PCB布板的時候走線要限制在2cm之內。值得注意的是VDD-I/O引腳的使用，它是EM310模塊內部串口輸入輸出信號電平轉換電路的供電電壓，應該與DTE接口電平保持一致，并且要與TXD上所接電阻匹配，圖1所示為EM310串口原理示意圖，調好EM310的串口對完成GPRSDTU的數(shù)據透傳功能非常重要。EM310應用除串口以外就是SIM卡的外圍電路，圖2所示為本設計的SIM卡接口。這里需要增加SIM-VCC與GND之間的預留電阻焊盤位置，并與0．1μF的電容并聯(lián)，用來防止偶爾有SIM質量或者工藝的原因造成的SIM卡不識別，此電阻可以解決此類問題。此外，SIM卡口速率典型值在3．25MHz左右，因此要求SIM卡座應放置在距離模塊接口較近的位置，走線一般不要超過10cm，過長的走線，使波形嚴重變形，會影響信號的通信。另外IM-CLK和SIM-IO信號走線需要地線包絡。

2匯聚節(jié)點硬件設計

2．1微處理器的接口設計

匯聚節(jié)點以ST公司基于Cortex-M3內核的STM32RBT6單片機為主控制器。圖3所示的硬件設計電路中匯聚節(jié)點采用8～40V直流電源供電，設計了USB、RS-232、RS-485、E2PROM及JTAG等接口電路。E2PROM用于存儲參數(shù)配置信息等需要掉電存儲的數(shù)據。控制器的串口1與GSM模塊EM310相連，與其進行數(shù)據通信與交互;串口2可以與PC機相連，用于顯示EM310模塊參數(shù)配置菜單和用戶對EM310模塊的參數(shù)配置，同時也方便了協(xié)議棧組網調試工作。USB接口的設置是另外一種更加簡便的協(xié)議棧組網調試接口。RS-485總線作為熱力站現(xiàn)場總線的有線數(shù)據接入接口，顯然采用這種數(shù)據匯聚的方式的網絡覆蓋面積遠遠比不上采用GPRS網絡數(shù)據匯聚方式。人機界面選用256×64像素的LCD，用于顯示配置信息和數(shù)據信息。

2．2匯聚節(jié)點電源模塊

由圖4可知，匯聚節(jié)點電源模塊供電范圍為8～40V;輸出電壓為4．2～3．2V，分別采用電源轉換芯片LM2576ADJ和LM1117。其中為EM310模塊提供4．2V供電電壓，為主控芯片STM32、無線通信模塊nRF905、TTL電平以及RS-232電平轉換芯片MAX3232、E2PROM(AT24C04)和MAX485芯片提供3．2V供電電壓。

2．3GPRS數(shù)據透傳單元(GPRSDTU)

GPRSDTU模塊硬件包括個5部分:CPU控制部分;無線通信模塊部分;電源部分;存儲器件部分和SIM卡;天線部分。CPU芯片選擇的是48腳的STM32F103CBT6。主控芯片與EM310無線通信模塊的控制主要包括:開機引腳TERM_ON、復位引腳RST和EM310需要外接電源指示燈來指示供電狀態(tài);EM310模塊工作狀態(tài)指示燈來指示EM310模塊的工作狀態(tài)。初次使用EM310模塊時，為了便于單獨對EM310串口通信進行調試，外接EM310模塊與STM32主控芯片串口是非常好的選擇。EM310模塊開機成功，此串口顯示:“AT-CommandInterpreterready”或者“插入SIM卡”，撥打號碼可聽到呼叫等待音，證明EM310工作正常。EM310模塊外圍電路結構如圖5所示。

3普通傳感器節(jié)點硬件設計

3．1微處理器的接口設計與元器件選擇

傳感器節(jié)點有6路模擬量采集通道，其中4路電流信號輸入，兩路電壓信號輸入。傳感器節(jié)點的元器件選擇需要依照成本低、體積小和功耗低的原則，電源管理芯片選擇高效率開關電壓調節(jié)器LM2596，其轉換效率高達73%。

3．2太陽能供電模塊與安裝

一天的24h內有日照的時間傳感器節(jié)點有太陽能板的持續(xù)充電，所以鋰電池的容量選擇需要滿足無日照時間獨立供電的需求。筆者設計的無線自組織網絡為了節(jié)省能量傳感器節(jié)點，采用定時采集發(fā)送數(shù)據、空閑時間休眠的工作方法。匯聚節(jié)點為市電供電并不需要這么做，它可以長時間處于工作的狀態(tài)，在整個網絡中起到協(xié)調作用。根據表1傳感器節(jié)點的工作特點和主要元器件的功耗粗略地計算沒有日照的耗電量:在這里假設沒有日照的時間為12h，并設定5min發(fā)送一次數(shù)據，估算每次網絡數(shù)據傳輸時間為1min，單個節(jié)點需要消耗的能量為:144(0．5+30)×1/60+(0．016+0．0025)×(12－2．4)=73．5mA/h，這里并沒有考慮傳感器的耗電和電路板上其他元器件的耗電。供電模塊采用3A•h的3．7V雙節(jié)AA鋰電池串聯(lián)供電，足夠保證日照不充足和計算外的耗電的情況下傳感器節(jié)點正常工作。選用9V，120mA太陽能板8．4V充電，太陽能板大小為120mm×120mm。供電芯片選用雙節(jié)鋰電池充電芯片BQ2057的W系列。BQ2057的充電分為3個階段:預充狀態(tài)、恒流充電和恒壓充電。充電電路如圖6所示［3］。為了更好地將太陽能轉化為電能，太陽能板安放角度很重要，但傳感器節(jié)點并不能做到自動調節(jié)方位角和傾角。方位角固定選擇正南，傾角綜合緯度和角度選擇40°。

4結束語

筆者提出一種異構網絡融合和多種通信方式共存的遠程熱網監(jiān)控的理論，并詳細敘述了小區(qū)熱網客戶端無線傳感器網絡的硬件設計部分。硬件支持嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II的移植，基于433MHz通信頻段使節(jié)點在城市和山地的環(huán)境下仍然具有良好的通信距離，初步測試無線傳感器網絡硬件的設計可以滿足應用的需求，并與其他熱網遠程監(jiān)控系統(tǒng)的網絡部分正常通信。